исследовательская работа "Лазерное пугало"

Администрация муниципального образования «Бичурский район»,

Республики Бурятия

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Буйская средняя общеобразовательная школа»

Лазерное пугало

                     Выполнила:

                      Ученица 9 класса

                     Грудинина Ирина

                      Руководитель:

                 Серявина Любовь                     Константиновна

                   Учитель физики

2013

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………….3

       Глава 1. Принцип работы лазера……………………………………………………….4

       Глава 2. Принцип действия полупроводникового лазера…………………………….4

       Глава 2. Устройство лазерной указки………………………………………………….6

       Глава 4. Применение лазера…………………………………………………………….6

                 4.1 Лазерный диск и CD – ROM…………………………………………………6

                 4.2 Голография……………………………………………………………………6

                 4.3 Оружие………………………………………………………………………...6

                 4.4 Оптоволоконный кабель……………………………………………………..7 

                 4.5 Лазер – хирург………………………………………………………………..7

                 4.6 Лазер в стоматологии………………………………………………………..7

                 4.7 Отпугивание лазером………………………………………………………..7

       Глава 5. Устройство лазерного пугало с использованием лазерной указки……….8

                 5.1 Причины приведшие к изготовлению прибора……………………………8  

                 5.2  Комплектация……………………………………………………………….8

                 5.3 Принцип работы……………………………………………………………..8

 Заключение………………………………………………………………………………….9

 Список использованной литературы.………………………………………………….….10

Введение

 Проблема отпугивания птиц родилась в глубокой древности. Одним из древнейших средств отпугивания птиц стали пугала в виде человеческой фигуры. Эта идея используется и по сей день.  Кроме пугала, имитирующего человека, птиц отпугивают яркие ленты, воздушные шары и другие формы пугал. Однако этот метод имеет невысокую эффективность, учитывая, что некоторые птицы быстро привыкают к пугалам, перестают их бояться, и даже садятся на них.

     Развитие лазерной техники определяет широкое применение лазеров в различных областях науки. Недавно в продаже появился недорогой полупроводниковый лазер - известная всем лазерная указка. Применение лазера может эффективно отпугивать птиц.

             Госпредприятие «Международный аэропорт «Борисполь» закупило оборудование для отпугивания птиц. Открытые торги состоялись накануне Нового года 31 декабря. Об этом сообщили Минэкономики Киева[6].

            Для борьбы с птицами, которые могут стать причиной авиакатастроф во время взлета и приземления самолетов, аэропорт закупил лазерное и биоакустическое средства на сумму 729 тыс. грн. Продавцом стало ООО «Алес групп»[6].

            В сельской местности лазерное пугало также принесёт большую пользу. Во первых защита посевов от птиц, охрана складов от пернатых, защита кормов, а также в зимнее время защита КРС от сорок и ворон.  Поэтому изготовление лазерного пугало для сельской местности считаю актуальной темой.

 Возникла гипотеза: можно ли применять лазерную указку как прибор для отпугивания птиц.

Цель работы: Изучить полупроводниковый лазер и изготовить лазерное пугало используя лазерную указку.

Задачи исследования:

1. Изучить теоретические сведения о лазерах.
2. Узнать устройство лазерной указки.
3. Изготовить лазерное пугало.
4. Проверить экспериментальное использование прибора

Объект исследования: лазерная указка.

Предмет исследования: прибор «Лазерное пугало»

Методы исследования:

1. Метод теоретического анализа;
2. Метод системного анализа;        
3. Эмпирические методы: наблюдение, сравнение, эксперимент, измерение.

Глава1. Принцип работы лазера

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово "лазер" составлено из первых букв английского словосочетания, означающего "усиление света в результате вынужденного излучения". В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

В обычных условиях атомы в веществе находятся в основных стационарных состояниях и обладают минимальной энергией. Чтобы атомы перешли из основного стационарного состояния в возбужденное необходимо вещество облучать электромагнитными волнами.[2]

а)

невозбужденный атом

б)

возбужденный атом

Рис.1. Изображен процесс поглощения света при прохождении его через вещество

Одновременно с переходами атомов из основного состояния в возбужденное (с поглощением фотонов) происходят переходы из возбужденного состояния в основное с излучением фотонов.

