Φυσική (Γενικής Παιδείας) - Βιβλίο Μαθητή old
4.4 ΦΩΤΟΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ Επιστροφή στην αρχική σελίδα του μαθήματος


4.5 LASER


































4-44 Αλληλεπίδραση ατόμου - ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
(α) Διέγερση και αυθόρμητη εκπομπή,
(β) Διέγερση και εξαναγκασμένη εκπομπή.



Τι είναι

Τα lasers είναι διατάξεις παραγωγής (οπτικών) ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με τη μέθοδο της «εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας».

Η λέξη laser (λέιζερ) προέρχεται από τα αρχικά των λέξεων «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» που στα ελληνικά σημαίνει «ενίσχυση φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας». Όπως γίνεται λοιπόν αντιληπτό, το laser είναι ένας ενισχυτής φωτός.

Ιστορικά αναφέρουμε ότι ο Albert Einstein είχε αποδείξει τη δυνατότητα ύπαρξης της «εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας» από το 1917.

Το 1958 υποδείχθηκε η αρχή λειτουργίας του laser από τους C.H. Towns (Τάουνς) και A.L. Schawlow (Σάλοου). Το 1960 κατασκευάστηκε από τον Τ.Η. Maiman (Μέιμαν) το πρώτο laser ρουμπινιού (ρουβιδίου).


Τι είναι η «εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας»

Όπως είδαμε στους λαμπτήρες, στο πυρακτωμένο νήμα βολφραμίου τα ενεργειακά άλματα (αποδιεγέρσεις) των ατόμων γίνονται με τυχαίο τρόπο και σε τυχαίες χρονικές στιγμές. Αυτού του τύπου η αποδιέγερση και εκπομπή ακτινοβολίας χαρακτηρίζεται ως αυθόρμητη (σχήμα 4-44α).

Για να προκληθεί εξαναγκασμένη αποδιέγερση και εκπομπή ακτινοβολίας, πρέπει ένα διεγερμένο άτομο να «φωτιστεί» από φωτόνιο ενέργειας ίσης με την ενεργειακή διαφορά δύο ενεργειακών σταθμών. Τότε εκπέμπεται από το άτομο ένα φωτόνιο πανομοιότυπο με αυτό που του προκάλεσε την αποδιέγερση. Το φωτόνιο που προκάλεσε την αποδιέγερση και αυτό που εκπέμφθηκε κατά την αποδιέγερση προστίθενται και δημιουργούν κατά την έξοδό τους ακτινοβολία διπλάσιας έντασης από εκείνη που χρησιμοποιήθηκε για τη διέγερση (σχήμα 4-44β). Έτσι έχουμε ενίσχυση της ακτινοβολίας.

4-44 Αλληλεπίδραση ατόμου - ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. (α) Διέγερση και αυθόρμητη εκπομπή, (β) Διέγερση και εξαναγκασμένη εκπομπή.



Πώς είναι

Υπάρχουν πολλοί τύποι laser. Ο κάθε τύπος έχει δικά του χαρακτηριστικά και κατασκευαστικές λεπτομέρειες. Παρ' όλα αυτά υπάρχουν ορισμένες βασικές αρχές στη λειτουργία τους, κοινές για όλους τους τύπους. Τα τμήματα που μπορούμε να διακρίνουμε σε μία διάταξη laser είναι:

• το ενεργό υλικό,

• το οπτικό αντηχείο ή κοιλότητα συντονισμού και

• το τμήμα διαδικασίας άντλησης

4-45 Σχηματική παράσταση μιας διάταξης laser.


Πώς λειτουργούν

Με τη βοήθεια της διάταξης laser ρουβιδίου θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τον τρόπο λειτουργίας οποιασδήποτε διάταξης laser και το ρόλο κάθε τμήματος της.

Το ενεργό υλικό σ' αυτό τον τύπο laser είναι το ρουβίδιο (ρουμπίνι), δηλαδή το τριοξείδιο του αργιλίου (Α12Ο3) με προσμείξεις χρωμίου. Οι ενεργειακές στάθμες του ρουβιδίου που προσφέρονται για την παραγωγή ακτίνων lasers είναι τρεις.

Σε συνηθισμένες συνθήκες τα περισσότερα άτομα βρίσκονται στη θεμελιώδη στάθμη (Ε1). Φωτίζοντας το ρουμπίνι με πράσινο φως, τα ιόντα του διεγείρονται και ανέρχονται στη στάθμη Ε3. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται άντληση (σχήμα 4-46α, β). Στη στάθμη Ε3 παραμένουν απειροελάχιστο χρόνο και μεταπίπτουν αυθόρμητα στην Ε2, που είναι στάθμη χαμηλότερης ενέργειας. Η διάρκεια παραμονής τους στην Ε2 είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι στην Ε3. Τέλος επιστρέφουν στη θεμελιώδη Ε1.

