Interactia Radiatiei Laser cu Metalele
CUPRINS
INTRODUCERE……………………………………………………………………………..6
Capitolul 1
NOȚIUNI GENERALE DESPRE LASERE
1.1. Alcătuirea laserului………………………………………………………………………..8
1.1.1. Laserul de la teorie la practică…………………………………………………..8
1.1.2. Laserul: structură, realizare………………………………………………………9
1.2. Emisia spontană și stimulată……………………………………………………………..11
1.3. Inversiunea de populație…………………………………………………………………14
1.4. Rezonatori optici…………………………………………………………………………17
1.4.1. Noțiuni introductive……………………………………………………………17
1.4.2. Noțiuni de bază în teoria rezonatoarelor optice……………………………….17
1.4.3. Tipuri de rezonatori optici……………………………………………………..18
1.5. Principiul de funcționare al laserelor…………………………………………………….20
Capitolul 2
TEORIA GENERALĂ A LASERELOR
2.1. Teoria clasică fenomenologică……………………………………………………………24
2.2. Teoria clasică microscopică (teoria termodinamică sau teoria ratelor)………………….25
2.3. Teoria semicuantică a laserelor…………………………………………………………..28
2.4. Teoria cuantică a laserelor……………………………………………………………….29
Capitolul 3
TIPURI DE LASERE. APLICAȚII GENERALE ALE LASERELOR
3.1. Tipuri de lasere……………………………………………………………………………30
3.1.1. Lasere cu electroni legați………………………………………………………30
3.1.2. Lasere cu electroni liberi……………………………………………………….32
3.2. Aplicații generale ale laserelor……………………………………………………………32
3.2.1. Aplicații în știință………………………………………………………………32
3.2.2. Aplicații în metrologie,industrie, energetică și comunicații……………………34
3.2.3. Aplicații în științele medicale și în științele agricole…………………………..36
3.2.4. Alte aplicații speciale ale laserelor……………………………………………..37
Capitolul 4
ELEMENTE DE INTERACȚIE A RADIAȚIEI LASER CU METALELE
4.1. Iradierea metalelor în medii chimic inerte sub pragul de inițiere a plasmei……………..39
4.1.1. Proprietățile optice ale metalelor. Cadrul experimental. Suprafețe metalice
reale…………………………………………………………………………….39
4.1.2. Încălzirea laser a metalelor în medii chimic inerte…………………………….40
4.1.2.1. Ecuația căldurii……………………………………………………….42
4.1.2.2. Inducerea de deformații termoelastice…………………………………..42
4.1.2.3. Topirea superficială și încălzirea metalelor peste punctul de topire….43
4.1.2.4. Inducerea topirii……………………………………………………………..46
4.2. Generarea plasmei în vid sau în atmosfere chimic inerte…………………………………..49 4.2.1. Valori de prag pentru inițierea vaporizării laser. Criterii teoretice. Verificarea
practică a criteriilor……………………………………………………………50
4.2.2. Generarea și evoluția plasmei.Pragul de inițiere a plasmei. Criterii teoretice.
Comparație cu rezultatelele experimentale…………………………………….53
4.3. Studiul teoretic și experimental al încălzirii și topirii unor metale sub acțiunea radiației laser……………………………………………………………………………………………………….56
Capitolul 5
CONSIDERAȚII METODOLOGICE
5.1. Finalități și obiective generale ale predării fizicii la nivelul gimnaziului……………………62
5.2. Definirea și operaționalizarea obiectivelor predării fizicii……………………………………..64
5.3. Principii de organizare a învățării fizicii……………………………………………………………..65
5.4. Tipurile de activități independente ale elevilor la orele de fizică………………………………66
5.5. Metode de predare a fizicii………………………………………………………………………………..67
5.6. Mijloace didactice folosite în procesul de predare-învățare…………………………………….68
5.7. Utilizarea calculatorului în procesul de predare-învățare………………………………………69
5.8. Metodica și tehnica experimentului școlar…………………………………………………………71
5.9. Formarea deprinderilor de observare și experimentare indpendentă………………………….72
5.10. Sistemul experimentului școlar. Conceptul de experiment. Tipuri de experimente……74
5.11. Problemele de fizică-element al structurii cunoștințelor de fizică…………………………..75
5.12. Activități în afara clasei………………………………………………………………………………….77
5.12.1. Conținutul și formele activității în afara clasei……………………………………..77
5.12.2. Organizarea și conținutul activității cercurilor de fizică……………………… .78
5.13. Observații și contribuții personale privind utilizarea tipurilor și metodelor de evaluare…………………………………………………………………………………………………………….80
5.13.1. Forme de evaluare………………………………………………………………………….80
5.13.2. Aplicații practice cu privire la tema aleasă în lucrare………………………….83
5.13.3. Concluzii asupra evaluării școlare……………………………………………………84
Capitolul 6
CERCETAREA PEDAGOGICĂ
6.1. Cursul opțional…………………………………………………………………………………………..86
6.1.1. Notă de prezentare……………………………………………………………………….86
6.1.2. Valori și atitudini………………………………………………………………………….88
6.1.3. Competențe generale……………………………………………………………………..89
6.1.4. Competențe specifice………………………………………………………………………….90
6.1.5. Unități de conținut………………………………………………………………………….92
Capitolul 7
CONCLUZII………………………………………………………………………………………………….93
BIBLIOGRAFIE………………………………………………………………………………………………95
INTRODUCERE
Au trecut mai bine de 50 de ani de la realizarea primului laser, laserul cu rubin, de către T.H. Maiman, pe baza principiului maserului, principiu care a fost ulterior completat de C.H. Townes și A.L. Schawlow, în anul 1958, pentru extinderea dispozitivelor care funcționau pe baza emisiei stimulate în microunde (maserele) și în domeniul optic. Cu toate acestea se poate afirma, fără a greși, că și în prezent efectul laser continuă să fie o descoperire cu mari perspective. Laserul constituie dispozitivul care contribuie în mod substanțial atât la elucidarea unor probleme științifice deosebite, cât și la promovarea tehnologiilor electrofizice pentru a înlocui în mare parte tehnologiile mecano-chimice. Totuși au trecut aproape 100 de ani de la introducerea de emisie stimulată de către Albert Einstein, în anul 1917, interval mare de timp necesar pentru a dezvolta anumite tehnici experimentale, necesare obținerii generatoarelor cuantice de radiații electromagnetice. Însă, după descoperirea laserului a fost nevoie doar de un deceniu pentru ca aplicațiile acestuia să se impună cu o foarte mare și impresionantă autoritate. Putem spune că în prezent ne aflăm în etapa în care sunt cu adevărat îndeplinite promisiunile făcute referitoare la perfecționarea dispozitivelor laser din punct de vedere tehnologic.
Lucrarea de specialitate cu tema „ Interacția radiației laser cu metalele‟ abordează un domeniu de mare actualitate al științei și tehnologiei contemporane, aflat în plină și dinamică dezvoltare. Folosirea sistemelor laser de foarte mare putere și progresul accelerat al acestora în cercetarea interdisciplinară solicită fizică atomică, electrodinamica, electronica, optica, electrotehnica și mecanica, ducând astfel trecerea din laboratoarele de cercetare pe liniile de producție din ramuri ale economiei precum chimia, metalurgia și construcțiile de mașini oferind un amplu potențial de aplicare.
Laserul s-a afirmat, totodată, ca un instrument cu un foarte mare impact asupra practicii, de la materiile prime și materialele accesibile până la limitele tehnice și economice ale posibilităților de prelucrare a acestora. Un domeniu important de aplicații, a fost încă de la început prelucrarea metalelor, precum operațiunile de tăiere, perforare, oxidările, nitrurările și crearea de microstructuri periodice.
Folosirea eficientă a laserilor de putere în aplicații de felul celor menționate nu sunt posibile decât în condițiile unei bune cunoașteri a noțiunilor fizice care guvernează procesul dintre radiația laser și metale, în vid, în gaze inerte și, mai ales, în gaze chimic active. De aceea lucrarea științifică de față studiază modul de interacțiune a radiației laser cu metalele.
În această lucrare se pune în valoare potențialul laserului de a accelera în cele mai eficiente sensuri cunoașterea și utilizările interacțiunii radiației laser de putere cu metalele. Starea suprafeței țintei, lungimea de undă și polarizarea radiației, regimul de iradiere- continuu, în pulsuri singulare de diverse forme, în pulsuri periodice -, în sfârșit, compoziția și presiunea mediului ambiant, ca și alte circumstanțe, contribuie fiecare la configurarea efectului global al iradierii laser de putere a metalelor.
Lucrarea îmbină datele și fenomenele de bază obținute experimental pentru lungimi de undă de 1,06 m, iradiind metale precum titan și cupru, folosind laseri cu neodim respectiv sticlă dopată cu neodim sau cu cristale Nd : YAG, cu unele deschideri spre subiecte de specialitate mai strictă, dar de mare însemnătate în domeniu.
Capitolele lucrării abordează utilizări ale laserului în diferite domenii de activitate și aplicații diverse, precum și cercetarea pedagogică bazată pe experimente școlare în cadrul unui curs opțional desfășurat pe parcursul unui an școlar, fiind întregită cu o bogată bibliografie care cuprinde cărțile, periodicele și rapoarte ale instituțiilor de cercetare, dedicate subiectului.
Proprietățile specifice ale radiației laser precum coerența spațială și temporală, monocromaticitatea ridicată, intensitatea spectrală mare, statistica Poisson a fotonilor și posibilitatea de obținere a pulsurilor de lumină hiperscurte, oferă soluții unor probleme fundamentale ale științelor naturii și dezvoltarea unor tehnologii care să conducă la obținerea multor produse calitativ superioare celor existente, cu un cost mai mic și o poluare nesemnificativă a mediului ambiant. Pe drept cuvânt se poate afirma că, datorită laserului mergem spre epoca luminii.
CAPITOLUL 1
NOȚIUNI GENERALE DESPRE LASERE
1.1.Alcătuirea laserului
1.1.1. Laserul de la teorie la practică
Laserul este un dispozitiv care generează sau amplifică lumina. Denumirea de„laser‟ este o prescurtare a cuvintelor din limba engleză: „light amplication by stimulated emission of radiation‟, însemnând : „ amplificarea luminii prin emisia stimulată a radiației‟.
Laserul generează sau amplifică lumina la fel cum un tub electronic cu vid sau un tranzistor generează sau amplifică semnale electronice la frecvențe audio, radio sau microunde. Lumina amplificată sau generată de diferitele tipuri de lasere înseamnă de fapt radiații la lungimi de undă cuprinse între radiația infraroșie îndepărtată (unindu-se cu undele milimetrice sau microundele) și ajungând până în prezent la domeniul ultraviolet în vid (vacuum ultraviolet).
Laserele sunt întâlnite sub diferite forme, folosindu-se materiale laser diferite, multe sisteme atomice și multe tehnici de pompare sau excitare. Construcția dispozitivelor laser se bazează pe ideea lui Albert Einstein a existenței procesului de emisie indusă (stimulată) din anul 1916. Ideea lui Albert Einstein referitoare la existența emisiei stimulate a fost pusă în practică abia în anul 1960, când T. H. Maiman a realizat primul laser având mediul activ rubinul, iar câteva luni mai târziu, A. Javan împreună cu un colectiv de cercetători a realizat primul laser cu gaz, laserul cu He-Ne.
În țara noastră primul laser cu He-Ne a fost construit în anul 1962 de către un grup de cercetători de la Institutul de Fizică Atomică de la Măgurele, sub conducerea profesorului Ion Agârbiceanu.
1.1.2. Laserul: structură, realizare
Laserul are ca elemente esențiale următoarele:
– mediul laser care are o mulțime de atomi, molecule, ioni sau în unele cazuri un cristal semiconductor;
– un proces de pompaj pentru excitarea atomilor, moleculelor sau ionilor în nivele energetice mai înalte;
– elemente de reacție optică potrivite ce permit unui fascicul de radiație, la fiecare pas, să treacă o dată printr-un mediu laser (ca la un amplificator laser) sau să se realizeze drumuri dus-întors prin acel mediu laser (asemenea ca într-un oscilator laser).
Aceste elemente ale laserului se pot prezenta sub o mare varietate de forme și modele. Laserul ca oscilator optic are următoarea posibilă realizare prezentată în figura 1 de mai jos:
Alimentarea cu energie
(procesul de pompaj)
Fig 1: Laser
Mediul descris se presupune a fi amplificator pentru energia de frecvență ce aparține domeniului optic. Amplificarea depinde de intensitatea a undei optice, amplificare care este descrisă de parametrul de câștig . O parte din unda ce traversează amplificatorul este întoarsă la intrarea sa de cele patru oglinzi: (parțial reflectătoare), , și (ultimele trei reflectătoare) astfel că unda „reinjectată‟ să fie în fază cu unda incidentă care i-a dat naștere. Apariția primei unde (adică semnalul de zgomot ce pornește oscilatorul) se datorează emisiei spontane.
Pentru descrierea corectă a apariției oscilației în laser trebuie să se trateze riguros emisia, ținându-se cont de emisia indusă și totodată de emisia spontană. Unda care revine în rezonatorul optic (amplificatorul) este iarăși amplificată, acest proces fiind de fapt un proces repetitiv. Datorită procesului de pompaj (aportul exterior de energie) se produce amplificarea. Pe de altă parte, dacă intensitatea luminii crește, atunci câștigul descrește, astfel că se stabilește un echilibru atunci când câștigul este egal cu factorul de pierderi al rezonatorului optic. Pierderile apărute se datorează prezenței numeroaselor atenuări intrinseci în rezonatorul optic (adică difracția elementelor optice, absorbțiile parazite etc.) și datorită necesității de a utiliza radiația în exteriorul rezonatorului (adică reflectarea parțială a oglinzii , reflectare care a fost introdusă de bunăvoie).
Regimul staționar se obține dacă = adică câștigul este egal cu factorul de pierderi al rezonatorului optic. Ca o concluzie „laser‟ înseamnă acest oscilator optic costruit, pornind de la efectul fizic de amplificare, adică: amplificator – prin emisie stimulată + rezonator optic rezultă oscilator (LASER).
Rezonatorul optic are rolul de capcană de fotoni. În figura 1 de mai sus este reprezentat un rezonator optic în inel. Sensul de propagare dextrogiră (adică spre dreapta) a undei în rezonator a fost ales arbitrar. Totodată și unda levogiră ( adică propagare spre stânga), se poate propaga în rezonatorul optic, dar această undă nu figurează aici.Este de dorit ca să se simplifice rezonatorul optic prin rotire cu în sens levogir, respectiv dextrogir, oglinzile , respectiv . Realizându-se acest lucru, unda electromagnetică se repliază pe ea însăși, astfel că celelalte două oglinzi și nu mai sunt necesare.
