Мама, а что такое лазер? Он что, лазит куда-то?
Сынок опять задает странные вопросы, и это естественно. Тему лазеров не могу обойти стороной. В этой статье я расскажу о лазере и о том, как можно объяснить дошкольнику принцип его действия. Сразу скажу, что это не одно предложение - чтобы понять, как работает лазер, нужна целая система знаний, и ее можно сформировать в игре.
-Да, лазер позволяет человечеству залезть в такие области, куда без него - никак. Например, свет лазера может долететь до Луны! Или проникнуть внутрь организма, дотянуться до тех мест, куда не залезет нож хирурга. Лазером делают операции на глаза людям, у которых плохое зрение...
Коля потянулся за лазерной указкой и нажал на кнопочку.
-Эй, не свети лазером в глаз! Лазер острее самого острого ножа, с ним надо быть очень осторожным. Давай лучше поиграем в игру, чтобы ты понял, как работает лазер.
Игра "Двухуровневая система"
В этой игре мы поймем, откуда берется свет в лазере. Понадобится некоторое возвышение, с которого можно безопасно спрыгнуть на пол. У нас двухэтажная кровать, Коля прыгает со второго этажа на большую подушку на полу.
-Теперь ты - электрон. Залезай на второй этаж, прыгай с него, и пока прыгаешь, кидай мне мячик.
Мячик - это фотон, квант света. Электроны в атоме под действием некоторых внешних сил переходят на более высокий уровень, а потом сваливаются оттуда и излучают фотоны.
Вещество, способное излучать фотоны, называется активной средой. Это может быть газ, или твердое тело, или плазма, или полупроводник. Наша лазерная указка - полупроводниковый лазер.
Внешние силы, которые заставляют электроны переходить на верхний уровень, называются накачкой. Это может быть электрический ток, или свет, или нагрев, или даже ядерная реакция!
-Хочешь быть лазером с конфетной накачкой?
-Хочу! А как это?
-Я кладу конфетку на второй этаж, ты залезаешь, съедаешь, фантик сворачиваешь в шарик, прыгаешь и кидаешь шарик мне.
-Ням-ням!
Итак, мы съели все запасённые конфеты, и получили много шариков-фотонов. И что, получился лазер? Нет. Для создания лазера недостаточно выдать электронам конфеток накачки. Электроны излучают свет, но точно таким же образом все происходит и в обыкновенной лампочке. Но лазер - это не просто сильная лампочка. В лампочке излучение света происходит спонтанно, то есть в случайные моменты времени. В лазере излучение вынужденное. Об этом - наша следующая игра.
Игра "Вынужденное излучение"
Для игры понадобится двухуровневая система и несколько шариков или мячиков. Коля уже устал прыгать, и он будет просто сидеть на верхнем уровне и кидать шарики вниз, для этой цели поставила ему коробку с мячиками, и себе парочку оставила. Взяла тазик, чтобы ловить мячики.
-Сиди наверху и смотри на меня. Я буду проходить с тазиком.
Если тазик пустой, не кидай мячик.
Если в тазике лежит один мячик, то кидай один мячик, постарайся попасть точно в тазик.
Если в тазике два мячика, то кидай одновременно два мячика, и тоже в тазик.
Залезает. Кидает.
-Ой, я не попал!
-Бывает! А электроны всегда попадают, и при этом они еще и вниз прыгают!
-Какие ловкие, они наверное акробаты!
-Так устроены законы квантовой механики. Ты потренируешься, и тоже будешь попадать.
Смотрите, каковы особенности вынужденного излучения: наличие фотона (мячика в тазике) вынуждает электрон переходить с верхнего уровня и излучать еще фотон, причем точно такой же, попадающий в тот же тазик. Фотоны получаются как братья-близнецы, которым надо непременно быть в одном месте, играть в одну и ту же игрушку.
В отличие от спонтанного излучения, когда мячики раскидываются по всей комнате, вынужденное излучение собирает все мячики в одну емкость. Концентрация излучения будет гораздо больше, и самое главное - все фотоны будут в одном состоянии. Такое излучение физики называют когерентным.