Η μεγάλη σχετικά διάρκεια παραμονής των ατόμων στην Ε2 έχει ως αποτέλεσμα να βρίσκονται στην ενεργειακή αυτή κατάσταση περισσότερα άτομα από ό,τι στη θεμελιώδη. Η κατάσταση αυτή είναι αντίθετη από τη φυσιολογική, λέγεται αντίστροφη πληθυσμών (σχήμα 4-46γ) και συντηρείται με την αδιάκοπη άντληση από τη στάθμη Ε0 στη στάθμη Ε1.





















4-45 Σχηματική παράσταση μιας διάταξης laser.

4-46 (α) , (β) Διαδικασία άντλησης και (γ)
αντιστροφή πληθυσμών.

4-46 (α) , (β) Διαδικασία άντλησης και (γ) αντιστροφή πληθυσμών.



Όταν ένα άτομο μεταπίπτει από τη στάθμη Ε2 στην Ε1, εκπέμπει φωτόνιο συχνότητας f=(E2-E1)/h. Το φωτόνιο (από στην πορεία του συγκρούεται με ένα άλλο άτομο, που βρίσκεται στη στάθμη Ε2. Το άτομο αυτό με τη σειρά του εκπέμπει ένα πανομοιότυπο φωτόνιο και μεταπίπτει στη θεμελιώδη στάθμη Ε1. Τα δύο φωτόνια τώρα συγκρούονται με άλλα δύο άτομα, οπότε εκπέμπονται νέα φωτόνια κ.ο.κ.

Η διαδικασία λοιπόν αποδιέγερσης από τη στάθμη Ε2 στη στάθμη Ε1 μοιάζει με χιονοστιβάδα και η ενέργεια που χάνουν τα άτομα μεταφέρεται από το εκπεμπόμενο φως. Από τις ακτίνες αυτού του φωτός άλλες ακολουθούν πορεία κατά μήκος της ράβδου ρουβιδίου και άλλες όχι, βγαίνοντας τελικά από τη ράβδο.

4-47 Σχηματική παράσταση εξαναγκασμένης αποδιέγερσης και δημιουργίας φωτός laser.

4-47 Σχηματική παράσταση εξαναγκασμένης αποδιέγερσης και δημιουργίας φωτός laser.

Η ράβδος ρουβιδίου τοποθετείται μεταξύ δύο επίπεδων κατόπτρων, όπως φαίνεται στο σχήμα 4-48. Η επιλογή των επίπεδων κατόπτρων είναι τέτοια, ώστε το οπίσθιο (Α) να αντανακλά όλα τα φωτόνια, ενώ το εμπρόσθιο (Β) (κάτοπτρο εξόδου) να είναι ημιπερατό και να επιτρέπει την έξοδο ενός ποσοστού φωτονίων. Το σύστημα των δύο αυτών κατόπτρων ονομάζεται οπτικό αντηχείο.

4-48 Σχηματική παράσταση της διαδικασίας παραγωγής φωτός laser.

4-48 Σχηματική παράσταση της διαδικασίας παραγωγής φωτός laser.



4-49 Εργαστηριακά «κανόνια» lasers με διαφορετικά χρώματα.

4-49 Εργαστηριακά «κανόνια» lasers με διαφορετικά χρώματα.

Οι ακτίνες που ακολουθούν πορεία κατά μήκος της ράβδου, φτάνοντας στο κάτοπτρο Β, ανακλώνται και γυρίζουν πίσω. Στο δρόμο τους αποδιεγείρουν και άλλα άτομα και η δέσμη τους γίνεται πιο ισχυρή. Φτάνοντας στο κάτοπτρο Α ανακλούνται και, ακο- λουθώντας πορεία προς το κάτοπτρο Β, αποδιεγείρουν στο δρόμο τους πολλαπλάσια άτομα. Έτσι η ισχύς της δέσμης μεγαλώνει τόσο, ώστε ένα μέρος της καταφέρνει να διαπεράσει το ημιδιαφανές κάτοπτρο (Β). Η δέσμη του φωτός που εξέρχεται από το κάτοπτρο (Β) είναι το φως laser (σχήμα 4-48).

Χαρακτηριστικά του φωτός laser

Το φως laser που εκπέμπεται έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά, που το διαφοροποιούν από το φως άλλων φωτεινών πηγών:

Κατευθυντικότητα. Η δέσμη φωτός είναι πολύ λεπτή και μένει παράλληλη, ακόμα και αν ταξιδέψει μεγάλες αποστάσεις, όπως από τη Γη στη Σελήνη.