În concluzie, se ajunge la schema tradițională a rezonatorului optic, schemă care este mai simplu de realizat din punct de vedere tehnologic și destul de des folosită în realizările experimentale. Această schemă este reprezentată în figura 2:
alimentarea cu energie
(procesul de pompaj)
Fig. 2: Rezonator optic – schema simplificată
1.2. Emisia spontană și stimulată
Fizicienii Max Planck și Niels Bohr au studiat radiația termică și respectiv structura atomilor și moleculelor. Se știa faptul că atomii, moleculele și ionii se pot afla în stări caracterizate de valori discrete ale energiei și datorită interacției dintre radiație și substanță, au loc procese de emisie spontană și de absorbție, astfel că între frecvența radiației emise sau absorbite și saltul de energie există relația:
hν = ω = – (1.1)
unde: • ν = este frecvența tranziției;
• ω = ν;
• h = 6.6280755(40) ∙ J∙s ( este constanta lui Planck);
• = = 1,05457266(63) ∙ J∙s (este constanta lui Dirac).
Pe scurt, putem spune că un atom incident aflat în starea de energie superioară poate să revină pe nivelul inferior de energie , fie spontan emițând o cuantă de energie ca cea din relația 1.1, fie ca urmare a interacțiunii cu un foton de frecvență egală cu frecvența ce corespunde intervalului dintre cele două nivele și anume:
= (1.2)
Primul fenomen se numește emisie spontană iar cel de-al doilea fenomen se numește emisie stimulată sau indusă care se mai numește și emisie forțată. Aceste emisii spontane și stimulate au fost studiate prima oară de către Albert Einstein în anul 1917. În urma interacției radiație – substanță are loc un proces de absorbție conform schemei din figura 3:
Înainte de interacție după interacție
2 2
1 1
Fig. 3: Proces de absorbție
În urma procesului de absorbție are loc scăderea numărului de atomi, , pe nivelul (1) datorită interacției acestora cu radiația incidentă, a cărei densitate de energie spectrală este (), după legea:
= -() (1.3)
unde: • este coeficientul de absorbție;
• (,T) este probabilitatea de absorbție a radiației de către
atomi.
Procesul de emisie spontană a radiației în urma interacției radiație-substanță are loc conform schemei din figura 4, de mai jos:
Înainte de interacție după interacție
2 2
1 1
Fig. 4: Procesul de emisie spontană
Ca urmare a procesului de emisie spontană are loc scăderea numărului de atomi, , de pe nivelul (2), după legea:
() e sp. = -· (1.4)
unde: • – este coeficientul Einstein de emisie spontană sau probabilitatea de emisie spontană a radiației de către atomi.
Între anii 1916 – 1917, Albert Einstein, deduce expresia densității spectrale de energie (,T) a unei radiații electromagnetice:
(,T) = · (1.5)
unde: • = 1,380658(12)· este constanta lui Boltzmann, pe baza echilibrului detaliat din fizica statistică.
Procesul de emisie stimulată (indusă sau forțată) a radiației în urma interacțiunii radiație – substanță are loc conform schemei din figura 5 de mai jos:
înainte de interacție după interacție
2
1 1
Fig. 5: Proces de emisie stimulată
Procesul de emisie stimulată conduce la scăderea numărului de atomi, de pe nivelul (2), datorită interacției atomilor cu radiația incidentă, care are densitatea de energie (,T), dată de legea:
()e.st. = -··() (1.6)
unde: • este coeficientul lui Einstein de emisie stimulată;
• ·() este probabilitatea de emisie stimulată a radiației de către atomi.
Ambele procese de emisie conduc la relația următoare:
()e. = -· – ··() (1.7)
deoarece numărul total de atomi este constant (N) : N = + = constant, avem:
() + () = 0 (1.8)
Ca o concluzie se deduc următoarele: în cazul emisiei induse, pe lângă fotonul incident, mai apare încă unul având aceeași energie și fiind în fază cu primul. Acesta, ar putea provoca apariția unui alt foton atunci când întâlnește un nou atom în starea și așa mai departe, încât am putea obține astfel o amplificare a radiației incidente, dacă în proba iradiată s-ar găsi atomi destul de mulți în starea superioară . În realitate acest fenomen de amplificare nu există, deoarece, după cum am văzut, la echilibru termodinamic nivelul superior de energie este mult mai populat decât și atunci fenomenul cel mai frecvent la iradierea unei substanțe va fi interacția fotonilor incidenți cu multitudinea de atomi aflați în starea energetică inferioară . Aeastă interacțiune poate duce, la excitarea atomului în starea energetică . În această stare energetică excitată atomul stă însă un timp limitat, numit viață medie a stării excitate după care revine în starea de energie inferioară fie prin cedarea energiei – atomilor vecini, sub formă de căldură (tranziție neradiativă), fie prin emisia unui foton (tranziție radiativă). Acest foton poate să iasă din corpul iradiat sau poate fi la rândul său absorbit în urma unor procese de excitare. Deci ca o concluzie în aceste condiții normale din corpul iradiat va ieși în unitatea de timp un număr de fotoni mai mic decât cel incident și astfel radiația incidentă va fi totdeauna slăbită în urma trecerii ei prin corpul respectiv. În considerațiile de emisie spontană și emisie stimulată s-au neglijat reflexiile, presupunându-le neînsemnate.
Inversiunea de populație
Inversia de populație: · (1.9)
asigură amplificarea sau chiar generarea de radiație electromagnetică
pe principiul amplificării și generării cuantice.
Atomii și moleculele corpurilor se află într-o continuă mișcare dezordonată, energiile lor cinetice fiind distribuite în jurul unor anumite valori medii ce depind doar de temperatură. Totodată atomii și moleculele se pot afla în diferite stări discrete de energie (electronice, vibrație, rotație) astfel încât absorbția sau cedarea de energie de către aceste particule are loc numai în cuante corespunzătore tranziției între două stări energetice staționare. Distribuția atomilor sau moleculelor pe aceste stări energetice este funcție de temperatura corpului. Această dependență înseamnă că la o temperatură dată, numărul atomilor aflați în stări energetice joase este mult mai mare decât cel al celor excitați pe nivele superioare de energie. Dacă temperatura crește, distribuția atomilor se modifică, sistemul devine mai bogat în atomi excitați. În figura 6 de mai jos se reprezintă trei nivele de energie ale unui atom , unde sunt reprezentate prin cerculețe, numărul de atomi care, la o temperatură dată au energia corespunzătoare nivelului respectiv. Nivelul cu cea mai mare energie are cel mai mic număr de atomi, iar nivelul cu cea mai joasă energie, , are cel mai mare număr de atomi:
(
o o o ()
o o o o o o ()
ooooooooooooooooooooooooooooooo ()
Fig. 6: Nivele de energie ale unui atom cu T 0
Această repartiție este repartiția obișnuită a atomilor unui corp aflat în echilibru
termodinamic, la o temperatură dată. Această repartiție este descrisă de legea de distribuție a lui Boltzmann, astfel pentru o temperatură dată T, între numărul de atomi de pe nivelul și numărul de atomi de pe nivelul inferior , ( ) există relația:
= · · (1.10)
unde: • k este constanta lui Boltzmann;
• și sunt ponderile statistice ale nivelelor și și raportul acestor ponderi nu diferă mult de unitate.
Dacă atunci , deoarece temperatura absolută este întotdeauna o mărime fizică pozitivă.
Dacă se încălzește corpul atunci temperatura T crește, deci crește, dar nu va putea niciodată deveni mai mare decât .
Dacă însă temperatura absolută T , atunci tinde să devină egal cu , deoarece = 1, dar nu mai mare. Așadar, la echilibru termodinamic, nu se va mai putea obține pe cale termică .
Dacă însă pe o altă cale am putea popula mai mult nivelul 2 decât nivelul 1, adică am putea realiza o inversiune de populație între nivelele și , așa cum se observă în figura 7:
o o o ()
oooooooooooooooooooo ()
o o o o o o ()
Fig. 7: Inversiune de populație, T 0
În acest caz relația 1.10 ne furnizează formal o temperatură absolută negativă. Într-adevăr logaritmând relația 1.10, în cazul simplificat 1, obținem:
T = – (1.11)
Dacă am obține , atunci ln 0 și deoarece – 0, rezultă că T 0.
Totuși trebuie specificat faptul că noțiunea de temperatură negativă nu are sens în termodinamică, unde sunt studiate numai stările de echilibru termodinamic. Dacă T 0, aceste stări sunt de neechilibru termodinamic, legate, cum am văzut, de schimbarea forțată a populațiilor pe nivele de energie. Această noțiune de temperatură termodinamică negativă (T 0) poate fi interpretată în fizica statistică, unde sunt studiate și stările de neechilibru. De fapt aceste stări de neechilibru înseamnă inversiune a populațiilor, înțelegându-se prin populația unui nivel energetic E, numărul total de atomi din corpul fizic, care se află în starea de energie E. Acest fenomen, de inversiune a populațiilor între două nivele cuantice ale unui sistem fizic, stă la baza fenomenului de emisie stimulată a luminii.
Rezonatori optici
1.4.1. Noțiuni introductive
Tot ceea ce s-a afirmat despre un dispozitiv maser este valabil și în cazul unui dispozitiv laser, dacă se utilizează unități rezonante de tipul interferometrului Fabry-Pérot, numite rezonatoare optice, sugerate de Townes și Schawlow în anul 1958. Totuși rezonatorul optic conduce la creșterea câștigului dispozitivului laser și îl ajută să atingă pragul de oscilație, dar are un rol secundar, rolul esențial în funcționarea unui laser revine procedeului de pompaj care permite să se obțină inversia de populație, fapt care este confirmat de sursele optice supraradiante care sunt de fapt oscilatoare care utilizează emisia stimulată.
1.4.2. Noțiuni de bază în teoria rezonatoarelor optice
Rezonatoarele optice se bazează pe teoria clasică a câmpului electromagnetic. Dacă se folosește o asociere de două oglinzi plane și ca în figura 8 de mai jos:
Z
Fig. 8: Cavitate liniară de oglinzi
drept o cavitate liniară, divergența fascicului crește continuu în cursul tranzițiilor fascicului între cele două oglinzi și astfel că nu se va putea da naștere unei stări staționare a câmpului electromagnetic deoarece nu este compensată în timpul unui dus-întors. Pentru un rezonator optic este important ca el să poată stabili o configurație staționară a câmpului electromagnetic. Pentru aceasta este necesar ca atunci când se pleacă de la o distribuție inițială a câmpului pe una dintre oglinzi și se utilizează legile difracției pentru descrierea transformării și propagării fasciculului de-a lungul cavității, după reflexie și revenire la oglinda de origine va trebui să se regăsească o distribuție de câmp identică celei de plecare în ceea ce privește amplitudinea și faza (aici putându-se adăuga un număr întreg înmulțit cu 2). Această formă particulară a câmpului electromagnetic este numită mod propriu al cavității.
Într-o cavitate optică, indiferent de structura spațială a unui câmp electric injectat, aceasta îi transformă structura nelăsând să se întrețină decât modurile proprii. Totodată se obțin rezultate satisfăcătoare și în cazul în care se neglijează efectele mediului laser (cum ar fi cuplajul modal neliniar) asupra proprietăților rezonatorului. În studiul rezonatoarelor optice este necesar să se determine structura modurilor proprii care nasc starea staționară a câmpului utilizat în afara cavității.
1.4.3. Tipuri de rezonatoare optice
Rezonatoarele optice cele mai utilizate au în componență oglinzi plane sau sferice de formă rectangulară sau adesea circulară, separate prin distanța „L‟, așa cum se vede și prin reprezentarea unui rezonator optic din punct de vedere geometric ca în figura 9 de mai jos:
X
2 2
• O • Z
L
Fig. 9: Rezonator optic (din punct de vedere geometric)
„L‟ poate varia de la câțiva centimetri la câteva sute de centimetri, iar razele oglinzilor și variază de la fracțiuni de centimetru la câțiva centimetri. Razele de curbură și ale oglinzilor, joacă un rol esențial pentru asigurarea stabilității în funcționare a rezonatorului optic.
Rezonatoarele optice se împart în două mari clase:
a) rezonatoare optice stabile:
– rezonatoare optice stabile simetrice;
– rezonatoare optice stabile asimetrice;
b) rezonatoare optice astabile:
– rezonatoare optice astabile simetrice;
– rezonatoare optice astabile asimetrice.
Această împărțire este determinată de relațiile între razele oglinzilor, razele de curbură și distanța dintre oglinzi. Cele mai utilizate rezonatoare optice sunt rezonatoarele optice stabile simetrice. În funcție de relațiile dintre , , , și L avem următoarele tipuri de rezonatoare optice:
1) rezonatorul confocal, care are două oglinzi sferice de = = R, L = = astfel că focarele oglinzilor să coincidă ( = );
2) rezonatorul plan paralel (rezonatorul Fabry- Pérot), are două oglinzi plane așezate paralel una față de alta având = = și L = . Într-o primă aproximație, modurile acestui rezonator pot fi obținute prin suprapunerea a două unde electromagnetice, care se propagă în direcții opuse de-a lungul rezonatorului ;
3) rezonatorul concentric (sferic) are două oglinzi sferice care au = = R și sunt așezate la distanța L = 2R astfel încât centrele de curbură să coincidă ( = );
4) rezonatorul semicofocal care are în componență o oglindă plană, și o oglindă sferică cu = 2L;
5) rezonatorul semiconcentric sau rezonatorul emisferic care are în componență o oglindă plană, și o oglindă sferică cu = L. Și în acest caz nu se poate face o descriere nici cu o umdă plană și nici cu o undă sferică.
Toate aceste rezonatoare pot fi considerate ca niște exemple particulare ale unui rezonator general care are două oglinzi sferice de diferite raze de curbură (fiecare pozitivă sau negativă) aflate la o distanță arbitrară L. Aceste rezonatoare pot fi clasificate în două categorii:
– rezonatoare stabile;
– rezonatoare instabile.
Conform figurii 10 de mai jos, un rezonator este instabil când o rază arbitrară trecând înainte și înapoi între cele două oglinzi va diverge la infinit de la axa rezonatorului. În caz contrar, un rezonator pentru care raza rămâne limitată va fi descrisă ca un rezonator stabil:
(1) (2)
Fig.10: Rezonator optic instabil
Rezonatoarele optice deschise formate din două oglinzi plane sau sferice având în general dimensiuni diferite sunt larg folosite, în special, în costrucția laserelor cu mediu activ gazos sau cu mediu activ solid.
