Як побудувати модель лазера (завантажте відео з субтитрами і вчіть англійську термінологію з лазерної техніки)

ПОПУЛЯРНА ОПТИКА (Сферичне дзеркало див. відео)

ТЕМИ БАКАЛАВРСЬКИХ ТА МАГІСТЕРСЬКИХ РОБІТ 

З ОПТОЕЛЕКТРОНІКИ

1. Дослідження оптичних методів візуалізації наночастинок.
2. Розробка і дослідження лазерного пінцета.
3. Розробка інтерферометричного датчика нанопереміщень об'єктів.
4. Дослідження оптичного хемосенсора.
5. Дослідження оптичного біосенсора.
6. Візуальне комп'ютерне моделювання наноелектронних процесів.
7. Дослідження фотоелектричних процесів в сонячних елементах.
8. Розробка і дослідження голографічного дисплея.
9. Розробка і дослідження голографічного пінцета.
10. Дослідження методів оптичної фільтрації зображень.
11. Розробка світлодіодного знезаражувача води.
12. Розробка пристрою для оптичного зв’язку між комп’ютерами.
13. Розробка пристрою для люмінесцентного контролю якості харчових продуктів.
14. Дослідження однофотонного приймача.
15. Розробка і дослідження лазерного тріангуляційного далекоміра.
16. Розробка і дослідження інфрачервоного локатора.
17. Дослідження можливостей ближньопольової мікроскопії.
18. Дослідження можливостей підвищення ефективності сонячних батарей.
19. Розробка і дослідження волоконно-оптичного сенсора.
20. Розробка і дослідження 3D сканера.

Лазер збільшує ємність жорсткого диска (читай статтю)

      Термомагнітний запис (англ. Heat-Assisted Magnetic Recording, HAMR) здатний збільшити на порядок щільність запису інформації на жорсткий диск і довести її до 2 Тб/кв.см. Ідея термомагнітного запису була запатентована у 1954 р., ще до появи перших жорстких дисків американської фірми IBM  (1956 р.) та винаходу лазера (1960 р.). Сфокусований промінь інфрачервоного GaAs-лазера з довжиною хвилі 810 нм нагріває до температури Кюрі (450 C) нанокристали феромагнетика Cu2MnAl , нанесеного на пластини жорсткого диска. До точки Кюрі нанокристал феромагнетика має спонтанну намагніченість. В точці Кюрі інтенсивний тепловий рух атомів руйнує спонтанну намагніченість - відбувається фазовий перехід з перетворенням феромагнетика (речовини із залишковим макроскопічним магнітним моментом у відсутності зовнішнього магнітного поля) в парамагнетик  (речовину без залишкового магнітного момента). У разі охолодження феромагнітного матеріалу нижче точки Кюрі поле магнітної головки жорсткого диска вишиковує феромагнітні домени у напрямку поля і біт інформації записується у вигляді локально зміненої намагніченості феромагнітного шару пластини жорсткого диска. Лазер забезпечує локальність нагрівання феромагнітного шару.
Поєднання магнітної головки та лазера  (див. рисунок)

Лазер очищає метал від іржі (див. відео)
        Для очищення поверхні металу від іржі та забруднення використовують СО2-лазер з довжиною хвилі 10,6 мкм та Nd:YAG-лазер з накачкою лазерними діодами - на основній та подвоєній частотах (довжини хвиль 1064 та 532 нм). Механізм очищення грунтується на лазерній абляції (випаровуванні поверхневого шару), який у разі генерації неодимовим лазером  наносекундних імпульсів доповнюється оптичним пробоєм повітря, утворенням мікроплазми та ударної хвилі. Середня потужність лазерних очищувачів сягає 1000 Вт. Лазерне випромінювання підводиться до ручного очищувача (розміром з перфоратор) за допомогою гнучкого волоконно-оптичного кабеля [1]. Лінійна розгортка лазерного променя дозволяє утворити на поверхні лазерну смужку, щось на зразок світлового пензля, який стирає з поверхні іржу, стару фарбу, забруднення.
        Лазерне очищення виявилося ефективним для відновлення не тільки сучасних, але й антикварних виробів, зокрема, монет Римської імперії. Для запобігання пошкодженню щільність енергії в лазерному імпульсі не перевищувала 0,4 Дж/кв.см  [2].

1. http://www.cleanlaser.de/wEnglish/produkte/high-power-cl-1000.php.
2. http://trajan.numizmat.netnwww.trajan.numizmat.net/papers/num5.pdf.

       
Лазер очищає кузов автомобіля від старої фарби (див. відео)
       Традиційно зняття шару старої фарби з автомобілів, літаків, суден та інших транспортних засобів здійснюється методом піскоструминного очищення, який створює багато шуму, пилу, забруднює середовище і зрештою є вибухонебезпечним. Лазерні очищувачі, які з'явилися останнім  часом, позбавлені цих недоліків. Очищення відбувається внаслідок лазерної абляції - випаровування нагрітої речовини без її переходу в рідкий стан. Для цього потрібна інтенсивність випромінювання приблизно 20 кВт/кв.см. [1].

1. https://link.springer.com/article/10.1007/s00339-010-5811-0#page-1

Лазерні окуляри (див. статтю)
     Окуляри, розроблені японською фірмою Fujitsu, здатні не тільки покращити зір, але й можуть бути використані в комп'ютерних іграх і взагалі для перегляду будь-якої відеоінформації (новин, кіно, відеоуроків тощо).