Μονοχρωματικότητα. Το φως που εκπέμπεται από μία πηγή laser έχει μια συγκεκριμένη συχνότητα (χρώμα).

Λαμπρότητα. Η δέσμη laser συγκεντρώνει μεγάλη οπτική ισχύ και, επειδή είναι πολύ λεπτή, είναι χιλιάδες φορές λαμπρότερη από τον Ήλιο. Γι' αυτό το λόγο δεν πρέπει να κατευθύνεται η δέσμη στα μάτια.

Συμφωνία φάσης. Το φωτόνιο που προκαλεί την αποδιέγερση αναδύεται μαζί με το φωτόνιο που εκπέμπεται. Αυτό συμβαίνει σε όλες τις διαδοχικές αποδιεγέρσεις.

Εστίαση. Επειδή έχει μεγάλη κατευθυντικότητα και είναι μονοχρωματική, μπορεί να εστιαστεί με κατάλληλους φακούς.


Εφαρμογές

Ο κατάλογος εφαρμογών των lasers είναι μεγάλος και εμπλουτίζεται με εντυπωσιακή ταχύτητα. Παρακάτω αναφέρονται μερικές από αυτές:

Μέτρηση αποστάσεων. Με τη βοήθεια του laser μετράμε αποστάσεις πολύ μεγάλες (Γη - Σελήνη, διάμετρος Γης, μέγεθος ενός αστεριού) ή πολύ μικρές (μέγεθος ατόμου) κτλ.

Στη βιομηχανία. Χρησιμοποιούνται ως εργαλεία κοπής και διάτρησης εξαιρετικής λεπτότητας για πολύ σκληρά υλικά, όπως ο χάλυβας και τα διαμάντια, αλλά και στη συγκόλληση.

Στην Ιατρική. Οι γιατροί χρησιμοποιούν νυστέρια lasers στις «λεπτές» εγχειρήσεις (συγκόλληση αμφιβληστροειδούς, πλαστική χειρουργική κτλ.). Η λεπτή δέσμη laser παρέχει μεγάλη ακρίβεια στη χρήση και επιτρέπει αναίμακτες τομές. Επίσης χρησιμοποιούν το laser στα ενδοσκόπια, στη φωτοθεραπεία αλλά και για την απαλλαγή των δοντιών από την «πέτρα».

Στην πυρηνική σύντηξη. Η μελλοντική κατασκευή των lasers σύντηξης, που θα προκαλέσουν την πυρηνική σύντηξη ελαφρών στοιχείων, όπως το δευτέριο και το τρίτιο (ισότοπα του υδρογόνου), θα απαλλάξει την ανθρωπότητα από τα πυρηνικά απόβλητα και τον κίνδυνο πυρηνικού ατυχήματος στα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Στη στρατιωτική τεχνολογία. Χρησιμοποιούνται για σκόπευση, καταστροφή στόχων, καθοδήγηση βλημάτων κτλ.

Στη μουσική και στην τηλεόραση. Εγγράφουν και παίζουν μουσική (CD) και προγράμματα βίντεο.

Στις τηλεπικοινωνίες. Η δέσμη laser παρουσιάζει μια ξεχωριστή ικανότητα να μεταφέρει μεγάλο πλήθος πληροφοριών.

Στην οπτική ολογραφία. Με τη βοήθεια των lasers επιτυγχάνουμε τρισδιάστατη απεικόνιση αντικειμένων σε φωτοευαίσθητες επιφάνειες ειδικών φιλμς.



4-50 Εγχείρηση ματιού με τη βοήθεια νυστεριού laser.

4-50 Εγχείρηση ματιού με τη βοήθεια νυστεριού laser.


4-51 Με τη βοήθεια lasers οι μηχανές των καταστημάτων «διαβάζουν» τις τιμές των εμπορευμάτων.

4-51 Με τη βοήθεια lasers οι μηχανές των καταστημάτων «διαβάζουν» τις τιμές των εμπορευμάτων.


4-52 Συσκευή μέτρησης αποστάσεων με ακτίνες lasers.

4-52 Συσκευή μέτρησης αποστάσεων με ακτίνες lasers.




ΣΥΝΟΨΗ 4ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ

Εικόνα Η φωτοβολία των φωτεινών πηγών οφείλεται στην αποδιέγερση ατόμων που έχουν διεγερθεί με διάφορους τρόπους.

Εικόνα Οι λαμπτήρες αλογόνου είναι λαμπτήρες πυρακτώσεως με τη διαφορά ότι το γυάλινο περίβλημα είναι από χαλαζία και το εσωτερικό τους γεμίζεται όχι μόνο με αδρανές αέριο αλλά και με μικρή ποσότητα ατμών ιωδίου.