1.5. Principiul de funcționare al laserelor
În anii 1950-1960 a fost perfecționat considerabil etalonul Fabry-Pérot, datorită utilizării acestui etalon în spectroscopia optică de înaltă rezoluție. Datorită acestui fapt Townes și colaboratorii au folosit etalonul Fabry-Pérot ca un rezonator optic. Astfel se poate considera laserul ca fiind un etalon Fabry-Pérot care include mediu activ, mediu activ care se află între cele două oglinzi. Acest amplificator este un amplificator distribuit și nu discret, având o amplificare constantă, , care face ca intensitatea unui câmp electric la z = 0 să fie E(z = 0) = , iar la distanța z 0 să devină E(z) = ∙exp(z) așa cum este reprezentat și în figura 11 de mai jos:
Mediu activ
Z
z = 0 z 0
Fig. 11: Laser – etalon Fabry-Pérot
Există pierderi datorită împrăștierii în absența mediului activ, în mediu, iar datorită cavității apar pierderi prin difracție, prin transmisia oglinzilor. Toate aceste pierderi împreună sunt caracterizate printr-un factor de pierderi, . Datorită acestor mecanisme de pierderi vom avea:
E(z) = ∙exp(-z) (1.12)
Putem spune și datorită explicării anterioare a emisiei spontane și induse că orice corp iradiat va emite o putere mai mică decât puterea incidentă, cauza fiind pierderile, care până la urmă duc la încălzirea corpului. Analizând cu atenție bilanțul energetic al fenomenelor, presupunem că trimitem asupra unui corp o radiație electromagnetică ai cărei fotoni au energia h, egală cu diferența dintre energiile și ( ) a două nivele:
– = h∙ (1.13)
Dacă se notează cu numărul de fotoni incidenți, de energie, în unitatea de timp, atunci puterea incidentă „ este:
= ∙h∙ (1.14)
O parte dintre acești fotoni vor fi absorbiți de atomii aflați pe nivelul inferior , provocând tranziția acestora pe nivelul . Numărul tranzițiilor în unitatea de timp va fi proporțional cu numărul fotonilor incidenți și cu numărul de atomi aflați în starea .
Dacă se notează cu coeficientul de proporționalitate, atunci puterea absorbită, consumată pentru excitarea atomilor, este:
= ∙∙∙h∙ (1.15)
Acum o parte din atomii aflați în starea energetică vor reveni spontan pe nivelul fie radiativ, fie neradiativ. Pentru simplificare se vor analiza numai dezexcitările radiative. În acest caz fotonii emiși au aceeași energie h, iar numărul lor va fi proporțional cu numărul de atomi aflați pe nivelul energetic . Dacă se notează cu coeficientul de proporționalitate, atunci puterea emisă de corp prin dezexcitare spontană va fi:
= ∙∙h∙ (1.16)
Se observă că această putere nu depinde de intensitatea rediației incidente .
O altă parte dintre atomii de pe nivelul se vor dezexcita în urma acțiunii fotonilor incidenți prin emsie stimuată. Considerând tot numai cazul radiativ, numărul fotonilor astfel formați va fi proporțional, de asemenea cu , dar și cu numărul al fotonilor ce provoacă această emisie stimulată. Dacă se notează cu coeficientul de proporționalitate, puterea emisă prin tranziții induse va fi:
= ∙∙h∙ (1.17)
Mărimile , și din relațiile 1.15, 1.16, 1.17, se numesc coeficienții lui Einstein și au, printre altele, proprietatea = . Analizând schema din figura 12 de mai jos, se vede ușor că puterea emisă de sistemul iradiant este:
= – + + (1.18)
De unde înlocuind în 1.18 ralațiile 1.15, 1.16 și 1.17 se va obține relația:
= + ∙∙h∙ + ∙∙( – )∙h∙ (1.19)
Mediu activ
–
Fig. 12: Transferul de putere
Pentru ca ultimul termen (care conduce o contribuție negativă la sumă), să fie pozitiv, adică , sau cu alte cuvinte este necesar în primul rând să se realizeze o inversiune a populațiilor între cele două nivele. În al doilea rând, pentru a avea numai emisie stimulată (adică emisia spontană să fie neglijabilă), trebuie ca termenul „∙∙h∙‟ să fie neglijabil față de ultimul. Acest lucru se poate realiza dacă se mărește considerabil intensitatea radiației incidente . Valoarea lui pentru care se realizează condiția de mai sus, se numește intensitate de prag care se calculează pentru fiecare dispozitiv în parte, iar în calculul ei intră și coeficienții de reflexie ai suprafețelor.
Amplificatorul cuantic de radiație prin emisie stimulată (laser) se obține dacă se folosește o anumită sursă de energie, realizându-se inversiunea de populație între două nivele energetice ale atomilor unui mediu dat, numit și mediu activ.
Generatorul cuantic de radiație se obține dacă se poate furniza o radiație laser de o altă frecvență (mai mică) însă mult mai intensă, atunci când se iradiază mediul activ cu o radiație de o anumită frecvență.
CAPITOLUL 2
TEORIA GENERALĂ A LASERELOR
Teoria generală a laserelor poate fi clasificată în patru mari grupe:
teoria clasică fenomenologică;
teoria clasică microscopică (teoria termodinamică sau teoria ratelor);
teoria semicuantică a laserelor;
teoria cuantică a laserelor.
2.1. Teoria clasică fenomenologică
Această teorie este numită și teoria oscilatorului armonic clasic care descrie interacția în funcție de indicele de refracție și de absorbție. Totuși ca inconvenient al acestei teorii este faptul că descrierea nu conține emisia stimulată și deci nu conduce la efectul laser. În cazul acestei teorii atât substanța, cât și câmpul electromagnetic sunt considerate sisteme fizice clasice. Pentru a obține efectul laser, este necesar să fie îndeplinite următoarele condiții:
– mediul activ care servește ca amplificator să aibă atomi, molecule sau ioni al căror spectron de emisie să aibă o linie fină de semilărgime mică;
– cavitatea rezonantă să fie asemenea interferometrului Fabry-Pérot, cu proprietăți optice bune;
– să existe un mijloc pentru a se realiza condiția de prag:
– ; (2.1)
unde: • și reprezintă numărul de atomi corespunzător nivelelor de energie și ;
• este indicele de refracție propriu-zis;
• V este volumul cavității;
• este susceptibilitatea atomică;
• Q este coeficientul de supratensiune.
Această teorie mai permite pe lângă stabilirea condiției de prag și o comparație între masere și lasere din punct de vedere al realizării acestora, precum și între unele proprietăți ale radiației maser și laser.Folosind teoria clasică fenomenlogică, aprecierile care se fac asupra fenomenului laser sunt mai mult calitative.
2.2. Teoria clasică microscopică (teoria termodinamică sau teoria ratelor)
Teoria ratelor pentru laseri este o transpunere a ideilor lui A. Einstein care, în 1917, introduce ecuațiile ratelor pentru fotoni, precum și Statz și Mars, care în 1960, introduc ecuațiile ratelor pentru lasere. Această teorie scrie echilibrul detaliat al proceselor care au loc în cazul interacției radiație electromagnetică-materie (absorbția de radiație de către substanță și emisiile spontană și stimulată de radiație de către substanță).
Din ecuațiile ratelor ce se obțin pe baza teoriei termodinamice se aplică următoarele fenomene fizice:
– condiția de prag;
-modul în care depinde puterea de ieșire de puterea de pompaj;
-coexistența modurilor în liniile spectrale lărgite omogen și neomogen;
-pulsul laser „gigant‟;
-cascadele laser și „picurile amortizate‟.
Teoria clasică microscopică are un defect fundamental ce constă în faptul că ea nu conține efectele de coerență din câmpul de radiație electromagnetică (deoarece acesta este descris prin dependența de timp a numărului de fotoni, n). Aceste efecte de coerență sunt adesea importante în emisia radiației de către lasere și pentru a explica fenomene în plus este necesară o tratare mai completă. Această teorie are avantajele simplității și eficacității. Inconvenientele acestei teorii provin din faptul că ea necesită să se postuleze existența coeficienților de interacție undă-materie și nu conține nici o informație privind conținutul fizic al acestor coeficienți.
Sistemele laser pot fi:
– cu două nivele energetice;
– cu trei nivele energetice;
– cu patru nivele energetice.
În cadrul lucrării științifice de față, se studiază laserul cu patru nivele energetice – sistemul atomic cu patru nivele energetice. Pentru laserul cu patru nivele energetice, schema acestor nivele în cazul în care tranziția are loc între nivelele energetice excitate intermediare, este dată în figura 13 de mai jos:
, 3
, 2
, 1
, 0
Fig.13: Laser cu patru nivele energetice
Pentru laserul cu patru nivele energetic, ecuațiile laser (ecuațiile ratelor) sunt:
= ∙( – ) – – – ;
= – – ∙( – ) – ;
= ∙( – ) + – + ; (2.2)
= ∙( – ) + + + ;
= ∙( – ) + ∙ – ;
În aceste ecuații avem: este rata de pompaj a atomilor de la nivelul 0 > la 3 și este rata emisiei stimulate între nivelele laser. Deoarece în mediul laser, numărul de atomi , este constant, rezultă + + + = N, atunci ecuațiile laser pentru un laser cu patru nivele energetice vor fi :
+ + + = N;
= ∙( – ) + – + ; (2.3)
= – – ∙( – ) – ;
= ∙( – ) – + ;
= ∙( – ) + ∙ – ;
Experimental se constată că anumiți timpi de relaxare sunt foarte mari ( , ) și astfel unii termeni pot fi neglijați. Mărimile se exprimă în funcție de intensitatea radiației I, coeficientul Einstein de emisie stimulată, , prin relația:
= 2 = ∙ = ∙ (2.4)
unde: • este densitatea fotonilor pe intervalul de frecvență față de care se definesc coeficientții Einstein ai ratei radiației.
Considerând densitatea de radiație mare (puterea de pompaj mare), în cazul laserului cu patru nivele, avem:
∙ (2.5)
Ecuația a patra din sistemul de ecuații (2.3) se transformă în:
= ∙( – ) – (2.6)
Pentru = 0, rezultă următoarea ecuație:
= (2.7)
În final se observă că ecuațiile sistemului laser cu patru nivele sunt echivalente cu ecuațiile sistemului laser cu două nivele dacă sunt îndeplinite condițiile:
laser cu laser cu
două nivele patru nivele
= = ; (2.8)
= =
= = .
astfel că ecuațiile laser după unele înlocuiri și simplificări vor fi:
= ∙ – ∙( – ) – ;
= – ∙ – ∙( – ) + . (2.9)
Laserul cu patru nivele poate fi aproximat cu un laser cu două nivele energetice, dacă sunt îndeplinite următoarele condiții:
– rata de relaxare neradiativă de la banda de pompaj (nivelul 3) la nivelul superior este mare în comparație cu rata de pompaj de la nivelul fundamental ( 0 3 );
– densitatea de atomi din starea fundamentală ( 0 , care nu corespunde nivelului inferior trebuie să ajungă rapid la valoarea de echilibru.
Avantajele acestui sistem laser sunt conservate când acțiunea de pompaj este limitată de rata , deoarece sistemul apare ca fiind pompat de la o sursă intensă de atomi care este independentă de nivelul laser inferior, 1 .
2.3. Teoria semicuantică a laserelor
Această teorie ține seama de efectele de coerență din câmpul de radiație electromagnetică. În acest caz se consideră radiația ca un câmp electromagnetic clasic, descris de ecuațiile lui Maxwell și substanța ca un sistem fizic cuantic descris de ecuația lui Schrödinger. Teoria semicuantică explică în plus față de teoria termodinamică și următoarele:
– deplasările de frecvență;
– dependența de timp a pulsațiilor populațiilor;
– efectele de modulație;
– „picurile‟ neamortizate;
– ecoul fonic;
– supraradianța;
– sincronizarea fazei;
– pulsurile laser ultrascurte;
– tranzițiile cuantice multiple cu faze compensate;
– generarea de armonici;
– „difuzia‟ Raman stimulată;
– „împrăștierea‟ Brillouin stimulată.
Teoria semicuantică descrie corect emisia stimulată, variația temporală a intensității, a saturației, a competiției intermoduri. Ca inconveniente sunt netratările emisiei spontane, a consecințelor sale privind pornirea oscilației, a lărgimii liniei.
2.4. Teoria cuantică a laserelor
Această teorie tratează atât câmpul electromagnetic, cât și substanța ca sisteme cuantice în interacție, interacție care se bazează pe legile termodinamicii cuantice. În plus față de teoria semicuantică, ea mai explică:
– statisticile fotonilor;
– semilărgimea liniilor laser;
– fluctuațiile intensităților (în special, ale radiațiilor laser);
Cu ajutorul ecuațiilor teoriei cuantice se obțin ecuațiile teoriei semicuantice prin medierea asupra proceselor de pompaj și de relaxare. În continuare, dacă se neglijeajă toate relațiile de fază, din ecuațiile teoriei semicuantice pentru lasere, se obțin ecuațiile ratelor corespunzătoare teoriei termodinamice a laserelor. Ca avantaj este descrierea foarte completă a ansamblului fizicii laserelor, iar ca inconvenient este faptul că formalismul posibil este greoi.
CAPITOLUL 3
TIPURI DE LASERE. APLICAȚII GENERALE ALE LASERELOR
3.1. Tipuri de lasere
3.1.1. Lasere cu electroni legați
Folosesc tranzițiile electronilor de pe nivele exterioare atomice sau nivele interioare atomice ionice, moleculare și se pot clasifica în două grupe:
A. Pe nivele exterioare:
A.1. lasere cu mediu activ solid;
A.2. lasere cu mediu activ lichid;
A.3. lasere cu mediu activ gazos;
A.4. lasere chimice.
B. Pe nivele interioare
A. Prima grupă de lasere cu electroni legați pe nivele exterioare are următoarele clasificări:
A.1. Lasere cu mediu activ solid:
A.1.1. Lasere cu mediu activ solid dielectric:
– laserul cu rubin (cristalul impurificat cu );
– laserul cu YAG dopat cu ;
Denumirea YAG provine din limba engleză, yttrium aluminium garnet însemnând granat de ytriu și aluminiu (), în calitate de gazdă, care dopat, cu ionii , constituie mediul activ respectiv, ionii sunt înlocuiți cu ionii . Datorită acestui lucru, laserul respectiv este numit laser cu YAG-Nd sau laser cu YAG dopat cu Nd, fiind un laser tipic cu patru nivele energetice.
– laserul cu .
A.1.2. Lasere cu semiconductori:
– dioda laser cu GaAs cu homojoncțiune;
– dioda laser cu heterojoncțiune;
– diode laser;
– laserul cu cavitate cuplată și tăiată;
– diodele laser cu gropi cuantice;
– diode laser cu confinare separată și o singură groapă cuantică (SCH- SQW);
– diode laser cu gropi cuantice multiple (MQW).
A.2. Lasere cu mediu activ lichid:
A.2.1. Lasere cu chelați ai lantanidelor;
A.2.2. Lasere cu soluții de coloranți.