Демонстрація сили тиску лазерного випромінювання (див. відео)

     40-Вт лазер сповільнює обертання досить масивного тіла. Експеримент проведено групою дослідників з Каліфорнійського університету, які вивчають можливості лазерного захисту Землі від зіткнень з космічними об'єктами.
     Астрономи досить давно спостерігали, що хвіст комети, яка пролітає мимо Сонця, ніби відштовхується від нього. У 1619 р. німецький вчений Йоган Кеплер висловив припущення, що це явище є наслідком тиску сонячного світла на хвіст комети, який складається з частинок пилу та газу. 
     У 1873 р. англійський фізик Джеймс Максвел на основі створеної ним класичної електродинаміки (рівнянь Максвела) теоретично обґрунтував існування тиску електромагнітного випромінювання на опромінювану поверхню. У другому томі "Трактату з електрики та магнетизму" Максвел писав: "У середовищі, в якому поширюється хвиля, з'являється у напрямку її поширення сила тиснення, яка у будь-якій точці чисельно дорівнює кількості енергії, зосередженої в одиниці об'єму... Плоске тіло, опромінюване сонячним світлом, відчуватиме цей тиск лише освітленою стороною, і, отже, буде відштовхуватись від тієї сторони, на яку падає світло. Імовірно, що значно більшу енергію випромінювання можна отримати за допомогою сконцентрованих променів електричної лампи. Такі промені, падаючи на тонкий металевий диск, делікатно підвішений у вакуумі, повинні, ймовірно, викликати помітний механічний ефект" [1]. 
     Уперше тиск світла продемонстрував у 1899 р. російський фізик Петро Лебедєв [2, 3].

1. Maxwell J.C. A Treatise on Electricity and Magnetism. 2 vol., 1873. - Vol.2:  http://www.aproged.pt/biblioteca/MaxwellII.pdf. - P. 391-392.
2. Лебедев П.Н. Избранные сочинения. - М.: Гостехиздат, 1949. - С. 154-155.
3. Ландсберг Г.С. Оптика. 5-е изд. - М.: Наука, 1976. - С. 660-665.

Радіометр Вільяма Крукса (див. фото)

Зауважмо, що на нагріту поверхню тіла молекули повітря тиснуть сильніше, ніж на холодну, що заважало Лебедєву спостерігати тиск світла. Дійсно, кінетична енергія, отримана молекулами від нагрітої поверхні, вища за кінетичну енергію, отриману від холодної, отже, нагрітій поверхні молекули передають більший імпульс. Це так званий радіометричний ефект, виявлений у 1873 р. англійським хіміком Вільямом Круксом (світло, яке падало на чутливі ваги, порушувало баланс). Крукс змайстрував світлову вертушку, швидкість обертання якої залежала від інтенсивності світла, падаючого на її лопаті, що дозволяло вимірювати енергетичні параметри випромінювання.    

Світлодіод на одній молекулі

Ученые из Страсбургского Университета (Франция) подали напряжение на концы молекулы проводящего полимера политиофена и зарегистрировали свечение в красном диапазоне, тем самым создав первый в мире светодиод, состоящий из одной молекулы.

Однофотонний контроль

Нобелівська премія з фізики за 2012 р. була присуджена Серж Арош и Дэвид Дж. Винланд удостоены Нобелевской премии по физике 2012 г. за разработку методов измерения и манипулирования одиночными частицами без разрушения их квантовых свойств. Арош «ловит» фотоны, измеряет и контролирует их квантовые состояний при помощи атомов. Винланд же держит ионы в ловушке и управляет ими светом.

Серж Арош и его коллеги разработали эксперимент по изучению квантовой механики микроволнового света в ловушке между двумя зеркалами (резонатор). Они показали, что квантом света , фотоном , можно управлять с поразительной точностью.

Свет обычно обнаруживается путем разрушения: например, датчик света , называемый фотодиодом , генерирует электрический импульс при поглощении фотона. Но группа Арош смогла зарегистрировать интенсивность света с помощью неразрушающего метода , в котором атомы, пролетающие через ловушку с фотонами не взаимодействуют с последними, а являются своеобразными зондами их состояния. С квантовой точки зрения каждой частице, здесь это атом, соответствует определенная длина  волны. В данном случае после прохождения ловушки атом менял фазу своего квантового состояния, что свидетельствовало о наличии фотона между зеркал. Когда в эксперименте используются водородоподобные возбужденные атомы, так званые ридберговские атомы, метод становится достаточно чувствительным для обнаружения одного фотона и регистрации его смерти – поглощения зеркалом резонатором. Таким образом, появилась возможность считать фотоны без их разрушения. Комманда Ароша также подготовила эксперимент, в котором фотоны находились в состоянии «кота Шредингера», а точнее в состоянии суперпозиции и наблюдали как это состояние меняется при поглощении фотонов в резонаторе.

Пленение иона

Экспериментатор, Дэвид Винланд стал первым, кто использовал электромагнитные устройства, известные как ловушки Пола, для захвата ионов в ловушку для квантовой метрологии. В ходе работы, он разработал множество новаторских экспериментальных методов что с тех пор стали стандартными средствами манипуляций с отдельными атомами. Вооруженный эффективной технологией одноатомного детектирования вместе с лазерным охлаждением с целью привести ион до самой низкой энергией колебательного состояния, Винланд проводит сверхвысокоточную спектроскопию одиночных ионов. Примечательно, что именно с этой технологией, он заложил основу для беспрецедентного контроля над электронными и поступательными степенями свободы иона с возможностью создания таких суперпозиционных состояний, существование которых возможно лишь в резонаторе посредством взаимодействия света и вещества.

Эти работы вывели современную науку на новый уровень и приблизили нас на огромный шаг к созданию квантового компьютера. Уже сейчас осуществлена передача информации (квантового состояния) между 14 ионами, заключенными в ловушку, представленную Винландом. Кроме того, практическим применением вышеупомянутых открытий также стали сверхточные часы с точностью хода 10–17 Это сделает возможным регистрацию очень слабых физических эффектов и их дальнейшее практическое применение.