Εικόνα Οι οπτικές ίνες είναι πολύ λεπτές, κυλινδρικές, από γυαλί ή πλαστικό μεγάλης καθαρότητας. Με τη βοήθεια αυτών μπορούμε να «οδηγήσουμε» το φως από μία ακίνητη πηγή σε οποιοδήποτε σημείο θέλουμε.

Εικόνα Με τη βοήθεια καλωδίων οπτικών ινών, πολύ μικρότερου βάρους και διαμέτρου των αντίστοιχων του χαλκού, μπορούμε να μεταφέρουμε μεγάλο «όγκο» πληροφοριών χωρίς παράσιτα, συνακροάσεις και κίνδυνο υποκλοπών.

Εικόνα Η φωτογραφική μηχανή είναι ένας σκοτεινός θάλαμος που έχει όλα εκείνα τα οπτικά και μηχανικά συστήματα για την εύκολη λήψη φωτογραφιών.

Εικόνα Τα φωτοστοιχεία ή φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι διατάξεις μετατροπής της ηλιακής – φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική.

Εικόνα Τα lasers είναι ενισχυτές φωτός και η λειτουργία τους βασίζεται στην εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας.

ΚΥΡΙΟΙ ΟΡΟΙ

  • Λαμπτήρας πυρακτώσεως

  • Λαμπτήρας φθορισμού

  • Φθορισμός

  • Οπτικές ίνες

  • Ψηφιακή (digital) εκπομπή

  • Φωτοστοιχεία

  • Φωτοβολταϊκές γεννήτριες

  • Laser

  • Εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας

 • Άντληση

  • Αντιστροφή πληθυσμών

ΟΠΤΙΚΗ ΟΛΟΓΡΑΦΙΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Οπτική ολογραφία είναι η τεχνική της τρισδιάστατης απεικόνισης αντικειμένων σε φωτοευαίσθητες επιφάνειες ειδικών φιλμς. Η τεχνική αυτή αξιοποιεί τα φαινόμενα της συμβολής και περίθλασης του φωτός. Ο Denis Gabor είναι αυτός που πρώτος, το 1947, επινόησε τη θεωρητική αρχή της μεθόδου, αν και η ουσιαστική ανάπτυξη της ολογραφίας πραγματοποιήθηκε τη δεκαετία του 1960, μετά το σχεδιασμό και την επιτυχή κατασκευή των πρώτων Lasers. Οι απεικονίσεις αυτές -που καλούνται ολογράμματα- έχουν ένα μοναδικό χαρακτηριστικό: παρουσιάζουν και τις τρεις διαστάσεις του αντικειμένου, ενώ ταυτόχρονα διαθέτουν το φαινόμενο της παράλλαξης. Αυτό σημαίνει ότι, καθώς ο παρατηρητής ενός ολογράμματος μετακινεί δεξιά - αριστερά το κεφάλι του, αλλάζοντας έτσι τη γωνία θέασης, βλέπει διαφορετικές όψεις του ίδιου αντικειμένου που ολογραφήθηκε. Η διαδικασία αυτή θυμίζει την αντίληψη που αποκτά ο προηγούμενος παρατηρητής σαν να έβλεπε «ζωντανό» το πραγματικό αντικείμενο μέσα από το άνοιγμα ενός «παράθυρου» με διαστάσεις αυτές του φιλμ. Η μοναδική αυτή ιδιότητα των ολογραμμάτων τα κάνει να θυμίζουν στερεοσκοπικές φωτογραφίες, αν και η αίσθηση της παρατήρησης ενός ολογράμματος είναι ασύγκριτα καλύτερη από αυτήν της στερεοσκοπικής φωτογραφίας.


ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΟΛΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ - ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ

Η ολογραφία, αν και χρησιμοποιεί -όπως άλλωστε και η φωτογραφία- το ανακλώμενο από το αντικείμενο φως που προσπίπτει στο ολογραφικό φιλμ, εντούτοις είναι μια μέθοδος απεικόνισης ουσιαστικά διαφορετική από τη φωτογράφιση. Το ολογραφικό φιλμ καταγράφει όχι μόνο την κατανομή της έντασης του ανακλώμενου φωτός αλλά και την αντίστοιχη κατανομή της φάσης. Η επιπλέον αυτή δυνατότητα της διάκρισης των κυμάτων που έχουν διαφορετικές φάσεις προκύπτει από την εσκεμμένη παρουσία μιας αδιατάρακτης δέσμης «κυμάτων αναφοράς», που συμβάλλουν με τα ανακλώμενα κύματα στο επίπεδο του φιλμ. Έτσι σε μια διάταξη που παράγει ένα ολόγραμμα το αντικείμενο φωτίζεται από το σύμφωνο, μονοχρωματικό φως ενός Laser. Το αντικείμενο ανακλά το φως και μάλιστα τα δημιουργούμενα μέτωπα κύματος έχουν τη μορφή της εξωτερικής του επιφάνειας.

Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται διαγραμματικά η οπτική διάταξη που χρησιμοποιείται για τη λήψη ενός ολογράμματος αντικειμένου (τηλεφωνική συσκευή). Στη διάταξη αυτή φαίνονται καθαρά οι πορείες των δύο φωτεινών δεσμών του Laser, όπως επίσης και η περιοχή συνάντησης των μετώπων κύματος στην επιφάνεια του ολογραφικού φιλμ στο αριστερά κάτω άκρο του σχήματος.

Εικόνα

Αυτά τα μέτωπα κύματος συμβάλλουν με τα αντίστοιχα της δέσμης αναφοράς και έτσι δημιουργείται στο φιλμ ένας σύνθετος σχηματισμός άσπρων και μαύρων λεπτών γραμμών, που ονομάζονται κροσσοί συμβολής και δε θυμίζουν σε τίποτα το αντικείμενο που ολογραφήθηκε. Στο διάγραμμα συμβολής που

αποτυπώθηκε στο φιλμ γίνεται χημική επεξεργασία και έτσι δημιουργείται αυτό που ονομάζεται διαπερατό ολόγραμμα. Ο φωτισμός του διαπερατού ολογράμματος με τη δέσμη του προηγούμενου Laser δημιουργεί στο χώρο ένα πιστό είδωλο του αντικειμένου. Στο παρακάτω-σχήμα παρουσιάζεται η φωτογραφία των κροσσών ενός διαπερατού ολογράμματος, όπως επίσης και το στιγμιότυπο όπου το διαπερατό αυτό ολόγραμμα φωτίζεται και δημιουργεί στο χώρο το φανταστικό είδωλο του αντικειμένου που είχε ολογραφηθεί.

Εικόνα           Εικόνα


Εκτός όμως από τα διαπερατά ολογράμματα η ολογραφία έχει να επιδείξει και άλλους τύπους ολογραμμάτων, όπως τα ανακλαστικά, τα ολογράμματα ουράνιου τόξου και τα ολογράμματα κίνησης. Το μεγάλο προσόν των ανακλαστικών ολογραμμάτων είναι ότι αυτά γίνονται ορατά με το φωτισμό τους από τον Ήλιο ή από κοινή, συμβατική λάμπα ισχυρού φωτισμού. Δεν ισχύει δηλαδή ο περιορισμός ότι το φως κατά τη στιγμή της επαναδημιουργίας των μετώπων κύματος πρέπει να είναι το ίδιο ακριβώς με αυτό που φώτισε το αντικείμενο κατά τη στιγμή της δημιουργίας του ολογράμματος. Τα ολογράμματα ουράνιου τόξου είναι αυτά που στη θεώρησή τους παρουσιάζουν όλα σχεδόν τα χρώματα του ουράνιου τόξου ανάλογα με τη γωνία παρατήρησης. Οι πιστωτικές κάρτες, οι συσκευασίες μερικών τροφίμων, οι ταινίες γνησιότητας σε κασέτες ή CD είναι μερικές μόνο περιπτώσεις όπου τα ολογράμματα ουράνιου τόξου κάνουν αισθητή την παρουσία τους καθημερινά. Τέλος τα ολογράμματα κίνησης είναι αυτά που, πέρα από τον τρισδιάστατο χαρακτήρα ενός αντικειμένου, εμφανίζουν και την κίνηση που είχε το αντικείμενο κατά τη στιγμή της ολογράφησης. Βέβαια τα ολογράμματα της κατηγορίας αυτής προϋποθέτουν εργαστήρια με συσκευές Lasers ειδικού τύπου, όπως και οπτικές διατάξεις με αυξημένες απαιτήσεις. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι κατηγορίες των ολογραμμάτων δεν εξαντλούνται σε αυτές που ήδη αναφέρθηκαν. Σχεδόν καθημερινά η επιστημονική κοινότητα ενημερώνεται για τις νέες εξελίξεις σε αυτό τον τομέα, που προέρχονται είτε από Lasers τελευταίας γενιάς είτε από ολογραφικά φιλμς καλύτερων προδιαγραφών ή ακόμη και από τη συνδυαστική δράση παράλληλων τεχνικών απεικόνισης, όπως αυτή της ολογραφίας με 3D γραφικά των ηλεκτρονικών υπολογιστών κ.ά.


ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

Η ολογραφία, ως μια τεχνική παραγωγής τρισδιάστατων εικόνων, δεν μπορεί προς το παρόν να αντιμετωπίσει την παραδοσιακή φωτογραφία λόγω του υψηλού της κόστους. Όμως αυτό που την κάνει ασύγκριτα πιο ενδιαφέρουσα είναι οι πολλά υποσχόμενες εφαρμογές της. Η συνοπτική ομαδοποίηση των εφαρμογών που ήδη χρησιμοποιούνται παγκόσμια με τη μέθοδο της ολογραφίας αποφέρει τις εξής πέντε, πολύ γενικές, κατευθύνσεις:

Ολογράμματα επιδείξεων. Πρόκειται για ολογράμματα συγκεκριμένων αντικειμένων, όπως για παράδειγμα μουσειακά είδη ή σπάνια, μοναδικά αντικείμενα μεγάλης αξίας. Η ολογράφησή τους μας δίνει την δυνατότητα της επαναληπτικής παρουσίασής τους χωρίς τους κινδύνους που συνεπάγεται μια τέτοια διαδικασία. Ας φανταστούμε, για παράδειγμα, την ολογράφηση ενός μοναδικού αγάλματος (π.χ. της Pieta του Μικελάντζελο) και την αποστολή των συγκεκριμένων ολογραμμάτων σε άλλα μουσεία του κόσμου στα πλαίσια πολιτιστικών ανταλλαγών. Με αυτό τον τρόπο θα μπορούν οι επισκέπτες μουσείων που βρίσκονται σε διαφορετικά σημεία της Γης να απολαμβάνουν την ίδια στιγμή μοναδικά αντικείμενα τέχνης με κάθε λεπτομέρεια και σε τρισδιάστατη απεικόνιση.

Ολογραφικά οπτικά στοιχεία: Με τη βοήθεια της ολογραφίας δημιουργούνται ολογραφικοί φακοί, κάτοπτρα για τις νέες «έξυπνες» οθόνες πολλαπλής ανάγνωσης (head up display). Πράγματι, οι πιλότοι σήμερα μπορούν να ενημερώνονται για την κατάσταση του αεροσκάφους γρήγορα και αξιόπιστα μέσω της παρατήρησης σε τέτοιες οθόνες, που απεικονίζουν κάθε στιγμή τα όργανα ελέγχου και λειτουργίας του αεροσκάφους.

Ολόγραμμα σαν πιστοποιητικό γνησιότητας. Η πιστή αντιγραφή ενός ολογράμματος είναι πρακτικά αδύνατη, έτσι ακόμη και σήμερα πιστωτικές κάρτες, διπλώματα οδήγησης αλλά και συσκευασίες φαρμάκων και τροφίμων διαθέτουν ολογράμματα εξασφαλίζοντας έτσι τη γνησιότητά τους.

Ολογραφικός μη καταστροφικός έλεγχος. Πρόκειται για μια μέθοδο που μελετά την αντοχή των υλικών στις παραμορφώσεις, ελέγχει την ανομοιογένεια των σωμάτων, ενώ μπορεί να προβλέψει με απόλυτη ακρίβεια τα ευπαθή σημεία ενός υλικού ή μιας κατασκευής. Για παράδειγμα, αναφέρεται ότι όλες σχεδόν οι εταιρείες ελαστικών αυτοκινήτου, προτού κυκλοφορήσουν ένα καινούριο μοντέλο τους στην αγορά το ελέγχουν με τη βοήθεια της ολογραφικής συμβολομετρίας. Ο έλεγχος γίνεται σε κατάλληλα διαμορφωμένη ολογραφική τράπεζα, όπου το ελαστικό υφίσταται διπλή έκθεση από το μονοχρωματικό φως ενός Laser και έτσι δημιουργείται ένα διάγραμμα κροσσών συμβολής. Στο διάγραμμα αυτό ο τρόπος κατανομής των κροσσών και κυρίως η πυκνότητά τους σε διάφορες περιοχές του ελαστικού προσδιορίζουν τα πιθανά σημεία όπου το ελαστικό πρόκειται «να ανοίξει». Διαπιστώνει λοιπόν κανείς ότι με την ολογραφική συμβολομετρία γίνεται μια πρόγνωση στο μέλλον. Βέβαια, εάν ο κατασκευαστής φροντίσει τα ευπαθή σημεία του ελαστικού που προσδιορίστηκαν ολογραφικά, τότε θα έχει εξασφαλίσει μεγαλύτερο χρόνο ζωής για το προϊόν του. Παρόμοια αναφορά μπορεί κανείς να κάνει για την εφαρμογή της συγκεκριμένης ολογραφικής τεχνικής στη συντήρηση έργων τέχνης (π.χ. παλαιές εικόνες ή πίνακες ζωγραφικής), όπου η πυκνότητα των κροσσών σε περιοχές της επιφάνειας του έργου τέχνης προδίδουν τα σημεία που ο ειδικευμένος συντηρητής θα πρέπει πρώτα να φροντίσει, εάν θέλει να αποκαταστήσει τη βλάβη, η οποία μάλιστα δεν έχει κάνει ορατά τα σημάδια της παρουσίας της στην προς μελέτη επιφάνεια. Είναι κατανοητή η ωφελιμότητα ενός τέτοιου ελέγχου, στο μέτρο που όλες αυτές οι διαπιστώσεις γίνονται με εντελώς ανώδυνο για το αντικείμενο τρόπο. Το έργο τέχνης δηλαδή δεν υφίσταται καμία φθορά από μηχανική επαφή με κάποια συσκευή, απλώς γίνεται αντικείμενο κατάλληλου φωτισμού από το φως ενός Laser.