A.3. Lasere cu mediu activ gazos:
A.3.1. Lasere atomice cu gaz:
– lasere cu gaze inerte (gaz He-Ne);
– lasere cu gaz de atomi neinerți (laserul cu iod);
A.3.2. Lasere ionice cu gaz:
– lasere cu gaz din ioni ai atomilor inerți (laserul cu );
– lasere ionice cu vapori metalici.
A.3.3. Lasere cu gaz molecular:
– lasere rotaționale-vibraționale (laserul cu , laserul cu vapori de apă);
– lasere vibronice (laserul cu , laserul cu );
– lasere cu eximeri.
A.4. Lasere chimice:
Laserul chimic este un laser în care inversia de populație este produsă direct cu ajutorul unei reacții chimice elementare.
B. Lasere cu electroni legați pe nivele interioare atomice („laserul‟ în domeniul radiațiilor X).
B.1. Laserul cu radiații X pompat de o explozie nucleară.
Pompajul are ca scop să creeze, la orice moment, o inversie de populație cât mai importantă, lucru posibil dacă energia de furnizat sistemului este cu atât mai mare, cu cât timpul de viață al nivelului superior va fi mai scurt (în cazul radiațiilor X, timpul mediu de viață este de aproximativ s pentru energii de 1keV).
3.1.2.Lasere cu electroni liberi
Laserul cu electroni liberi (FEL- Free-Electron Lasers) este un dispozitiv care transformă energia cinetică a electronilor liberi în radiație electromagnetică. Acest laser amplifică radiația de lungime de undă scurtă prin emisie stimulată, folosind energia unui fascicul de electroni relativiști. În FEL, electronul nu este liber, deoarece el este sub influența forțelor electromagnetice care îl obligă să radieze, dar totuși electronul este liber în sensul că el nu se află în atom cum este cazul laserelor cu electroni legați.
Laserul cu electroni liberi constă din închiderea într-o cavitate optică a radiației care este emisă când electronii relativiști sunt încetiniți prin interacția unui câmp magnetic periodic. Aceste lasere se aseamănă cu cele clasice deoarece se bazează pe principiul amplificării luminii prin emisia stimulată a radiației, dar se deosebesc prin faptul că emisia stimulată nu are loc pe o tranziție între două stări electronice legate.
Toate laserele cu electroni liberi au posibilitatea să emită o radiație electromagnetică de la lungimi de undă cuprinse între gama microundelor și ultraviolet. În acest laser, electronii de mare energie emit radiație coerentă, la fel ca într-un laser convențional, dar electronii trec printr-un vid într-un fascicul. FEL prezintă un mare interes, datorită posibilităților de aplicații, având o gamă spectrală imensă ca întindere și neexplorată, reușind să furnizeze puteri foarte mari în domenii deja cunoscute și studiate, oferind mari posibilități în domeniul electronii prin fotolitografie cu foarte mare rezoluție (lungimi de undă scurte).
3.2. Aplicații generale ale laserelor
3.2.1. Aplicații în știință
Aplicațiile laserelor se bazează pe faptul că radiația laser poate fi mult mai intensă, mult mai directivă, mult mai monocromatică și mai coerentă decât cea a surselor clasice.Totuși aceste caracteristici nu pot fi optimizate simultan. Aplicațiile laserelor în știință sunt, de asemenea remarcabile, dacă ne raportăm de progresul obținut în diferite domenii ale fizicii, chimiei și biologiei, datorită utilizării dispozitivelor cu lasere. Ca aplicații în știință pot fi amintite următoarele:
A.Reluarea sau efectuarea unor experiențe fundamentale în fizică, cum ar fi:
– experiența lui Michelson și Morley;
– verificarea constantei constantelor universale;
– interacția foton electron ( efectul Kapița-Dirac, efectul Schwartz-Hora);
– interacția foton-foton;
– atomi prinși în capcană;
– lumina comprimată.
B. Spectroscopia optică cu laser:
– spectroscopia optică de înaltă putere de rezoluție și de înaltă precizie;
– spectroscopia neliniară;
– alte studii spectroscopice.
C. Fenomene optice neliniare:
– redresarea optică;
– generarea de armonici optici;
– generarea parametrică a luminii;
– autofocalizarea luminii;
– difuzia stimulată a luminii;
– dispariția limitei roșii a efectului fotoelectric;
– întunecarea mediului;
– iluminarea mediului;
– efectul de saturație.
D. Alte aplicații în știință:
– apariția holografiei;
– apariția unei noi generații de ordinatoare;
– producerea și diagnosticarea plasmei cu radiațiile laser;
– chimia femtosecundelor (milionimi de miliardime de secundă).
3.2.2. Aplicații în metrologie, industrie, energetică și comunicații
A.Aplicații în metrologie:
– standardele de timp și de lungime. Sunt utilizate maserele și laserele pentru etalonul de timp și de lungime;
– telemetrie și măsurarea de viteze (măsurarea distanțelor, măsurarea derivei continentelor, măsurarea vitezelor cu ajutorul laserelor utilizând efectul Doppler);
– alte moduri de măsurări ( ca exemplu este girometrul cu laser. Primul dispozitiv de acest tip a fost realizat de Macek și Davis, putând pune în evidență viteze de câteva zecimi de grad pe oră).
B.Aplicații în industrie:
În industrie, folosirea laserului a condus la promovarea cu precădere a tehnologiilor electrofizice care tind să înlocuiască în mare parte tehnologiile mecanotehnice.
– alinierea cu laser;
– laserul ca sursă de căldură [sudarea, microuzinajul cu laser, tăierea ( tăierea firelor și plăcilor de material este una din cele mai importante aplicații ale laserului, viteza mare de tăiere și controlul asupra fascicului laser ușurează utilizarea controlului numeric asupra operației respective)];
– microsursă de lumină;
– controlul automat al mașinilor unelte;
– măsurări de profile și nivele;
– prelucrări de precizie în industria electronică (piesa de lucru este poziționată și mișcată cu ajutorul unui montaj micrometric pe trei axe);
– măsurări tehnologice nedistructive;
– optica integrată (studiul circuitelor și instalațiilor optice costruite din straturi subțiri, fibre optice, lasere și diverse componente ale electronicii integrate);
– holografia (o hologramă este înregistrată pe o placă fotografică a unui sistem de franje de interferență rezultând din compunerea unei unde coerente de referință cu chiar aceeași undă difuzată de obiectul pe care vrem să-l înregistrăm. Holograma rezultă dintr-un fenomen de difracție ale cărei legi sunt cunoscute și explicate cu ajutorul transformărilor Fourier);
– pulsuri ultrascurte.
Dispozitivele laser pot tăia toate sorturile de material: oțel, titan, caremică, plastic, cauciuc, hârtie, țesături, carton. Decuparea se face într-un volum de focalizare definită de vârful trunchiului de con al fascicului prin intersecția ariei bazei mici cu piesa. La materialele subțiri și moi precum hârtia, țesăturile, plasticele, decuparea se face prin vaporizarea materialului. În materialele groase și dure, decuparea se face fie prin fuziune foarte localizată, fie cu asistență de gaz pentru oxităiere sau electrotăiere, laserul amorsând procesul și dând precizia și pilotarea, iar reacția chimică sau plasma electrică furnizând puterea.
C. Aplicații în energetică:
– problema energiei;
– soluții de viitor pentru rezolvarea problemei energiei;
– energia de reacție în cazul reacțiilor de fusiune nucleară;
– utilizarea procesului de autoîntreținere a sintezei nucleelor ușoare;
-sinteza termonucleară dirijată (întreținerea unei reacții de fuziune nucleară): reactoarele termonucleare controlote prin confinare neinerțială și reactoarele termonucleare controlate prin confinare inerțială (reactorul cu laser HYLIFE este o variantă de reactor de fuziune care folosește microexploziile și reactorul hibrid asemănător reactorului de fisiune CANDU);
– obținerea energiei prin fisiune termonucleară.
D. Aplicații în comunicații:
Sistemele de comunicații electromagnetice moderne sunt bazate aproape în exclusivitate pe frecvențele radio și de microunde, cu domenii de frecvențe cuprinse între [3∙ -]Hz precum și optica cu un interval de frecvențe cuprins între [5∙-]Hz. În momentul de față se folosesc drept sisteme de comunicații cu laser: sisteme cu modularea în intensitate a purtătoarei optice; sisteme care utilizează modularea polarizării fazei sau frecvenței purtătoarei optice și sistemele cu multiplexare optică (cu diviziunea în timp a canalelor și cu divizarea în frecvență a canalelor). De asemenea diodele laser și LED-urile sunt surse de lumină ideale pentru comunicații prin fibre optice. În plus, aceste surse au dimensiuni care facilitează cuplarea luminii la fibrele optice.
3.2.3.Aplicații în științele medicale și în științele agricole
Aplicațiile laserului la stabilirea diagnosticului și în tratamente este necesar să fie luate multe precauții, deoarece se știe încă puțin despre efectul radiației laser asupra țesuturilor vii, mai ales la o expunere îndelungată. Laserul este folosit ca:
– instrument chirurgical: în ginecologie, otorinolaringologie (amigdalectomie), histologie (forarea și tăierea țesuturilor osoase), gastroenterologie, dermatologie (distrugerea petelor, tatuaj), odontologie (tratarea dinților), angiologie, neurologie, chirurgie endoscopică, terapie fotoradiativă;
– prin dermatologia cu laser;
– pentru tratamentul cancerului cu laser;
– ca oftalmolog și fotocoagulator;
– în stomatologie.
În oftalmologie, se folosește la deslipirea de retină, sau retinopatia diabetică și glaucomul.
Ca avantaje ale bisturiului laser se enumeră: precizia de poziționare, posibilitatea de a atinge locuri dificile de acces prin utilizarea fibrelor în endoscopie, puțină sângerare, reducerea durerii sau chiar dispariția sa.
În științele agricole, laserul este folosit: în tehnicile de lucru al pământului cu unelte asistate de către acesta, tratarea semințelor cu fascicule laser, urmărirea dezvoltării în timp a diferitelor plante.
3.2.4. Alte aplicații speciale ale laserului
A. Aplicații tactice:
– măsurări ale distanțelor cu telemetru sol-sol, sol-aer, aer-aer, aer-sol;
– iluminatoarele și sistemele de ghidare a proiectilelor;
– recunoașterea pe timp de noapte;
– observarea sateliților;
– traiectografie și sisteme de control al zborului;
– sisteme multimodale (sisteme laser cuplate cu dispozitive de televiziune pentru zborul paralel, razant cu pământul).
B. Aplicații strategige:
– apărarea antirachetă, declanșarea bombei cu hidrogen și prelucrarea informației;
– sistemul de contramăsuri optoelectronice, în care laserul cu solid ocupă un loc important este atât de secret în S.U.A., Gemania, Franța și Marea Britanie, încât clasificarea acestor cercetări este inclusă printre secrete.
C. Alte aplicații de perspectivă :
Laserul cu corp solid dielectric (sticlă dopată cu Nd, YAG dopat cu Nd) se află în atenția aplicațiilor speciale atât în direcția măririi performanțelor actuale (putere, energie, frecventă de repetiție, eficiență) cât și a elaborării unor sisteme principiale noi.
Laserul MIRACL (Mid- Infra-Red Advanced Chemical Laser) este un laser chimic care emite un fascicul de 2,2 MW în infraroșu, la o lungime de undă = 2,8 m, extrgându-și energia de la reacția chimică de formare a fluorurii de hidrogen (HF).
Laserul ALPHA este tot un laser chimic cu HF care emite un fascicul de putere având 2MW. În octombrie 1999, Armata U.S.A., a experimentat pentru prima dată, cu success, arma laser antirachetă intercontinentală.
Concluzii asupra aplicațiilor laser:
– laserul este un instrument excelent pentru metrologie;
– analiza formei și a evoluției formei corpurilor, organelor și celulelor joacă un rol important în ajutorul diagnosticării;
– microscopia laser cu baleiaj crește puterea de rezoluție și contrastul microscopului optic;
– microscopia holografică permite să se observe evoluția tridimensională a celulelor în cultură;
– radarele laser (lidarele) analizează atmosfera, detectează poluări la peste 10 km depărtare și ajută la previziunile meteorologice;
– în fotocopiere, combinarea laserelor și ordinatoarelor permite câștiguri în viteză și în productivitate;
– fibrele optice pot converti diverși parametrici fizici în variație de intensitate, de fază, de distribuție de moduri și alte caracteristici ale luminii, adică să funcționeze ca traductori;
– stocajul optic al datelor pe discuri s-a dezvoltat datorită laserelor;
– prelucrările laser, având ca bază schimbarea stării termice a materialului de prelucrat, au câmp larg de aplicații individuale pentru operații de: tratamente termice, alieri de suprafață ale pieselor metalice, realizarea asamblărilor sudate pentru lamele, microcontacte,găuriri, tăieri, trimerizări, marcări, gravări, echilibrări statice și dinamice.
CAPITOLUL 4
ELEMENTE DE INTERACȚIE A RADIAȚIEI LASER CU METALELE.
4.1. Iradierea metalelor în medii chimic inerte sub pragul de inițiere a plasmei
4.1.1 Proprietățile optice ale metalelor. Cadrul experimental. Suprafețe metalice reale
Modul în care decurge încălzirea unui metal sub acțiunea radiației laser depinde de material, de modul de operare al sursei laser și de condițiile în care se realizează iradierea. Modul de operare al sursei este caracterizat prin raportul dintre durata pulsului laser și alți câțiva parametri caracteristici, cu dimensiuni de timp, legați de dimensiunile probei, de diametrul fasciculului laser și de eventuala răcire. Modurile de operare pot fi:
– monopuls scurt;
– număr mic de pulsuri consecutive direcționate spre aceeași arie de iradiere;
– număr foarte mare de pulsuri consecutive ce se succed la frecvențe de repetiție ridicate;
– monopuls lung;
– undă continuă.
Evoluția reflectivității speculare în lumina unei surse laser Nd:YAG ( 1,06 m) a unor ținte din Cu și Ta, monocristaline, înalt prelucrate:se observă căderea rapidă a reflectivității speculare cu 30 % și revenirea sa aproape integral la incheirea iradierii. Din rezultatele experimentale întâlnim următorii termeni:
– reprezintă evoluția intensității relative în puls;
R = 1 – A , reprezintă suma fracțiunilor din radiația incidentă, reflectată și respectiv difuzată pe suprafața probei metalice;
A- reprezintă valoarea absorbtivității fiind exprimată ca raportul dintre intensitatea absorbită și cea incidentă, I, la un moment de timp, într-o anumită locație pe suprafața probei metalice irradiate (A 1 – R).