в)

возбужденный атом

г)

возврат в основное состояние

Рис.2. Изображен процесс образования вынужденного излучения

Глава 2. Принцип действия полупроводникового лазера

Полупроводниковый лазер – это лазер, в котором активной средой является полупроводник. Изучение, как и в обычных лазерах, генерируется в результате квантовых переходов, но не между дискретными уровнями энергии, а между разрешенными энергетическими зонами, разделенными так называемой зоной запрещенной энергии. Ширина запрещенной зоны определяет частоту излучения. Энергетические переходы в полупроводниковом лазере осуществляются в результате слияния пары электрон-дырка в активной области.

Наибольшее распространение получили инжекционные полупроводниковые лазеры, в которых накачка, т.е. создание избыточной концентрации электронов и дырок, достигается путем инжекции носителей заряда в активную область. Инжекционный лазер – это, в простейшем случае, p-n-переход, т.е.  два прижатых друг к другу полупроводниковых кристалла, практически одинаковые по химическому составу различающихся типом проводимости.

Если на такой переход подать прямое напряжение смещения,  электроны из n-области и дырки из р-области начнут двигаться в область перехода на встречу друг другу. Они объединяются (рекомбинируют) с излучением фотона. Чем сильнее электрическое поле в области р-перехода тем больше ток, накачки тем мощнее излучения.                                                                     Усиление осуществляется в процессе многократного отражения света при его распространении вдоль полупроводникового перехода. Мода излучения выбирается углом скола торцов кристалла. В самых распространенных "инжекционных" лазерах при большом прямом токе происходит инжекция избыточных электронов и дырок в слой, прилегающий к p-n переходу. Там электроны и дырки рекомбинируют и излучают. Характерная частота света зависит от разности энергий между валентной зоной и зоной проводимости. Для арсенида галлия это 1,5 эВ, что соответствует ближнему ИК спектру. В настоящее время уже умеют делать лазерные диоды и на видимый, и даже на ближний УФ диапазон мощностью в сотни милливатт. Коэффициент полезного действия достигает 50%[1].

Глава 3. Устройство лазерной указки

Устройство лазерной указки представлено на рисунке. Источником питания служат три соединенные последовательно миниатюрные батарейки 1с ЭДС 1,2 В каждая. Электронная схема 2 с кнопкой включения смонтирована в середине корпуса и подключена к лазерной головке 3. Лазерное излучение указки имеет длину волны 630—680 нм и мощность менее 1 мВт. Линза 4 фокусирует его в тонкий луч.

Глава 4. Применение лазера

     4.1 Лазерный диск и CD – ROM

  Диск по своему устройству напоминает сэндвич и состоит из восьми слоев: нижней пластины из поликарбоната, двух диэлектрических слоев, между которыми находится слой данных и отражателя. На нем с помощью двухкомпонентной смолы (клеящего слоя) закреплена верхняя пластина с полем для пометок (этикеткой).

    У нижней пластины имеется направляющая бороздка При считывании и записи бороздка указывает путь лазеру по всему диску. Слой данных, под воздействием жары изменяет свое состояние от аморфного до кристаллического. При записи лазер разогревает точечное пространство на материале до температуры свыше точки плавления (500-700 °С). На заключительной фазе охлаждения расплавившаяся область переходит в аморфное состояние. Если же слой данных разогреть только до 200 °С, то он снова принимает кристаллическое состояние.[3]

4.2 Голография

Пучок лазерного света разделяется на два луча — предметный и опорный. Опорный луч сразу попадает на фотопластинку, а предметный, как легко догадаться,— на тот предмет, который хотят сфотографировать (вернее, получить с него голограмму). Отразившись от его поверхности, предметный луч тоже падает на пластинку и там смешивается с опорным теперь записаны сведения не только о яркости предмета, но и о его форме. И если теперь мы возьмем такой же лазер и осветим им нашу пластинку, то мы восстановим изображение нашей фигурки, то есть увидим ее в натуральную величину. Изображений на одну пластинку можно поместить до ста пятидесяти, единственное условие: длины волн не должны быть кратными и должны отличаться друг от друга в целое число раз ( 2;3;7) [3].

