i
i
“509-Copic-naslov” — 2009/6/10 — 9:31 — page 1 — #1 i
i
i
i
i
i
List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje
ISSN 0351-6652
Letnik 9 (1981/1982)
Številka 2
Strani –215
Martin Čopič, priredba Marjan Hribar:
SVETLOBA LASERJA
Ključne besede: fizika.
Elektronska verzija: http://www.presek.si/9/509-Copic-Hribar.pdf
c© 1981 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije
c© 2009 DMFA – založništvo
Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali
posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo-
ljeno.
FIZIKA
SVETLOBA LASERJA
" Ta n k i c urki svet lobe 'vigajo me d ve sol jskima ladjama . La-
djo kapitana Bl aka ne varno premetava. v komandn i s ob i s o
vsi nape ti . Končno le zadetek v po l no ! Mogočen l a s ers k i
t op j e zadel v občutlji vo točko sovražnikove l a d j e . .. "
To bi lahko bil kratek povzetek iz televizijske nadalje vanke, v
kateri ne man jka vs e ga sposobnih r ačunalnikov i n drug i h avtoma -
to v, pa laserskega orožja. Marsikdo od vas je najbrž na podoben
način prvič slišal · za l aser . Sliš ali s te še, da je mogoče z l a-
se r j i vr ta ti v je kle no pločevino fine luk nje, da je laser upo-
raben pri ope raci jah , da ga l ahko uporabi mo celo za brisanje na-
p a č n o odtipkanih č rk i n podobno.
Las e r srečamo tudi v šo l i . U č it el j ga pri pouku upora blja kot
svetilo . Daje ozek, skoraj vzpor eden , zel o svetel curek rdeče
svetlobe . Učitelj nam z navdu šenj em pokaže, ka ko se laserski
cure k uklanja na ostrih robovih predme tov . Po pre hodu s kozi op-
t ič no mr eži co s e r azpr š i curek v pra vo p a hl j a č o. Podobno se ra z-
prši c ure k pri pre hodu skozi gosto tka nino . Vsi ti poskus i nam
dokazujejo, da je svetloba v a lovanje . Podobne pojave la hko opa-
zuje mo tudi pri svetlobi na vadnih s vetil , le da so manj izraz i -
t i . Kar pog lej mo skozi tanko zaveso luči v odda ljeni hiši. Okoli
lu č i vid i mo množ ico l e po ur e je ni h barvastih l i s. Tudi t e so po-
sledica ukl ona svetlobe .
V čem se svetloba lase rja razli kuje od sve tlob e o bič aj nih sve-
ti l, da so pri njej valovni poj avi t a ko izra zit i?
Pojdimo po vr sti!
209
Laser oddaja svetlobo v ozkem curku. Druga svetila oddajajo sve-
tlobo v vseh smereh in le z lečami ali z zrcali jo lahko delno
usmerimo. Poskusimo s prizmo razkloniti svetlobo v spekter! Pri
običajnih svetilih dobimo pri takem poskusu na zaslonu več bar-
vnih lis ali kar celo mavrico. Sele s filtri, ki prepuščajo le
izbrano barvo, lahko spekter omejimo. Pika, ki kaže. kam se je
po prehodu skozi pri zmo odklonil lasers ki žarek, ostane neraz-
klonjena. Za vse naše poskuse lahko trdimo, da je laserska sve-
tloba e n ob a r v na .
Opredelimo to zadnjo trditev bolj natančno! Svetlobo z izbrano
barvo opredelimo. če povemo njeno v a l o v n o do L ž i no ali pafrek-
v e n ao. Vidna svetloba ima valovne dolžine od 450 nm do 700 nm.
Prva valovna dolžina ustreza modri. druga pa rdeči svetlobi.
Frekvenca modre svetlobe je 6.7 .101~ S-I. frekvenca rdeče sve-
tlobe pa 4.5.10 14 S-I. Vse te valovne dolžine ali frekvence so
zastopane v spektru svetlobe s Sonca . Iz spektra sončne svetlo-
be lahko s filtrom izrežemo pasove s širino okoli 10 nm ali s
frekvenčno širino okol i 10 13 S-I. Curek svetlobe iz živosrebrne
luči lahko s prizmo ločimo v curke, ki so veliko bolj enobarvni .
Spektralna širina svetlobe v takih curkih je okoli 10- 3 nm ali
okoli 108 S-I. Tudi šolski laser nam daje svetlobo s približno
tako spektralno širino. Posebno skrbno izdelani laserji pa daje-
jo svetlobo. pri kateri je spektralna širina še veliko manjša -
celo 10 3 S-l .
Ostane nam še najvažnejša razlika med svetlobo laserja in svet-
lobo navadnih svetil. Pravimo. da je svetloba laserja kohe re ntna
za razl iko od svetlobe navadnih svetil, ki je neko herentna .