S-a observat că valorile absorbtivității determinate calorimetric (la mai multe lungimi de undă, inclusive la , în cazul unor probe de argint prelucrate prin strunjire de mare viteză cu un cuțit de diamant, erau în bună concordanță cu valorile absorbtivității stabilite prin intermediul reflectivității integrate, pentru probe de argint obținute prin depunere în vid înalt și respectiv prin pulverizare, dar difereau substanțial de cele stabilite în același mod pentru alte probe de argint obținute tot prin strunjire de mare viteză cu cuțit de diamant. Difernța valorilor absorbtivității decurge în acest caz din imprecizia măsurătorilor de reflectivitate integrată în determinarea corectă a difuziei, provocate de rugozitatea suprafeței probelor metalice. Măsurarea calorimetrică nefiind sensibilă la procesul de difuzie, va da o valoare în concordanță cu determinările de reflectivitate integrată în cazul probelor depuse în vid înalt și a celor pulverizate, dar nu și a celor prelucrate prin strunjire de mare viteză cu cuțit de diamant, atunci când rugozitățile superficiale nealeatorii provoacă un nivel crescut al luminii difuzate.
Absorbtivitatea metalelor la diferite lungimi de undă și mai ales pentru , este insuficient cunoscută și adesea contradictorie. Acest fapt se datorește dificultăților legate de identificarea și estimarea corectă a fiecăruia dintre constituenții absorbtivității unei probe metalice, așa cum reiese din relația de mai jos:
A = + = + + + + (4.1)
sau insuficienței datelor privind nivelul de finisare al suprafețelor probelor folosite și mai ales, erorilor ce afectează determinările experimentale atunci când stabilirea absorbtivității probelor metalice se face pornind de la valorile măsurate ale reflectivității speculare și / sau integrate.
4.1.2. Încălzirea laser a metalelor în medii chimic inerte
Acțiunea radiației laser asupra metalelor, pentru valori ale intensității incidente ce nu conduc la o distrugere semnificativă a suprafeței materialelor, are o importanță deosebită pentru tratarea termică locală și prelucrarea termochimică. Totodată, ea permite investigarea proprietăților termoemisive ale materialelor metalice și determinarea cu înaltă acuratețe a constantelor termofizice ale acestora.
Efectele și calitatea procesării laser a diferitelor materiale (în particular a metalelor), sunt determinate de alegerea optimă a parametrilor de iradiere, – în primul rănd a nivelului puterii incidente și a duratei de iradiere – de starea suprafeței, de gazul ambiant, de fenomene secundare ce se pot dovedi utile, sau dimpotrivă, stânjenitoare etc. Stabilirea unui regim optim de procesare revine la alegerea și menținerea pe parcursul iradierii a unor valori corespunzătoare ale parametrilor ce caracterizează acești factori.
Stabilirea regimurilor optime de iradiere este destul de laborioasă și mare consumatoare de energie și timp, ducând adesea la rezultate nesatisfăcătoare. Datorită acestui fapt se aleg orientativ valorile parametrilor de iradiere, pornind de la obținerea optimizării pe cale experimentală, folosindu-se de obicei unele calcule, relativ simple, bazate pe teoria clasică a transferului căldurii. Evaluarea vitezelor de încălzire laser și de răcire ulterioară a materialelor metalice, a gradienților de temperatură, a distribuției tensiunilor termice prezintă un interes deosebit în teoria clasică a transferului căldurii.
Transformarea ecuației de bază a căldurii se poate rezolva analitic sau numeric, iar validitatea aproximărilor făcute în diverse cazuri de interes practic sunt analizate în diferite lucrări de specialitate. Aceste lucrări se bazează pe soluțiile obținute în diverse cazuri particulare indicate de Carslaw și Jaeger.Sursa de încălzire a probelor este reprezentată de un fascicul laser studiat în lucrarea lui Ready, iar unele particularizări la cazul laserilor cu C, se pot găsi în lucrările lui Duley. Toate aceste probleme sunt reluate dintr-o perspectivă tehnologică asupra procesării laser a materialelor în lucrarea lui Bass.
S-au adăugat și unele dezvoltări și completări, legate în special de considerarea formelor neliniare ale ecuației căldurii – strict necesară atunci când se consideră variația cu temperatura a parametrilor termofizici și optici ai materialului metalic – ca și privind forma temporală reală a pulsurilor laser emise de sursele laser C în puls. O importanță deosebită o are variația cu temperatura a absorbtivității superficiale a probelor metalice, ce poate crește de 4-5 ori în intervalul de la temperatura camerei la punctul de topire.
Analiza încălzirii laser a materialelor metalice, a înregistrat un progres important, referindu-se la considerarea rolului, în procesul de interacțiune, a atmosferelor chimic active și în particular al aerului.
4.1.2.1. Ecuația căldurii
Într-un solid tridimensional omogen și izotrop supus acțiunii radiației laser, conducția căldurii se descrie în general prin soluția T(x,y,z,t) a ecuației căldurii:
= ; (4.2)
unde: • T – funcție de coordonate și timp indică distribuția spațială și temporală a temperaturii;
• – densitatea metalului;
• c – căldura specifică a metalului;
• – conductivitatea termică a metalului;
• – cantitatea de căldură absorbită în solid pe unitatea de timp și de volum.
Această ecuație se poate utiliza și după încheierea încălzirii laser, eliminând, corespunzător cel de-al doilea termen – de sursă – din membrul drept. Variația cu temperatură a parametrilor face ca această ecuație să fie neliniară, soluțiile analitice fiind accesibile doar într-un număr limitat de situații. În foarte multe cazuri practice, variațiile cu temperatura ale parametrilor termofizici ai metalului nu sunt prea mari, ele putând fi, într-o primă aproximație, neglijate.
4.1.2.2.Inducerea de deformații termoelastice
La nivele ale intensității radiației laser incidente insuficiente pentru inducerea topirii și vaporizării țintelor este posibilă observarea unor modificări ale stării suprafeței iradiate ce își au originea în disiparea de energie laser în tensiunile termice care se dezvoltă în zona spotului de iradiere.
Ca efect, al acțiunii pulsului laser, apar deformări dinamice ale profilului suprafeței țintei. Pentru a putea descrie comportarea termoelastică a unui mediu continuu sub acțiunea unei surse de căldură în puls cu scopul de a aborda și a ajunge în situația de a opera cu expresii analitice suficient de simple, se introduce o serie de ipoteze.
În cazul examinării încălzirii laser a unor ținte semiinfinite:
h ; (4.3)
unde: • h – grosimea probei metalice;
• – diametrului spotului laser;
• – adâncimea de difuzie, care are expresia următoare:
= ; (4.4)
sub acțiunea unei surse de suprafață, în pulsuri nu prea scurte, se admite examinarea separată a problemelor termică și mecanică (teoria termoelastică neimplicită) și, corespunzător, se poate neglija influența inerției termice. Criteriul de aplicare al acestei ipoteze îl constituie îndeplinirea condiției:
(4.5)
unde: • – durata pulsului laser, incident pe suprafața țintei într-un spot de rază finită;
• – raza finită;
• – viteza sunetului în solid (pentru metale ).
Nu se consideră dependențele de temperatură ale proprietăților mecanice, termofizice și optice ale metalului și se neglijează pierderile, prin radiație și convective, de energie de pe suprafața țintei. Ca un caz concret, se consideră o distribuție gaussiană de intensitate în spotul de iradiere:
I(r) = (4.6)
În figura 14 este reprezentată o diagramă pentru ilustrarea comportării termoelastice a unui mediu continuu la incidența fasciculului laser de putere pe suprafața unui solid semiinfinit:
r
dz
dr
Fig. 14: Comportarea termoelastică a unui mediu continuu
4.1.2.3. Topirea superficială și încălzirea metalelor peste punctul de topire
În cazul elementelor metalice pentru optica laserilor C, de putere, topirea superficială, chiar și strict localizată, a unei oglinzi este asimilată distrugerii acesteia. Totodată, din punct de vedere aplicativ, topirea poate fi un efect dezirabil, când este asociată efectuării operațiilor de sudură laser. În acest caz se urmărește topirea unei cantități cât mai mare de substanță cu evitarea dislocării acesteia prin vaporizare sau prin pulverizare în fază lichidă.
Precizarea condițiilor în care se induce și evoluează topirea superficială a unei probe metalice prezintă atăt interes fundamental, cât și direct practic, legat de utilizarea diferitelor surse laser în operațiile de procesare tehnologică. Calculul distribuției ulterioare a câmpului de temperatură în metal devine extrem de dificil, după atingerea pe suprafață a punctului de topire.
În general, ulterior acestui moment, interfața solid-solid se propagă în adâncimea țintei în timp ce temperatura în stratul superficial crește rapid peste punctul de topire, .
Presupunând că intensitatea radiației laser incidente este constantă, I(t) , neluînd în considerare deocamdată fenomenul de vaporizare și de pulverizare de lichid, situația reprezentată schematic în figura 15, va fi descrisă de următorul sistem de ecuații inițiale și la limită.
∙ – ∙ = ∙ ∙ (4.7)
– ∙ z = 0 =A∙ (4.8)
= ∙ ; i = 1,2; (4.9)
= = ; z = z(t), t ; (4.10)
(z,0) = (z) (4.11)
(,t) = 0 (4.12)
Z(0) = 0 (4.13)
aici: • – reprezintă căldura latentă de topire, iar indicii 1 și 2 specifică, respectiv, peliculă de lichid și suportul metalic;
• Z(t) – reprezintă frontiera metal solid-topitură;
• – reprezintă temperatura solidului neperturbat;
1 2
lichid solid
Z(t) z
T =
Fig. 15: Încălzirea laser a unui solid (metal) în prezența unei faze lichide
4.1.2.4. Inducerea topirii
Pentru a stabili momentul la care se induce topirea superficială a probei metalice, raportat la începerea iradierii aleasă ca origine a timpului, se egalează expresia câmpului de temperatură ce corespunde situației examinate cu punctul de topire cunoscut al metalului respectiv:
T(r,o,t) = (4.14)
În diverse situații practice este important să se clarifice dacă topirea se induce sau nu pe suprafața metalică. Acest fapt presupune raportarea temperaturii de topire la valorile maxime ale temperaturii ce se atinge pe suprafața probelor iradiate. Diferitele situații practice întâlnite la iradierea cu surse laser C se pot clasifica în patru categorii:
a) la iradierea laser în undă continuă, temperatura maximă / staționară coincide cu cea de la sfărșitul iradierii și problema se reduce la alegerea celei mai adecvate aproximații pentru descrierea situației fizice examinate (solid semiinfinit sau lamă de grosime finită, spot ce acoperă întreaga suprafață a țintei sau spot circular finit, distribuție temporală și / sau spațială gaussiană etc.);
b) puls laser scurt, de formă temporală de tip „clopot‟, caz în care topirea superficială se inițiază, de regulă, pe frontul, iar la limită, pe maximul pulsului;
c) puls laser lung,de formă dreptunghiulară, caz în care temperatura maximă se atinge, de asemenea, la sfârșitul pulsului;
d) puls laser de formă temporală caracteristică, emis de sursele TEA – C, la inițierea plasmei cu prag redus în vecinătatea unei ținte metalice. Se va înlocui numai temperatura caracteristică de prag cu punctul de topire al metalului.
= (4.15)
Se poate recurge la relația simplă:
( ) ∙ (c∙ ∙ + ) (4.16) sau pentru o mai bună precizie se va scrie:
∙ ( A∙ + ) ∙ (c∙∙ + ) (4.17)
unde: • – reprezintă timpul de iradiere ce se scurge până la atingerea punctului de topire într-un strat de grosime, ;
• ( 1) – reprezintă stratul de grosime;
• – reprezintă timpul necesar pentru topirea completă a acestui strat.
Dacă nu există alte informații, se poate aprecia că:
(4.18)
unde: • – reprezintă difuzivitatea termică a metalului;
• A, – reprezintă absorbtivitățile materialului în fază solidă și respectiv lichidă
Coform celor patru categorii de mai sus, întâlnite la iradierea cu surse laser C, se obțin următoarele grafice ce reprezintă formele temporale ale pulsurilor emise de sursele laser, reprezentate în figurile următoare:
I
II
t
III
t
IV
t
Fig. 16: Forme temporale ale pulsurilor emise de sursele laser TEA – C
4.2. Generarea plasmei în vid sau în atmosfere chimic inerte
Acțiunea radiației coerente de 10,6 , în puls, asupra țintelor metalice, au fost obținute o dată cu folosirea sistemelor laser cu descărcare longitudinală, operate în regim declanșat. După studii ale sistemelor laser de-a lungul anilor, s-a ajuns astăzi la un anumit consens asupra faptului că distrugerea laser a metalelor este de origine termică, desfășurându-se prin succesiunea și uneori interferența următoarelor procese:
– încălzirea și topirea metalului;
– evacuarea de material în fază lichidă și gazoasă;
– încălzirea și ionizarea materialului;
– încălzirea și detenta plasmei produse.
Amploarea distrugerii depinde de intensitatea medie și maximă a radiației laser incidente pe suprafața metalului și de durata pulsului laser. Calitativ, scenariul procesului de distrugere în metale, sub acțiunea radiației laserului C, se desfășoară astfel:
a) pentru intensități laser de ordinul:
– , o undă de încălzire se propagă în adâncimea țintei, iar pe suprafața acesteia se produce topirea metalului. Efectele de distrugere propriu –zisă sunt limitate la provocarea unor transformări morfologice superficiale ale rețelei cristaline metalice, la inducerea unor dislocări și apariția de incluziuni. Un rol determinant în stabilirea și evoluția întregului proces îl joacă conductivitatea termică a fazei solide. De pe suprafața țintei se emit electroni și ioni, însă cantitatea de substanță evacuată este semnificativă.
b) la creșterea intensității incidente peste o valoare de prag caracteristică metalului, are loc o redistribuire în balanța energetică a procesului de interacțiune; conducția termică nu mai reușește să evacueze, către interiorul țintei, căldura acumulată pe suprafața ei și o parte din energia luminoasă absorbită de metal se cheltuiește ca lucru mecanic de expulzare a substanței. Astfel se instalează un nou regim de iradiere, numit „de dezvoltare a vaporizării‟, care pentru majoritatea metalelor de interes are loc practic la o valoare a intensității laser incidente:
– .
Procesul dezvoltării se poate considera staționar, deoarece durata procesului de tranziție spre stabilirea scurgerii staționare unidimensionale a vaporilor este neglijabilă la scara temporală a fenomenului.
c) atunci când: – , pentru majoritatea metalelor, cheltuielile energetice pentru încălzirea, topirea și vaporizarea metalului devin neglijabile față de cele pentru ionizare și încălzirea plasmei create. Din acest moment se instalează „regimul generării și încălzirii plasmelor sub acțiunea radiației laser de mare intensitate‟.
Pentru regiunea de tranziție de la regimul dezvoltării vaporizării către cel al generării și încălzirii plasmelor laser și, cu deosebire, pentru procesele fundamentale ce guvernează absorbția și reflexia radiațieri laser pe plasmă, ionizarea și încălzirea sa, se folosesc cu precădere valori ale intensității laser incidente:
– 5 · .