Ολογραφία κίνησης. Δίνεται η δυνατότητα μελέτης της ροής ρευστών, αερίων, όπως και ο ακριβής έλεγχος των διαρροών. Σε αυτή την κατηγορία των εφαρμογών εμπεριέχονται και οι περιπτώσεις των ολογραφικών πορτρέτων με τεράστια σημασία όχι μόνο από καλλιτεχνική άποψη αλλά και σε ιατρικές εφαρμογές (πλαστική χειρουργική).

Όπως έγινε κατανοητό από την περιληπτική αναφορά στην οπτική ολογραφία, φαίνεται πως, αν και η τεχνική αυτή έχει σύντομο σχετικά παρελθόν, προβλέπεται να έχει μεγάλης διάρκειας μέλλον. Ο ολογραφικός κινηματογράφος, η ολογραφική κάμερα και η ολογραφική τηλεόραση είναι επιτεύγματα που δε θα αργήσουν να «επισκεφθούν» το ευρύ καταναλωτικό κοινό. Η πληροφορική θα βρει σύντομα τον τρόπο να μεταφέρει την τρισδιάσταση ολογραφική εικόνα σε σπίτια και γραφεία, έτσι ώστε η έννοια της επικοινωνίας να αποκτήσει έναν άλλο, ουσιαστικά διαφορετικό χαρακτήρα από το σημερινό. Όλα τα ανωτέρω είναι αποτελέσματα της διαπίστωσης ότι η μακροχρόνια επιθυμία του ανθρώπου να παγιδεύσει την τρίτη διάσταση της πραγματικότητας είναι πλέον γεγονός.



Κείμενο του Αθ. Αραβαντινού δρ. Φυσικής




ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ

1. Ποιες είναι οι κατηγορίες των φωτεινών πηγών; Πού οφείλεται η φωτοβολία τους;

2. Γιατί αντικαθιστούμε τον ατμοσφαιρικό αέρα στο εσωτερικό του γυάλινου περιβλήματος των λαμπτήρων πυρακτώσεως με αδρανές αέριο;

3. Να περιγράψετε τον τρόπο εκπομπής φωτός από το λαμπτήρα πυρακτώσεως.

4. Όταν ρευματοδοτούμε ένα λαμπτήρα πυρακτώσεως με τάση μικρότερη της τάσης κανονικής λειτουργίας, ο λαμπτήρας κοκκινίζει. Πώς εξηγείται αυτό;

5. Στους λαμπτήρες φθορισμού εκπέμπεται ορατό φως:
(α) κατευθείαν από τα ηλεκτρόδια
(β) από τα ηλεκτρόδια και τη φθορίζουσα ουσία
(γ) μόνο από τη φθορίζουσα ουσία
(δ) από τους ατμούς υδραργύρου
Ποια από τις παραπάνω προτάσεις είναι σωστή;

6. Ποιος είναι ο ρόλος του ιωδίου στους λαμπτήρες αλογόνου; Να γίνει πλήρης περιγραφή της δράσης του.

7. Να περιγραφεί ο τρόπος με τον οποίο εκπέμπεται ορατό φως από το λαμπτήρα φθορισμού.

8. Σε πολλά κέντρα διασκέδασης χρησιμοποιούν λαμπτήρες όμοιους με τους λαμπτήρες φθορισμού αλλά χωρίς φθορίζουσα επίστρωση. Όταν οι λαμπτήρες αυτοί είναι αναμμένοι, τότε τα δόντια μας και κάποια ρούχα μας (ειδικά τα λευκά) φωτοβολούν έντονα. Συζητήστε αυτό το φαινόμενο στην τάξη.