-А что, в лазере есть специальные лазерные тазики?
Вопрос вполне по делу. Действительно, кто там ходит с тазиком туда-сюда? Чем определяются свойства этой группы фотонов? Об этом наша следующая игра.
Игра "Резонатор"
Для того, чтобы свет усилился, надо, чтобы он не уходил сразу, а накапливался. Мячики в тазике лежат спокойно, а фотоны бегают постоянно, их остановить может только зеркало. Пойдем-ка к зеркалу-трельяжу и посмотрим на него.
-Возьми ленточку и выложи ее как змейку, в виде волны. Как надо положить ленточку, чтобы змейка уходила вдаль, не прерываясь и оставаясь все время одинаковой?
-Так получается? Ой, нет!
После нескольких попыток Коля выложил примерно следующее:
Смотри, получилось, что к самому краю зеркала ленточка должна подходить либо в максимуме, либо в минимуме. А если будет промежуточное положение, то получился прерывистая линия. Как здесь.
Волны, удовлетворяющие условию непрерывности - условию резонанса - будут усиливаться. Проходя туда-обратно между зеркалами, они будут сохранять свою структуру. Как говорят физики, волны в одну точку зеркала будут приходить в одной и той же фазе. Это значит, что фотоны будут оставаться в том же состоянии - находиться в том же тазике, в котором они изначально образовались. Это позволяет все активнее и активнее работать вынужденному излучению, и лазер накапливает огромную энергию.
-А в настоящем лазере есть зеркала?
-Да, обязательно. Они могут быть из металла или многослойной среды, и не обязательно плоские.
Условие резонанса определяет, какой пучок света выйдет из лазера - широкий или узкий, какого он будет цвета, и другие важные характеристики.
-Как свет выходит из лазера? Зеркала же мешают!
-Одно из зеркал делают немного пропускающим, через него и выходит свет. Но внутри лазера гораздо больше света, чем выходит наружу. Поэтому очень мощные лазеры надо охлаждать - они сильно перегреваются от света.
Вопросы по лазерам
Коля устал от игр, и через некоторое время стал задавать отдельные вопросы. Думаю, они будут интересны и другим любителям лазеров.
-Почему лазер красный? Бывают ли лазеры других цветов?
Лазеры бывают самых разных цветов. Цвет лазера зависит от того, с какой высоты прыгают электроны, а также от расстояния между зеркалами. Помнишь, ты выкладывал ленточку-волну? Расстояние между максимумами, или длина волны - это и есть цвет лазера.
Самые безопасные лазеры - красные полупроводниковые, как наша указка. У папы на работе есть зеленый лазер, более мощный. Но такой лазер очень опасен, им нельзя пользоваться дома.
-Почему нельзя светить лазером в глаза?
Лазер опасен не только тем, что он сильный. Помнишь, я говорила про когерентность? Это дополнительная опасность для глаз. В свете от лампочки все фотоны бьют в случайном порядке, в случайные моменты времени. А в лазере фотоны бьют в одну точку, согласовано.
Представь, что у тебя есть нож, и ты его держишь под разными углами и бьешь по хлебу в случайные моменты времени. Таким образом хлеб не порежешь. А если держать все время под одним углом и согласовано водить ножом туда-сюда, хлеб моментально порежется. Также работает и лазер. Есть устройство, которое так и называется - лазерный нож.
-Почему кошечки любят лазеры?
Свет лазерной указки из-за когерентности немножко неоднородный, там постоянной возникают спонтанные максимумы и минимумы - так называемые спеклы. Возможно, это движение и привлекает кошечек. Пойди, поиграй с ними. Только в глаза не свети.
На этом заканчиваю статью. Конечно, в простых играх и демонстрациях не раскроешь технические детали лазеров. Но по принципиальным моментам вроде бы всё написала.Если у вас или ваших детишек появились вопросы, пишите в комментариях!
Спасибо всем, кто дочитал до конца! Ваши лайки вдохновят нас с сынишкой на новые физические игры!