4.2.1. Valori de prag pentru inițierea vaporizării laser. Criterii teoretice. Verificarea practică a criteriilor.
Instalarea regimului vaporizării este caracterizată pentru o valoare de prag, , specifică metalului. Pentru I , disiparea căldurii într-un strat superficial de substanță are loc atât de repede încât provoacă vaporizarea acestuia înainte ca procesul de conducție termică să asigure evacuarea unei cantități semnificative de căldură spre interiorul țintei.
Verificări experimentale:
Evidențierea distrugerii superficiale a metalului, folosind o radiație laser cu , s-a asigurat prin examinare post iradiere prin microscopie Nomarski.
Precizia de stabilire a pragurilor de distrugere a fost totuși de numai aproximativ
1 . S-a observat inițierea unei plasme în fața țintelor de argint, la valori ale densității de energie incidentă ce depășeau numai cu puțin pragul de distrugere.
Pentru o probă caracterizată de o absorbtivitate la temperatura camerei:
A (293 K) = 9 ∙, s-a observat un prag de distrugere superficială:
* = 2,2 ;
din: 1 + = ∙ (1+ erf ). (4.19)
și: (4.20)
se obține: * = 1,64 ;
Din următoarea relație, ce cuprinde diferite mărimi fizice cu formulă proprie, se obține o altă valoare a pragului de distrugere:
= + + (4.21)
unde: • = ∙ ( ) = ;
• = ∙ ;
• – reprezintă timpul necesar aducerii suprafeței probei metalice la punctul de topire;
• = ∙ – reprezintă capacitatea termică a metalului în faza lichidă;
• – reprezintă adâncimea de difuzie și are următoarea expresie:
= ;
• – reprezintă căldura latentă de vaporizare a metalului;
• = ∙ ( + + – reprezintă absorbtivitatea;
• = – reprezintă conductivitatea lichidului metalic;
• = – reprezintă raportul dintre rezistivitățile metalului lichid și respectiv solid la T ;
Astfel că se obține următoarea valoare:
* = 2,3 , deci distrugerea pare să fi survenit ca efect al vaporizării superficiale a probei.
Pornind de la valoarea absorbtivității probelor la temperatura camerei, stabilită experimental, A (293 K) 0,17 (din măsurători de reflectivitate), folosind astfel pentru A 0,8, atribuită practic pentru situația atingerii pe suprafața iradiantă a unei temperaturi T , folosind expresia densității energiei de prag de inducere a vaporizării superficiale a unei ținte metalice:
= · (4.22)
unde: • = ;
• = + ()· ;
• – este timpul necesar aducerii suprafeței țintei la punctul de topire care se obține din expresia:
= · (4.23)
și astfel se va obține valoarea practică:
* = 4,2 , într-o concordanță destul de bună cu ipotezele specificate anterior.
Inducerea vaporizării pe defectele sau impuritățile ce acoperă suprafețele metalice reale a apărut a fi un mecanism general de distrugere a țintelor metalice convenționale în undă laser de putere. Inițierea sa este caracterizată de apariția de microcratere pe suprafața țintelor iradiate și stă la originea unor neconcordanțe între valorile pragurilor de vaporizare laser superficială a metalelor stabilite experimental și previziunile criteriilor.
4.2.2. Generarea și evoluția plasmei. Pragul de inițiere a plasmei. Criterii teoretice. Comparație cu rezultatele experimentale.
Atunci când intensitatea radiației laser incidente pe suprafața țintei depășește o altă valoare de prag, , caracteristică metalului iradiat, topirea și vaporizarea se fac cu cheltuieli neglijabile în bilanțul energetic. Materialul solid este instantaneu ionizat și transformat într-o plasmă densă, ce se încălzește apoi rapid pe seama energiei laser. Din acest moment se stabilește regimul generării și încălzirii plasmelor sub acțiunea radiației laser de putere.
Posibilitatea de utilizare a laserilor pentru generarea de plasmă ce ating temperaturi locale de ordinul a K se datorește lui Alfred Kastler.
Impactul fascicului laser pe ținta aflată în vid provoacă un transfer de energie și impuls către substanța din zona iradiată, care este încălzită și dislocată. O undă de detentă, în care are loc ionizarea, încălzirea și expansiunea plasmei, se propagă rapid spre exterior și transmite un șoc puternic materialului țintei. Analiza procesului de iradiere se desfășoară în trei etape:
a) deoarece radiația laser este absdorbită într-o plasmă omogenă, este necesară introducerea coeficientului de absorbție al plasmei și a densității electronice de tăiere (critice). Aici se poate studia influența gradienților de densitate asupra absorbției și reflexiei radiației laser pe plasmă. Se examinează procesele de ionizare și se prezintă un formalism adecvat descrierii acestui tip de plasmă;
b) în continuare se analizează inducerea și încălzirea plasmei sub acțiunea radiației laser de putere și dă o descriere fenomenologică a comportării sale;
c) la final se întreprinde un studiu al expansiunii plasmei laser în vid. Se iau în considerare procesele de recombinare și se dau expresii ale energiei cinetice (vitezei de expansiune) pe care o dobândesc particulele din plasmă.
Momentul apariției unei plasme, ca efect al iradierii laser de putere a unei ținte solide (metalice) în vid probată de:
– inițierea unei emisii ionice și luminoase semnificative;
– distorsionarea puternică a semnalului laser reflectat față de cel
incident;
– amplificarea cuplajului mecanic cu ținta;
este determinat de valoarea densității de energie în puls și, într-o mai mică măsură, de cea a intensității laser incidente.
Dacă intervalul dintre începutul pulsului laser și momentul apariției plasmei este variat într-o gamă relativ largă de valori – s, densitatea de energie absorbită anterior apariției plasmei rămâne aproximativ constantă. Pentru energii în puls mai mici, plasma apare pe coada pulsului laser, când intensitatea incidentă este aproape cu un ordin de mărime inferioară valorii maxime.
Pragul de formare a plasmei pe suprafața țintelor iradiate produce dislocarea a cel mult câteva straturi atomice de substanță. Astfel energia de prag pentru inducerea plasmei în vid () atașată momentului observării unei intensități luminoase egală cu intensitatea emisă de un radiator Planck cu o temperatură de 4000 – 5000 K , s-a stabilit a fi egală cu valoarea energiei necesare transformării în plasmă a unui strat de material cu o grosime , unde este coeficientul de absorbție a radiației de către materialul topit. Atunci densitatea de energie de prag pentru inducerea plasmei se poate evalua din relația:
∙ (4.24)
unde: • – este densitatea metalului;
• – este energia de legătură a atomilor metalici în solid.
Un criteriu teoretic mai complex pornește de la necesitatea ca suprafața iradiată să fie vaporizată și adusă la o temperatură T = 2 eV = 2,32 ∙ K. La acestă temperatură o emisie în vizibil, provenind de pe suprafața ionizată, devine detectabilă, însă nu se generează o plasmă puternic ionizată, căci potențialele de ionizare ale metalelor sunt sensibil mai ridicate:
* 5,99 eV la aluminiu;
* 7,72 eV la cupru;
* 7,57 eV la argint;
* 9,99 eV la aur.
O evaluare aproximativă a densității de energie, , necesară creării unei plasme superficiale cu o temperatură de 2 eV, s-a făcut presupunând că cea mai mare parte din energia laser incidentă se absoarbe într-un strat superficial vaporizat și parțial ionizat:
= ∙ (4.25)
unde: • = ;
• ;
• T = 2eV = 2,32 ∙ K;
• – este timpul în care suprafața probei metalice este adusă la punctul de fierbere, ce poate fi obținut din:
= ∙ ; (4.26)
• – este densitatea de energie prag necesară vaporizării superficiale a probei metalice.
• – reprezintă densități de energie ce depind în același mod de durata pulsului laser .
Expresiile matematice pentru densitățile de energie sunt:
= (4.27)
= ∙ (4.28)
= + + (4.29)
= ∙ . (4.30)
Verificări experimentale:
Pentru o probă de argint supusă iradierii laser în vid ( = 1,06 , = 150 ps), s-a observat un prag de distrugere superficială:
* 4
Corespunzător valorii menționate a absorbtivității și folosind constantele termofizice ale argintului și folosind relațiile 4.19, 4.24 și 4.25, se obțin următoarele valori practice:
* = 1,48 ;
* = 2,98 .
Această discordanță nu poate fi atribuită unor factori extrinseci, căci aceștia conduc la sporirea absorbtivității probei peste valoarea intrinsecă, stând la originea diminuării semnificative a pragului de distrugere sub forma unor mici spoturi de distrugere observate experimental.
Folosind alte criterii de distrugere, se obține cu ajutorul relațiilor 4.26 și 4.27, următoarele valori practice:
* 2,1 ;
* 4,1 .
Valoarea practică pentru „‟ este prea mică, dar cea pentru „ este în bună concordanță cu , valoarea teoretică fiind chiar cu puțin mai mare decât cea experimentală. Ca o concluzie, criteriul aducerii suprafeței metalice la 2eV pare a fi adecvat explicării distrugerii superficiale a probei de argint în acest caz.
4.3. Studiul teoretic si experimental al incălzirii si topirii unor metale sub acțiunea radiației laser
În cele ce urmeazã sunt prezentate rezultatele teoretice si experimentale care se referă la iradierea laser a unor metale (Ti și Cu ), utilizând un laser Nd:YAG.( 34. S. Dinu, C. Oros, M. Voicu, G. Dima, C. Stihi – The theoretical and experimental study of some metals heating and melting under the action of laser radiation – Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 12, no.4, 933-936, (2010)).
Mai întâi se încearcă rezolvarea teoreticâ a ecuației căldurii folosind ținte semiinfinite. În cazul topirii, determinarea temperaturii la suprafața materialului iradiat permite estimări cantitative asupra termodeformației induse precum si asupra tranziției de fază implicate. Mai departe se compară dimensiunile termodeformațiilor si craterelor rezultate, precum si a altor parametrii asociați, cu măsurătorile microscopice directe. Se observă că valorile calculate sunt într-o bună corelație cu cele experimentale, diferențele care apar având drept principală cauză cunoașterea insuficient de precisă a valorilor mărimilor fizice implicate la temperaturile mari atinse pe suprafețele iradiate..
Datorită calităților deosebite ale materialelor studiate ( titan și cupru) se utilizează in diverse domenii de activitate. Mai mult, chiar se poate spune că metalele menționate anterior sunt elemente indispensabile in activitățile curente ale zilelor noastre.
Deoarece prin iradiere laser proprietățile superficiale ale metalelor se pot modifica, este importantă studierea efectelor mecanice, termice, electrice sau optice ale acestei iradieri și, pe baza acestor observații, să se încerce imbunatațirea unor caracteristici astfel incât materialul sa răspundă cât mai bine cerințelor impuse.
Probele de Ti și Cu au formă cilindrică, cu inălțimea h5mm si diametrul bazei d20mm.
Caracteristicile radiației emise de laserul Nd:YAG sunt următoarele: lungimea de undă: =1,06m (IR); diametrul spotului laser Ds=0,4 mm; durata pulsului laser p=3ms (regimul de iradiere este monopuls).
După iradiere, analiza suprafeței fiecărei probe s-a facut cu ajutorul unui microscop optic a cărui precizie în aprecierea denivelărilor create (dilatări sau cratere) este de 2m.
Probele au fost iradiate diferențiat prin modificarea energiei pe puls. Intensitățile corespunzătoare s-au determinat cu relația:
, (4.31)
unde: • reprezintă aria suprafeței iradiate;
• p reprezintă durata pulsului laser.
Dimensiunile măsurate ale termodilatațiilor (+) sau craterelor (-) formate, ce corespund intensităților date de relația (4.31), sunt prezentate in tabelul 4.1.:
Tabelul 4.1.
Aceste rezultate vor fi interpretate pe baza unui model termic de interacție dintre radiația laser și probele metalice.
Astfel, dependența spațio-temporală a temperaturii atinse in țintă, T(z,t), se poate determina utilizând ecuația unidimensională de propagare a căldurii intr-un mediu solid, a cărei formă este:
, (4.32)
unde: • z este adâncimea in țintă;
• t este timpul de iradiere.
Mărimile , c, A si , depind de temperatură, și reprezintă densitatea, căldura specifică, absorbtivitatea si coeficientul de absorbție al materialului probei, iar I0 reprezintă intensitatea radiației laser pe suprafața țintei (pentru simplificarea calculelor următoare, s-au aproximat distribuțiile gaussiene ale intensității in fasciculul laser cu distribuții uniforme pe baza relației aproximative ).Pentru temperatura de T = 300K, s-au folosit valorile mărimilor specificate mai sus.
Pentru proba metalică, radiația laser este o sursă superficialâ de căldură și știind că între grosimea țintei (h), diametrul spotului laser (Ds) si lungimea de difuzie termică (þ() este relația: h>>Ds>lth (țintă semiinfinită), atunci soluția ecuației (4.32) va fi:
, (4.33)
La suprafața probei, pentru z=0 și t=p, relatia de mai sus devine:
, (4.34)
În cadrul experimentelor efectuate s-au respectat condițiile menționate anterior, astfel că această soluție este valabilă tocmai respectând condițiile menționate:
• h =5mm, Ds= 0,4 mm; lth= 0,14 mm pentru titan.;
• h=5mm, Ds=0,4mm, pentru cupru;
Pentru TITAN se cunosc: A=7%, KT=22J/msK,m2/s (=4500 kg/m3, c=520 J/kgK), , , Ttop=2073 K, Tvap=3523 K.
În aceste condiții, relația (4.34) va avea forma:
Ti (0, p) = 1900 Ei (K) (4.35)
cu energiile Ei exprimate in Joule.
Calculându-se densitatea superficială de energie electromagnetică necesară începerii topirii probei de titan, se poate verifica modelul astfel folosit:
(4.36)
(4.37) Valoarea experimentală a densității superficiale de energie electromagnetică este:
:
(4.38)
Timpul necesar radiației laser pentru a iniția procesul de topire, se poate calcula din:
(4.39)
( W/m2).
Se mai poate face o estimare teoretică a adâncimii craterelor formate in proba de titan pe baza formulei aproximative:
(4.40)
Tinând cont că temperatura de vaporizare a titanului are valoarea Tvap= 3523 K, se obține:
,
o valoare apropiată ca ordin de mărime de cele experimentale din tabelul 4.1.
Pentru CUPRU se cunosc: A=3%, KT=1401 J/msK, m2/s (=8,9103 kg/m3, c=380 J/kgK), , se obțin rezultatele:
J/m2 (4.41)
J/m2 (4.42)
Pe de altă parte,
ttop= 0,46 ms, (4.43)
mult mai mare decât la Ti datorită conductibilității termice mult mai mari (cuprul disipă mai repede căldura decat titanul), iar:
µm , (4.44) o valoare destul de apropiată de valorile cu (-) din tabelul 4.1.