4.3 Оружие

  Накачку переносных лазерных пушек предполагается делать при помощи взрыва. Маленький, массой в несколько грамм заряд взрывается, резко подымая температуру и давление в близи рабочего тела, которое превращает энергию взрыва в световую вспышку.

  В атмосфере лазерное оружие не очень эффективно. Дождь, пыль, туман — все это снижает дальность действия. Мощность лазера на данный момент нельзя повышать беспредельно. В определенный момент наступает явление «оптической пробы» (самофокусировки). Луч света внезапно может собраться в тонкую нить, как будто на его пути поставили линзу. Сегодня уже имеются образцы боевых лазеров. Правда лазеры это пол дела. Для них нужна электронная система управления, которая получается слишком сложной и не очень надежной, — малейшая помеха может привести к сбою. А пока лазеры в военном деле широко применяются как прицелы и указатели цели. Артиллерийский лазерный дальномер может определить расстояние   до   цели с точностью до пяти метров.[5]

4.4 Оптоволоконный кабель 

Лазер можно пропустить  по кабелю. Его не надо серебрить, можно сгибать как угодно и с информацией ничего не случиться. Если свет падает изнутри, со стороны стекла, на границу «стекло — воздух»  под  большим углом,  то он весь отразится обратно, не выходя наружу. Это произойдет, когда толщина стержня будет настолько мала, что это будет уже не стержень, а стеклянное волокно. По световоду можно посылать секретные сообщения, зашифровав их так, что посторонний, даже перехватив сигнал, никогда не сможет прочитать его. Сделать это очень просто: нужно взять кусочек световода, волокна в котором перепутаны, и включить его в начало линии связи. По линии пойдет не четкое изображение, а какая-то каша из светлых и темных точек.[5]

4.5 Лазер - хирург

Кровь красная потому, что пропускает красные лучи и задерживает, поглощает лучи всех других цветов. Поэтому рубиновый или гелий-неоновый лазер для «заваривания» сосудов не годится. А если использовать зеленый или синий лучи света, которые хорошо поглощаются кровью, можно добиться мгновенного образования сгустка крови, закупоривающего перерезанный сосуд. Такой свет даёт аргоновый лазер.

        Бывают случаи, когда нужно разрушить поврежденную ткань, не затрагивая близлежащих со-судов. Тогда применяют гелий-неоновый или криптоновый лазер; луч красного цвета пройдет сквозь кровеносные сосуды, «не заметив» их, не принеся им вреда, прямо в нужную точку.

 Особенно удобен оказался лазер в офтальмологии — области медицины, ведающей

 зрением.[4]

4.6 Лазер в стоматологии

 У тех кто боится зубного появился шанс вылечить зубы, не травмируя свою психику. Лазерные технологии способны решить любые стоматологические задачи. Использование лазера в стоматологии позволило врачам предложить пациентам новые способы лечения зубов, которые отличаются меньшей травматичностью, безболезненностью и выполняются в более комфортных условиях. Лазеры позволяют спасать даже безнадежно разрушенные зубы и корни, избавлять от кист и гранулём без операции, укрепить расшатанные зубы, восстановить костную ткань, а также решать эстетические проблемы.[4]

4.7 Отпугивание лазером 

Применение лазера может эффективно отпугивать птиц, хотя некоторые птицы не реагируют на него. Такое оборудование стоит дорого и требует специальной подготовки в использовании. Особенно эффективно действие на рассвете и закате. Менее эффективно в ночное время и при первом вылете птиц на рассвете. Метод основан на том, что птицы боятся сильного контраста освещенности и лазерного луча. В условиях низкой освещенности, метод носит весьма избирательный характер. Хотя можно подобрать частоту и длину волн, которую отдельные виды птиц не переносят, но поскольку ночью свет виден на большие расстояния это не практикуется в силу понятных причин.