Ob pojmu koherentnosti se bomo pomudili nekaj dlje. Prej smo
trdili, da lahko na osnovi poskusov zaključimo. da je svetloba
valovanje. Vsa valovanja imajo nekatere skupne lastnosti. Za
vse veljata enaka zakona za lom in odboj, vsa valovanja se uk-
lanjajo ob ovirah. pri vseh opazimo interferenco. V šoli vse te
pojave najprej srečamo pri valovih na vodnem površju. ki jih
lahko naredimo sami na zelo preprost način. Poskusimo še enkrat!
Vzemimo na primer deščico in jo pomakajmo v vodo v enakomernem
210
Sl. 1a Sl. 1b.2,
C
Q.
<, ,
Gi / \ \
/ /
/~
\
/~
\
~ ~
Slo 2a "', V/ .\\ tr\
/ /
/ /\ /\ \,
./ ' '- -- - -
il).....
C
Q.
Gi I
/' '\ \
\
/ \
/
Sl.2b /
I, /
\ /
-,
./
takt u. Od d e š č i c e s e š irijo va lov i na vse s t r ani. Na gladini,
po ka t e r i se širijo valovi, delc i vode nihajo . O tem se lah ko
pr e p r ič a m o , če dam o na gladino majhno stiropo rn o krogl ico . Kro-
glica in del c i oko li nje nihajo v ritmu pa l ičice, al i kakor pr a-
vimo , s f re kvenco paličice . Sli ka 1a naj ponazarja časovni potek
nihanja na iz br anem mestu . Na podo ben način niha ob ist em času
del ec na dr ugem mest u. Slika 1b pona zar ja ta ko nihanje na mestu ,
ki je bolj oddaljeno od iz vira. Nihanje zaostaja za nih anj em v
211
Sl .3a
Sl .3c
Sl.3 b
Sl . 4b
Sl .4a
pr vi točk i. Zaostan e k pa je ves č a s ena k . Rekl i bomo, da j e me d
nih anj ima ko n stan tna fa zna r a z Zi k a . če vsi delc i v pro s t or u , po
ka t e r em s e š iri va l ovanj e , ni ha jo s kons t ant nimi fa znimi ~a z l i ­
kami , pr avi mo , da j e va l ovan j e koheren t no . Tako j e va l ova nj e,
ki ga zbuj a pal i č i c a na vodnem povr š j u . Tako je t ud i va l ova nje
s ve tl obe v l aser s kem curk u . E l e k t ri čn o in ma gnetn o pol j e v cur -
ku svet l obe niha ta v izb r anih t o č k ah s kon s t ant no faz no raz l ik o .
Sve t l oba iz navadni h sve t i l ni kohe r ent na . V dveh dovo lj odda lj-
eni h t o č k a h v cu r ku tak e s vet lo be st a nih anji povsem ne povez an i ,
l ah ko ju pre dst avimo s s lika ma 2a i n 2b .
Sl i ki 3a in 3b na j rabita kot dodatno poj asn ilo ra zl ike . Kaže t a
t r enut no s l ik o sv et lo bn ih va l ovanj v las ersk em curk u in v cur ku
nava dne s ve t lo be, v kate r i s mo s f i lt ro m iz br a l i eno bar vo. č r t e
predstav ljajo gr ebene s ve t l obni h va lov . V laserskem cur ku so
greben i vzpor edni i n v enako merni h r azmi kih . Od na va dneg a s ve t i -
l a se ra zši r jajo ne ena kome r ni kro ge ln i va lov i na vse s t r ani .
Sl ik a 3c kaže , kako l ahko tudi i z navadnega sv etil a dobimo kra-
te k ča s t raja joče kohe r entne valo ve .
Zar adi kohe re nt nos t i j e svet lo ba l ase rj a že na oko r a zl i č n a od
svetlob e običajni h s veti l. Us mer i mo laserski cur ek pr ot i za sl o-
nu i n ga r azp r š imo z moč no le č o . Sve t la pega na za slonu j e vi -
212
de t i zrnata . če zaslon hitro premikamo , zrna t os t i zgi ne in zas-
lon je ena komerno osv et l jen. Raz lo žim o s i to !
Po lomu skozi l e č o se š i r i proti zas lonu svet l oba v kro gelnih
kohe r en t ni h valov ih. Na zaslonu se sve tloba razprši. Lahko s i
mislimo, da je vs a ka točka na zaslonu izv ir valov an j a , ki vpada
v oko . Vsi t i izvi r i nih a j o s sta l ni mi faz ni mi r a zl i kami , kakor
j e prej niha lo el e k t ri č n o i n magne t no polje v curku va l ova nja.