Calculând intensitatea radiației laser necesară inducerii topirii, rezultă (vezi tabelul 4.1):
W/m2, (4.45)
Prin estimarea dimensiunilor liniare ale termodilatațiilor pe baza legii dilatării liniare și compararea acestora cu măsurătorile efectuate cu ajutorul microscopului optic (tabelul 4.1, valorile cu +), se realizează astfel o comparare cu experiența. Astfel, considerând dilatarea in lungime a cilindrului de inălțime lth si arie a bazei , se poate scrie:
, (4.50)
• z0 ≈ lth= 0,14 mm si K-1 pentru Ti,
• Ti se determină cu ajutorul relației (4.34).
• Pentru cupru nu s-au observat termodilatații.
Rezultatele obținute experimental sunt figurate în tabelul 4.2
Tabelul 4.2:Valorile teoretice si experimentale ale termodilatațiilor pentru probele de Ti:
CAPITOLUL 5
CONSIDERAȚII METODOLOGICE
Capitolul 5 abordează considerațiile metodice privind lucrarea științifică cu tema „Interacția radiației laser cu metalele‟. În cadrul lucrării științifice ca parte de cercetare este propus un opțional la nivelul disciplinei, ale cărei abordări metodice se regăsesc tot în capitolul 5. În cele ce urmează sunt abordate temele metodice folosite în aplicarea noțiunilor teoretice în vederea realizării unui curs opțional.
5.1.Finalități și obiective generale ale predării fizicii la nivelul gimnaziului
Finalități:
Studiind fizica în gimnaziu, elevii trebuie să devină capabili:
1. Să explice fenomenele aparținând unui domeniu pornind de la principiile fundamentale.
2. Să discearnă limitele de aplicabilitate ale unor principii, teorii.
3. Să descrie un fenomen, un aparat, folosind diferite modalități de exprimare: lanțuri verbale, scheme, simboluri, relații matematice.
4. Să realizeze operații de modelare a fenomenelor concrete pentru a le încadra într-o clasă și să aplice teoria modelului.
5. Să grupeze fenomenele în raport cu trăsăturile lor fundamentale, cum sunt cele legate de natura mișcării (tipul de transformare a materiei).
6. Să folosească metoda raționamentului științific (să observe în funcție de nivelul de abstractizare prin manipulări obiectuale sau mentale, să abstractizeze sau deducă, să concretizeze).
7. Să efectueze experimente pentru ca apoi să le interpreteze, desprinzând din ele concluzii științifice și practice.
8. Să facă dovada conștientizării conceptelor și operațiilor, a fundamentelor concepției juste, printr-o atitudine științifică în luarea deciziilor.
9. Să redacteze soluții la problemele propuse spre rezolvare, fie ele teoretice sau practice, referate.
10. Să utilizeze deprinderi de muncă intelectuală eficiente și de calitate (lucrul cu cartea, folosirea bibliografiei de specialitate, alcătuirea de fișe și conspecte, luarea notițelor), în vederea continuării studiului în mod independent pe parcursul întregii vieți.
11. Să respecte cu strictețe în timpul desfășurării experimentelor, activităților practice, normele de protecția muncii, regulile de pază contra incendiilor.
12. Să-și formeze un sistem de criterii, de modalități de înțelegere, de comentare și de apreciere a valorilor materiale și spirituale în perspectiva educației permanente, a unei conduite în consens cu etica și echitatea morală.
Obiective:
Studiind fizica, elevii trebuie să devină capabili:
1. Să înțeleagă pe baze științifice fenomenele și legile fizicii, principalele lor utilizări în cadrul proceselor tehnologice, precum și în construcția și funcționarea apararelor, mașinilor și instalațiilor moderne din industrie și agricultură.
2. Să utilizeze elemente din metoda experimentului științific în cunoașterea realității.
3. Să proiecteze, să realizeze, să interpreteze un experiment, o activitate practică, putându-se astfel integra în producție.
4. Să sublinieze interdependența și corelația fenomenelor, cauzalitatea lor, a legilor lor de desfășurare precum și consecințele care decurg din cunoașterea acestora pentru activitatea practică.
5. Să utilizeze limbajul matematic ca instrument de descriere fină a realității și ca depozitar efectiv al informației școlare și extrașcolare.
6. Să se exprime (să comunice) corect, scris și oral, în limbajul specific fizicii (terminologie, limbaj matematic, coduri, simboluri).
7. Să desfășoare o muncă intelectuală eficientă și de calitate în spirit de disciplină și de activitate în echipă.
8. Să desfășoare o muncă intelectuală eficientă și de calitate corelând cunoștințele de fizică cu alte discipline (matematică, chimie, biologie) în vederea formării unor imagini unitare a realității.
9. Să dovedească capacități de gândire logică, de analiză și sinteză, capacitate de transfer, să aplice metode, structuri însușite anterior în rezolvarea de noi probleme, să aplice metode într-un domeniu la rezolvarea situațiilor (problemelor) din alte domenii ale fizicii sau ale științei în general, ale producției.
10. Să înteleagă complex și obiectiv realitatea, baza formării concepției juste asupra naturii și societății.
11. Să aprecieze realizările oamenilor de știință din țara noastră în contextul realizărilor mondiale, să-și cultive respectul față de acestea și să contribuie la sporirea valorilor științifice românești.
12. Să posede capacitatea de continuare a procesului de adaptare la nou, de transformare a lui într-un element activ al societății.
5.2. Definirea și operaționalizarea obiectivelor predării fizicii
În programa de fizică sunt formulate finalitățile studierii fizicii în învățământul preuniversitar, ca și obiectivele generale ale studierii fizicii în gimnaziu, liceu, în școlile profesionale, complementare și de ucenici.
Gradul înalt de generalitate al obiectivelor menționate face însă ca ele să nu reprezinte călăuze sigure și clare pentru acțiunea cotidiană. Este rolul obiectivelor definite după categoriile comportamentale, formulate la un nivel intermediar de abstracție, de a reprezenta astfel de călăuze. La acest nivel operează taxonomiile (taxonomie înseamnă știința clasificării care în prezent se extinde și asupra formulării și ierarhizării obiectivelor). Taxonomiile propun o analiză în detaliu a obiectivelor generale și formularea unor obiective particulare, cu arie mai restrânsă, care să poată fi clar definite și urmărite în mod sistematic. În elaborarea unor taxonomii este necesară respectarea următoarelor principii:
– principiul didactic , obiectivele taxonomiei să urmărească obiectivele mai generale;
-principiul psihologic, obiectivele să respecte legalitățile psihopedagogice ale învățării;
– principiul logic, obiectivele să acopere într-o măsură cât mai mare domeniul studiat și să se suprapună cât mai puțin;
– principiul complexității crescânde.
De obicei, taxonomia se axează pe trei domenii: cognitiv, afectiv, psihomotor. Definirea obiectivelor taxonomiei se face în general, printr-o descriere verbală și printr-o listă de comportamente corespunzătoare fiecărei categorii. O structură posibilă a taxonomiei poate fi:
1.Obiective mnezice (de memorie):
– recunoașterea și denumirea;
– reproducerea.
2.Obiective cognitive complexe:
– înțelegerea (transpunerea, analiza, evaluarea, sinteza);
– aplicarea;
– explorarea.
Concretizarea fiecărei taxonomii se împlinește la nivelul cel mai puțin general, nivelul operațional, acela al comportamentelor observabile.
5.3. Principii de organizare a învățării fizicii
Fizica este considerată o știință fundamentală și unul din obiectele fundamentale cuprinse în planurile de învățământ, datorită valorii sale gnoseologice, metodologice și aplicative. Marea generalitate și profunzime a legilor fizicii, structura ei conceptuală, aplicațiile tenhico-științifice de o valoare deosebită, fac ca fizica să fie studiată cel mai mult din grupul științelor naturii. Programa de fizică este elaborată pe principiul „spiralei‟.
În clasa a VI-a se face o trecere în revistă a unor fenomene fundamentale din toată fizica fenomenologică, menită să clarifice în mintea elevilor, pornind nemijlocit de la experiență, conceptele fundamentale: corp, substanță, fenomen, mărime, lege fizică. Accentul se pune pe formarea depriderilor de observare științifică, pe formarea limbajului științific și pe dezvoltarea interesului pentru cunoașterea lumii fizice. Ponderea principală o are aspectul calitativ al fenomenelor, aspectul cantitativ și aparatul matematic folosit fiind foarte reduse.
În al doilea ciclu , cuprinzând clasele a VII-a și a VIII-a, se sistematizează materialul predat și se dă o formulare mai riguroasă legilor, introducându-se și relații cantitative între mărimi. Se utilizează pentru prima oară concepte idealizate (punct material, mișcare fără frecări, izolare adiabatică) și se încearcă deprinderea elevilor cu metoda fundamentală în fizică a tratării inițiale a situațiilor ideale mai simple și apropierea de cazurile reale. Tot în acest ciclu se introduce primele noțiuni de structură atomistă a materiei: moleculă, atom, electron, rețea cristalină. Bineînțeles că evoluția diferitelor domenii de cunoaștere și a pedagogiei însăși impun o evoluție și o perfecționare continuă, care se realizează periodic, a documentelor pedagogice de bază, planul de învățământ, programele, ca și a manualelor școlare.
5.4. Tipurile de activități independente ale elevilor la orele de fizică
Prin activități independente ale elevilor se vor înțelege acele activități efectuate de elevi pe baza sarcinilor de lucru trasate de către profesor și sub supravegherea lui, dar fără participarea directă a profesorului. Folosind aceste activități, elevii au o participare activă a gândirii, care este legată de găsirea celor mai raționale metode pentru efectuarea sarcinilor de lucru indicate de către profesor și pentru analiza rezultatelor ce se obțin. În procesul de predare-învățare se folosesc diferite tipuri de activități independente ale elevilor, cu ajutorul cărora ei capătă cunoștințe, aptitudini și deprinderi.
Tipurile de activități independente se clasifică astfel:
1. După scopul didactic:
– obținerea de noi cunoștințe, formarea capacității de a obține noi cunoștințe în mod independent;
– fixarea și aprofundarea cunoștințelor;
– formarea capacității de a aplica cunoștințele în rezolvarea problemelor teoretice și practice;
– formarea de deprinderi și aptitudini practice;
– formarea capacităților creative, a capacităților de a aplica cunoștințele în situații complexe.
2. După tipul principal de activitate al elevului:
– lucrul cu manualul și cu literatura suplimentară;
– activitățile practice și experimentale;
– activitățile de calcul analitic;
– activitățile de prelucrare grafică;
– activitățile de proiectare și de construcție;
– activități de clasificare și sistematizare;
– aplicarea cunoștințelor pentru explicarea sau prevederea fenomenelor și a proprietăților corpurilor.
În practică se folosește cel mai frecvent rezolvarea de probleme, observațiile și experiențele. În procesul de desfășurare a acestor activități, elevii își precizează cunoștințele existente, capătă cunoștințe noi și își perfecționează deprinderile practice obținute anterior (de exemplu, deprinderile de măsurare, de utilizare a aparatelor). În timpul efectuării unor activități practice, elevii capătă cunoștințe noi (de exemplu, despre metode noi de măsurare a mărimilor fizice), își fixează cunoștințele anterioare și aplică vechile cunoștințe în rezolvarea problemelor propuse de către profesor.
5.5. Metode de predare a fizicii
Optimizarea modalităților prin care elevul poate ajunge la datele științei, la însușirea acestora, a fost dintotdeauna o preocupare de bază a practicii școlare. Dintre aceste modalități, găsirea celei mai eficiente metode este un aspect de mare importanță. Considerând drept criteriu de bază sursa principală a învățării școlare, rezultă următoarea clasificare a metodelor de predare a fizicii:
1.Metode de transmitere și însușire a valorilor culturii:
a) metode de comunicare orală: metode expozitive (afirmative) și metode interogative (conversative, dialogate);
b) metode de comunicare scrisă (bazate pe limbajul scris);
c) metode de comunicare oral-vizuală;
d) metode de comunicare interioară (cu sine însuși).
2. Metode de explorare organizată a realității:
a) metode de explorare directă a obiectelor și fenomenelor reale;
b) metode de explorare indirectă prin intermediul substitutelor realității.
3. Metode bazate pe acțiunea practică:
a) metode de învățare prin acțiune reală;
b) metode de simulare.
Obiectivele și conținutul învățării pun elevii în situații psihologige diferite, solicitându-le două moduri de participare (participare activă și participare pasivă). Din acest punct de vedere există metode preponderent neparticipative (pasive), centrate pe cel care predă și care stimulează preponderent capacitatea de memorare a elevului, precum și metode participative (active), centrate pe cel care învață, căruia îi solicită mai mult gândirea, imaginația, voința, experiența, capacitățile de comunicare, în special bazate pe efortul propriu al elevului. Este de menționat sporirea ponderii unor metode activ participative, în special învățarea prin acțiune (learning by doing), învățarea prin cercetare (learning by research) și învățarea prin descoperire (learning by discovery).
5.6. Mijloace didactice folosite în procesul de învățare
Percepția prin mai multe simțuri, care asigură o cunoaștere mai completă a obiectelor a fost denumită de către J.A.Comenius „regula de aur a cunoașterii‟.
Este cert că pentru elevi, cunoștințele însușite numai verbal (din ceea ce spune profesorul), sau prin memorarea textelor din cărți, nu au în sine o valoare suficientă pentru o bună învățare. De aceea s-a recurs la diferite resurse materiale, cu scopul de a aduce în câmpul de observație al elevilor realitatea, mai mult sau mai puțin accesibilă în mod direct.
Mijloacele didactice reprezintă ansamblul resurselor materiale folosite în procesul de învățământ, investite cu anumite funcții pedagogice, pentru a ușura comunicarea, înțelegerea, formarea noțiunilor și deprinderilor, fixarea, evaluarea și aplicarea cunoștințelor și priceperilor. Ele au un anumit potențial pedagogic, care se valorifică în cadrul lecției pentru realizarea obiectivelor stabilite și influențează gradul de participare a elevilor la procesul de învățare.
Pentru folosirea corectă și eficientă a mijloacelor de învățământ, este necesară cunoașterea principalelor lor funcții pedagogice:
a) funcția de comunicare (informare);
b) funcția ilustrativ demonstrativă;
c) funcția formativ-educativă;
d) funcția motivațională;
e) funcția estetică;
f) funcția de raționalizare a efortului în activitatea didactică (ergonomică);
g) funcția de evaluare;
h) funcția substitutivă;
i) funcția de orientare a intereselor profesionale.
În funcție de rolul dominant pe care îl au în lecție, mijloacele de învățământ se pot clasifica în:
1) Mijloace de învățământ pentru comunicare (transmiterea) de informații și ilustrare demonstrare:
– mijloace audio-vizuale;
– mijloace grafice;
2) Mijloace de învățământ pentru investigație, exersare și formare a deprinderilor de activitate:
– truse de laborator;
– aparate de măsură și control;
– modele și machete;
– simulatoare.