Для борьбы с птицами, которые могут стать причиной авиакатастроф во время взлета и приземления самолетов изобретена  лазерная установка. Устройство WK-0062 работает так, что луч охватывает большое, максимально возможное. Резвые движения зеленого луча отпугивают птиц, заставляя их улететь. Лазерный отпугиватель BIRDLAZZZER имеет заложенную программу на чередование своей работы, а именно 15 минут работы, потом 15 минут покоя. Во время включения лазерный луч беспорядочным образом перемещается во всевозможных направлениях. Нет смысла использовать прибор при ярком освещении помещения, поскольку это ограничивает видимость луча и его эффективность. Наиболее эффективно устройство, когда его включают в слабоосвещенном помещении или в сумерки, ночью[6].

     Глава 5. Устройство лазерного пугало с использованием лазерной указки

5.1 Причины приведшие к изготовлению прибора.  

Проблема отпугивания птиц родилась в глубокой древности. Одним из древнейших средств отпугивания птиц стали пугала в виде человеческой фигуры. Эта идея использутся и по сей день. Кроме пугала, имитирующего человека, птиц отпугивают яркие ленты, воздушные шары и другие формы пугал. Однако этот метод имеет невысокую эффективность, учитывая, что некоторые птицы быстро привыкают к пугалам, перестают их бояться, и даже садятся на них.

Наблюдая за поведением ворон и сорок в своём огороде в зимнее время, когда они расклёвывают спины КРС до крови, а также съедают корм, насыпанный для свиней. А в летнее время губят маленьких  цыплят.  Для их отпугивания ставили пугало, которое спасало лишь на 2-3 дня, а затем всё продолжалось по прежнему. Взяв лазерную указку я провела первый эксперимент на курах, эффект меня ошеломил.  Куры разлетались в разные стороны (См. прил. видео ). Провела испытания на воронах и сороках. Увидев красное пятно в свинарнике, птицы улетали. Опыт повторяла 3 дня, вороны исчезли совсем, а вот сороки ещё прилетали 3 дня, после этого переселились на соседние дворы. Наш огород перелетают,  даже на заборы не садятся. Но вот воробьи не боятся этого луча.  

5.2  Комплектация:

1. Стойка;

2. Электродвигатель от видеомагнитофона;

3. Блок питания от телефона;

4. Лазерная указка;

5. Кабель питания;

6. Герметичная банка внутри которой установлен двигатель.

К оси  электромотора мы приклеили платформу на которую и закрепили лазерную указку.

5.3 Принцип работы

В утренние и вечерние часы, когда ещё нет яркого солнечного света, включаем установку на 1-2 минуты, в зависимости от наличия птиц. Птицы разлетаются сразу.

Заключение

Полученные результаты показывают, что полупроводниковый лазер (лазерная указка) пригоден для использования в качестве отпугивателя птиц в домашних условиях.

Легко изготовить

Очень простой в применении

Не требует больших денежных затрат

Моей установкой пользуются и соседи.

Особенности:

1. эффективность при борьбе с большинством видов птиц;
2. экологическая чистота. Не используются химические препараты;
3. бесшумность работы;
4. безвредность для птиц;
5. минимальное время подготовки  (5 - 10 минут);
6. лёгкость эксплуатации;

А это внешний вид прибора

Список использованной литературы

1. Басов В.А.  «Электроразрядный ХеСL - лазер» Киев, «Наукова Думка», 1982г.

2. Транковский С. В.  Книга о лазерах.  Москва «Детская литература», 1988 г.

3. Наука и жизнь № 2, 2006 год, с 80

4. Энциклопедия «Физика», Москва, «Аванта +», 2002 г.

5. Энциклопедический словарь юного физика.: Москва «Педагогика», 1991г.

6. Ресурсы сети Internet

Приложение

1. Лазерная указка