9. Τι είναι οι οπτικές ίνες και τι μπορούμε να πετύχουμε με αυτές;

10. Από ποια μέρη αποτελείται μία οπτική ίνα και ποιος είναι ο ρόλος καθενός;

11. Πού οφείλεται η εξασθένηση του φωτός κατά την πορεία του μέσα σε μία οπτική ίνα;

12. Να αναφέρετε πέντε τουλάχιστον λόγους για τους οποίους οι οπτικές ίνες αντικατέστησαν τα καλώδια χαλκού στα δίκτυα τηλεπικοινωνιών.

13. Στην παρακάτω εικόνα να εξηγήσετε γιατί το φως ακολουθεί την πορεία της φλέβας του νερού.

Εικόνα


14. Να σχεδιάσετε την πορεία των ακτινών και την αποτύπωση του ειδώλου στο φιλμ της φωτογραφικής μηχανής του σχήματος.

Εικόνα


15. Φωτοβολταϊκά στοιχεία ή φωτοστοιχεία είναι:
(α) διατάξεις που μετατρέπουν ένα μέρος της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική
(β) διατάξεις που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε φωτεινή
(γ) διατάξεις που ενισχύουν το φως
(δ) διατάξεις που μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική
Ποια από τις παραπάνω προτάσεις είναι σωστή;




16. Σχεδιάστε ένα φωτοστοιχείο μετάλλου - Se. Περιγράψτε τον τρόπο ανάπτυξης τάσης στο φωτοστοιχείο αυτό.

17. Η αναπτυσσόμενη τάση στα άκρα ενός φωτοστοιχείου είναι:
(α) τουλάχιστον 10V
(β) όποια επιθυμούμε (γίνεται κατάλληλη ρύθμιση)
(γ) της τάξης των 0,5V
(δ) σίγουρα 1,5V, όπως και των ηλεκτρικοί μπαταριών

Ποια από τις παραπάνω προτάσεις είναι σωστή;

18. Με τον όρο φωτόρευμα εννοούμε:
(α) τη ροή φωτός
(β) το ηλιακό φως
(γ) το ρεύμα που διαρρέει ένα κύκλωμα που τροφοδοτείται από φωτοστοιχείο ή φωτοβολταϊκή γεννήτρια
(δ) το φως που εκπέμπεται από σώματα, όταν αυτά διαρρέονται από ρεύματα

Ποια από τις παραπάνω προτάσεις είναι σωστή;

19. Το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα τροφοδοτούμενο από φωτοβολταϊκή γεννήτρια:
(α) είναι πάντα σταθερό, ανεξάρτητο από την ένταση του φωτός που πέφτει στη φοποβολταϊκή γεννήτρια
(β) εξαρτάται από το αν το φως προέρχεται από τον Ήλιο ή άλλη πηγή και όχι από την έντασή του
(γ) αυξάνεται σχεδόν γραμμικά με την ένταση του φωτός που πέφτει στη φωτοβολταϊκή γεννήτρια
(δ) είναι ανάλογο της τρίτης δύναμης της έντασης του φωτός που πέφτει στη φωτοβολταϊκή γεννήτρια

Ποια από τις παραπάνω προτάσεις είναι, σωστή;

20. Περιγράψτε το μελλοντικό φανταστικό σενάριο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μόνο από τον Ήλιο.

21. Με μια διάταξη laser συμβαίνει:
(α) παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος
(β) παραγωγή φωτός
(γ) ενίσχυση φωτός
(δ) αλλαγή της συχνότητας μιας ακτινοβολίας

Σημειώστε για κάθε πρόταση ένα Σ ή Λ, αν είναι σωστή ή λάθος αντίστοιχα.

22. Περιγράψτε τον τρόπο εκπομπής φωτός με εξαναγκασμένη αποδιέγερση.

23. Να αναφέρετε τα τμήματα μιας διάταξης laser.

24. Πότε μια εκπομπή ακτινοβολίας χαρακτηρίζεται ως αυθόρμητη και πότε ως εξαναγκασμένη; Να αναφέρετε μια πηγή ακτινοβολίας για κάθε περίπτωση.

25. Εξηγήστε τον τρόπο λειτουργίας της διάταξης laser ρουβιδίου.

26. Αντιστοιχίστε τα παρακάτω:

Α. Λαμπτήρας

Β. Laser

Γ. Φωτοστοιχείο
α. Μετατροπέας χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική

β. Μετατροπέας ηλεκτρικής ενέργειας σε φως

γ. Μετατροπέας φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική

δ. Ενισχυτής φωτός