Valovanj a z zas lona se v ne katerih smereh o jačijo, v drugih pa
os l abij o. Kj e r prid e do ojačenja , vidimo na zas lon u svet lo, kj er
pr ide do os la bi tve pa temno pik o . Ko s e za s lo n pr emi ka , pot uje -
jo prek mrež nic e v hitrem zapo redj u o jače na i n os la blj ena mest a ,
zato vid imo zasl on enakomerno s v ~t el . Ko os ve t lj uje zas lo n ne-
kohe r ent na sv e tl oba , se fazne razlike med nihaji izvorčkov na
zasl onu ne pr e s t a no spremin jajo. S t em se neprestano sprem injajo
tudi smeri, v ka te r ih pride do ojače n ja in do os la bite v . Podob-
no kot pr i g i ba joč e m se za s l onu za zna oko l e en a komer no s ve t l o
sli ko .
Naslednja zgod ba bo pokaza l a , ka kš ne imeni tne možnost i nam daje
koher ent nos t laserske svet lo be.
" Da n e s b omo go vorili o fotogra f i ranju " , j e r azgl asil u či­
t elj , ko je vstopil v raz red ." l e kaj n o v e g a lahk o pri te m
i z vemo ? " so si mis l ili dijaki. Vsi so že i mel i v rokah fo -
tografski aparat . Vedeli so ,da sta v njem objektiv i n zas-
lonka, da ga je tre ba nara vna ti, če naj bo s lika na f i lmu
ostra . Vede l i so ce lo, ka ko se lomijo curk i s vetl obe pr i
pr ehodu s kozi lečo in znal i izrač un a ti raz da ljo sli ke od
leče, če so pozna l i razdaljo predmeta od l e č e in goriščn o
razdaljo l eče.
Učitelj je prižgal gra foskop in položi l narij k ošček ena ko-
mer no s i vega f il ma. " To je f otografija i a hovske figur e".
j e i z j avil. U č e n ci so debelo gledali . Na zaslonu niso vi -
de li drugega kot sivo liso z ne ka j nejasnlm l črtam i . Ka za -
l o je, da jim hoče uč itelj prodati cesarje vo novo ob l eko .
Uč itelj je pr ižga l l ase r in r az prš i l cur ek z r a zpršilno
l e č o . Poklica l je k sebi Janeza, ki je naj bo l j glasn o ugo -
2 13
va r jal . Janez je pog ledal skozi f ilm v s t ožc u l a se r ske
svetl obe. Pred njim je zaž a rela v rd eči s ve t l ob i fi gu ra.
Kot da bi jo gledal skoz i okno. Vsi so si ogl edali " čudež"
in č a k a l i poj asnil o .
U č i t e lj j e pripove doval : " Ta k olae k f ilma J e hologram-ukl on -
ska slik a lahovske figure . Na uk l onski h ar tah , ki jih je
z ar i s a l a svetloba pri f o t o g r a f i r a n j u , se uklanja s vet loba ,
pra v t ako kakor se je prej uklanjala na mre žiai ali na z a-
v e s i . Ko op a zu jemo u klon sko s l i k o , s e nam zdi , kot da bi
s v et l o ba prihajala i z pr e dme t a z a hologramom.
Toda kak o pridemo do holograma?
Govo r i l i s mo že , da je vsaka t o aka osvetljenega predmeta
i z v i r novega valovan ja . Ko telo o svetl juje nav adna s v et l oba ,
nihajo ti i z vi ri neodv isno d rug od drugega . Če hoaemo do -
biti sliko pr e dme t a , lahko k ve a jemu z beremo de l oddane s ve -
tl obe z le ao na f i l mu . Vsaki t oak i v i d n e g a dela pre dmeta
pripada toaka na sliki. Na enak na ain - z leao - bi l a h k o
pre sl ikali predmet tudi , ko ga o s v e t l j u je lase rska svetlo -
b a . Vendar imamo tu novo mo ž nost . Vs e o s v e t l Je ne toake -
nali iz v i r i s v etlobe - n i h a j o s edaj s konstantno f azno· raz -
l i k o . Tiste to ake , k i j i h v alovan je iz lase r ja zadene p re~
pre hite v a jo v nihan j u tist e , k i jih v a l iz laserja zade n e
kasneje . Za nal namen je p omembn o , da o s ta ne j o f az n e r a z -
l ike k on stan t ne , d ok l er traja s l i k a n j e . Pos netek na r e dimo ,
kakor k a že s l ika 4a . Film osve tljuj eta hkrati dv e v a l o -
v an j i . Pr v o je t isto , k i se o dbija od predmeta , drug o pa
je del valovan ja , ki o s ve t l j u j e predmet . Valovanji se na
nekaterih mes t i h ob f i l mu ojaaita , na d r ugi h pa oslabita .
Na f i l mu ostanejo za to zapisane zelo na gosto t e mn e in
svetle arte . s l i k a 4b pa nam kaže , kaj se zgodi , ko dam o
posnetek V las erski c ur ek , da b i o pa z o v ali s li k o .
U č e n c i so bil i nav dušen i . Jane z s e je že raz vnema l : "A l i
ne b i bilo imeni t n o , da b i nam TV mre ža pos redova l a holo -
gram e , d oma pa bi v las ers kem projektorju gledali pro sto r -
ske TV programe ! "
214