3) Mijloace de învățământ pentru raționalizarea timpului:
– dispozitive;
– șabloane;
– mașini de multiplicat.
4) Mijloace de învățământ folosite pentru evaluarea rezultatelor învățării:
– teste;
– dispozitive de examinare;
– aparate de verificare.
De menționat calculatorul electronic, mijlocul de învățământ cel mai modern, cu posibilități extrem de extinse, care poate avea caracteristicile tuturor grupelor de mijloace de învățământ prezentate.
5.7. Utilizarea calculatorului în procesul de predare-învățare
În școală există două modalități de utilizare a calculatorului și anume:
1) ca instrument de lucru pentru elev sau pentru profesor;
2) ca mediu care intervine în procesul instructiv, în mod direct sau indirect.
1) Necesitatea unor deprinderi de nivel superior în manipularea informației impune utilizarea calculatoarelor în școală, pentru formarea deprinderilor de lucru cu acestea la tineri. Calculatoarele au pus la dispoziția utilizatorilor posibilități tehnice de manipulare a informației deosebit de puternice, și anume:
– expunerea unor texte sau imagini pe un ecran și posibilitatea manipulării și modificării lor;
– stocarea în memorie a unei cantități uriașe de informație și posibilitatea regăsirii rapide a unei părți determinate a ei;
– realizarea rapidă a unui volum mare de calcul;
– posibilitatea de a lua decizii și de a controla diverse echipamente auxiliare;
Aceste facilități oferă calculatorului un potențial educativ superior în raport cu alte tehnologii utilizate în educație.
2) Ca mediu care intervine în procesul instructiv se disting două modalități de utilizare a calculatorului:
a) modul direct, în care calculatorul îndeplinește sarcina de predare (instruirea asistată de calculator);
– prin intermediul unui software educațional;
b) modul indirect, în care calculatorul preia o parte din sarcinile profesorului ca manager al instruirii:
– prezintă elevului obiectivele operaționale și părțile componente ale lecției;
– atribuie sarcini de lucru specific, din manualul sau din caietul de lucru;
– atribuie secvențe ale instruirii asistate pentru diverse capitole sau teme;
– aplică teste pentru stabilirea progresului elevului în raport cu obiectivele prestabilite;
– înregistrează și raportează rezultatele obținute la teste;
– prescrie, în funcție de rezultatele obținute la un test, secvențele pe care trebuie să le studieze un anumit elev în continuare.
Introducerea în școală a tehnologiei educaționale bazată pe informatică va avea un puternic impact asupra metodelor de instruire; ea va conduce la dezvoltarea unor forme de organizare a instruirii care nu sunt posibile cu ajutorul metodelor și mijloacelor tradiționale.
Posibilitățile mediilor bazate pe un calculator în ceea ce privește prelucrarea, înregistrarea și regăsirea informației vor determina introducerea situațiilor în care elevul va dobândi cunoștințe și competențe în mod autonom, în conformitate cu interesele și aptitudinile proprii.
5.8. Metodica și tehnica experimentului școlar
Experimentul șolar reprezintă o reproducere cu ajutorul unor aparate speciale fenomenul fizic în timpul lecției, în condițiile cele mai favorabile pentru studierea lui, servind simultan atât ca sursă de cunoștințe, cât și ca metodă de învățare. Noțiunile de predare a fizicii trebuie să se bazeze pe experiment și de aceea experimentul face parte din sistemul metodelor de predare-învățare. Din punct de vedere structural, experimentul fizic este format din trei componete legate între ele:
a) experimentatorul și activitatea lui ca subiect al cunoașterii;
b) obiectul cercetării experimentale;
c) mijloacele de cercetare experimentală (aparate, dispozitive, instalații experimentale,etc.).
În procesul de formare la elevi a deprinderilor de măsurare se pot evidenția următoarele etape:
1) Definiția mărimii măsurate.
2) Alegerea obiectului care se măsoară.
3) Alegerea celei mai indicate metode de măsurare posibilă: directă sau indirectă.
4) Alegerea și montarea aparaturii necesare.
5) Măsuarea propriu-zisă.
6) Notarea rezultatelor măsurărilor.
7) Evaluarea rezultatelor obținute.
În situația în care măsurarea mărimii fizice se face indirect, evaluarea rezultatului precede calculul. Pentru formarea la elevi a deprinderilor de măsurare este necesar ca profesorul să le explice etapele activității de măsurare și să le formeze deprinderile necesare pentru executarea fiecărei etape ale acestei activități. Aceste etape sunt următoarele:
– inițierea în tehnica măsurării pe exemplul măsurării dimensiunilor liniare ale corpurilor;
– însușirea noțiunii de valoare a unei diviziuni a aparatului de măsură pe exemplul metrului cilindrului gradat, termometrului;
– exerciții de determinare a valorii unei diviziuni a aparatului de măsură;
– însușirea metodei de citire corectă a indicațiilor aparatelor de măsură;
– dezvoltarea deprinderii de citire a indicațiilor aparatelor de măsură;
– formarea deprinderilor de efectuare a măsurărilor indirecte (exemple: viteza medie, densitatea, presiunea, coeficienți calorici, rezistență electrică,etc.);
– formarea deprinderii de a evalua eroarea măsurării;
– noțiuni despre erorile de măsurare și calculul erorilor.
Una dintre cele mai importante operații de care depinde măsurarea corectă o constituie citirea corectă a indicațiilor aparatului. Pentru acest lucru profesorul trebuie să le indice elevilor eleementele din care se compune această operație: citirea scalei aparatlui (destinația aparatlui, limitele inferioară și superioară de măsurare, valoarea unei diviziuni), citirea valorii măsurate, notarea rezultatului citit.
5.9. Formarea deprinderilor de observare și experimentare independentă
Observația și experimentul constituie metode esențiale de cunoaștere științifică și surse ale cunoașterii științifice. Deprinderile de observare și de experimentare sunt necesare specialiștilor din majoritatea domeniilor de activitate. Scopurile organizării observațiilor și experimentelor sunt următoarele:
– dezvoltarea la elevi a deprinderii de observare, ca trăsătură de caracter;
– cunoașterea de către elevi a particularităților observației și experimentului ca metode de cercetare științifică;
– folosirea acestor metode pentru studiul corpurilor, fenomenelor,etc.;
– dezvoltarea capacității de cunoaștere a elevilor.
Pentru a forma la elevi deprinderile experimentale și teoretice necesare efectuării corecte a unei observații sau experiențe, trebuie ca profesorul să le facă cunoștință cu particularitățile acestor metode, cu etapele principale de desfășurare ale lor.
Se pot identifica trei forme de organizare a observației:
a) observarea de către elevi a demonstrației profesorului;
b) observarea în grup de către elevi;
c) observarea individuală.
Este bine ca elevii să înceapă să învețe tehnica observării de la observarea fenomenelor pe care le demonstrează profesorul. Pentru aceasta, profesorul trebuie să le explice clar elevilor ce trebuie să observe și în ce scop, să le arate elevilor modalitățile de îmbunătățire a vizibilității fenomenului observând (exemple: culoarea lichidelor, iluminarea suplimentară, creșterea sensibilității aparatelor,etc.). Aceasta le va permite elevilor să aleagă ulterior metoda cea mai eficientă de observație. Observațiile și experiențele independente se realizează în cadrul experimentelor și lucrărilor de laborator frontale. Observația în sine, fără combinarea ei cu alte metode de cercetare științifică, asigură numai studiul caracteristicilor exterioare ale fenomenelor și obiectelor.
O analiză completă a fenomenelor sau a proprietăților corpului se obține cu ajutorul metodelor experimnetale și teoretice. Experimentul permite stabilirea legăturilor cauză-efect dintre fenomene, a legăturilor dintre mărimile fizice ce caracterizează proprietățile corpurilor sau fenomenelor, explică dinamica proceselor. Metodica experimentului școlar trebuie să includă formarea la elevi a următoarelor deprinderi practice și teoretice:
1) Înțelegerea sau formularea independentă a scopului experienței;
2) Proiectarea independentă a experienței, elaborarea modului de lucru;
3) Alegerea aparatelor și materialelor necesare;
4) Montarea instalației experimentale și dispunerea corespunzătoare a aparatelor și materialelor;
5) Efectuarea măsurătorilor;
6) Efectuarea observațiilor;
7) Consemnarea prin diferite metode a rezultatelor observațiilor și măsurătorilor în conformitate cu sarcinile de lucru și alegerea celei mai bune metode de codificare a informațiilor obținute în timpul efectuării experiențelor;
8) Prelucrarea matematică a rezultatelor măsurătorilor;
9) Analiza rezultatelor și a informațiilor;
10) Formularea independentă a concluziilor experienței și exprimarea lor într-o anumită formă: în cuvinte, grafic, prin formule.
5.10. Sistemul experimentului școlar. Conceptul de experiment. Tipuri de experimente
Un experiment de laborator se realizează în mai multe etape, asemănătoare cu cele ale experimentului științific utilizat în cercetare. Aceste etape sunt:
– crearea unei motivații;
– formularea ipotezei care trebuie verificată experimental;
– proiectarea experimentului având în vedere existența aparaturii din dotare;
– desfășurarea experimentului, observarea aspectelor relevante în declanșarea fenomenului studiat și înregistrarea datelor;
– prelucrarea datelor obținute;
– compararea rezultatelor cu ipoteza inițială și formularea concluziilor.
Experimentul de laborator se clasifică astfel:
1) după funcția îndeplinită (de cunoaștere, de evaluare, de aplicare);
2) după modul de efectuare (de către profesori, de către elevi);
3) după modul de desfășurare (frontal, individual, pe grupe)
Indiferent ce categorie de mijloace de măsurare este folosită în determinările experimentale, măsurările se clasifică în: directe și indirecte. Precizia măsurărilor se caracterizează prin eroarea lor.
La măsurarea unei mărimi fizice apar erori datorită:
a) impreciziei de executare, chiar și cu mijloacele cele mai moderne, a etaloanelor și a aparatelor de măsură;
b) subiectivismului experimentatorului;
c) imposibilității de luare în considerare a tuturor factorilor care influențează calitatea măsurării.
Din această cauză valoarea obținută este aproximativă. Erorile de măsură se pot clasifica în:
– erori grosolane, care apar datorită neatenției experimentatorului sau defecțiunilor aparatelor utilizate. În cazul în care s-a constatat că asemenea erori au avut loc, toate măsurările trebuie efectuate din nou;
– erori experimentale care nu au nici o legătură cu erorile grosolane și se împart la rândul lor în două grupe:
1) erori întâmplătoare (statistice) sunt erorile care își modifică valoarea și semnul de la o măsurătoare la alta. Aceste erori se pot datora frecării uscate, lufturilor din dispozitivele mecanice, vibrațiilor, imperfecțiunii obiectului care se măsoară sau particularităților mărimii fizice. Fluctuațiile rezultatelor în jurul valorii medii se pot datora atât caracterului statistic al mărimii măsurate (număr de particule, număr de dezintegrări,etc.) cât și caracterului statistic al procesului de măsurare (fluctuații de măsurare).
2) erori sistematice sunt erorile care își păstrează valoarea și semnul în timpul măsurărilor. Ele se pot datora erorilor aparatelor (scala imprecisă, resortul dinamometrului se alungește neuniform, brațele balanței sunt inegale) și metodei experimentale însăși (determinarea vitezei mobilului pe o porțiune unde mișcarea are loc cu o accelerație foarte mică ce nu poate fi observată,etc.). Datorită erorii sistematice, rezultatele experimentale se află grupate în jurul unei valori deplasate față de valoarea reală. Erorile sistematice pot fi făcute neglijabile prin folosirea unor factori de corecție sau a unor aparate etalon. Diferențele dintre erorile statistice și erorile sistematice sunt reprezentate în figura 17:
Valori măsurate valori măsurate
Valoarea reală valoarea reală
Eroarea sistematică
Fig. 17: Diferența dintre erorile statistice și erorile sistematice
5.11. Problemele de fizică-element al structurii cunoștințelor de fizică
Problemele de fizică reprezintă o sarcină mică de lucru care se rezolvă prin raționament, calcule matematice și experiment, pe baza legilor și metodelor fizicii.
Rezolvarea problemelor reprezintă o parte inseparabilă a procesului de predare-învățare, deoarece premite formarea și îmbogățirea noțiunilor, dezvoltarea gândirii fizice și a deprinderilor de aplicare a cunoștințelor în practică. Problemele de fizică se folosesc pentru:
a) punerea problemei și crearea situației problemă;
b) comunicarea de noi informații;
c) formarea deprinderilor practice;
d) verificarea profunzimii și corectitudinii cunoștințelor;
e) fixarea, generalizarea și recapitularea cunoștințelor;
f) dezvoltarea capacităților creatoare ale elevilor,etc.
Problemele fac parte din majoritatea lecțiilor de fizică; ele se folosesc în procesul de predare-învățare, în procesul de fixare și consolidare a cunoștințelor, în lecțiile recapitulative,etc. Problemele de fizică pot fi clasificate astfel:
– după caracterul cerințelor:
• de calcul a mărimii necunoscute;
• de demonstrație;
• de construcție;
– după conținut:
• simple;
• abstracte (cu conținut concret);
• compuse;
• după metodă:
• de prezentare: text, desen, tabele, combinate;
• de rezolvare: aritmetice, geometrice, algebrice,;
• combinate: cu una sau mai multe soluții;
– după destinație:
• de antrenament: exerciții, întrebări;
• de cunoaștere: pentru aplicarea cunoștințelor și deprinderilor în situații noi;
• de creație: de cercetare, de construcție.
O problemă importantă a problemelor de fizică o constituie gradul de complexitate și de dificultate a lor. Psihologii consideră că, complexitatea problemei depinde de forma în care sunt exprimate (direct sau indirect) în enunț cerințele privind folosirea cunoștințelor și de claritatea cu care este expus în enunțul problemei (noțiunea, principiul, legea) care trebuie folosit în rezolvarea problemei. În literatura pedagogică și metodică se consideră că o problemă este complexă, dacă rezolvarea ei necesită rezolvarea unei serii de probleme simple, care se rezolvă direct. O problemă dificilă este o problemă complexă a cărei împărțire în probleme simple nu este evidentă. Complexitatea problemei este tratată ca o proprietate obiectivă a ei, iar dificultatea problemei este determinată de raportul dintre problemă și cel care o rezolvă.
5.12. Activități în afara clasei
5.12.1. Conținutul și formele activității în afara clasei
Activitatea în afara clasei reprezintă o parte organică și un element al activității de predare-învățare. Scopul ei este dezvoltarea multilaterală a deprinderilor de muncă independentă și a capacității creatoare a elevilor. Activitățile în afara clasei permit lărgirea și aprofundarea cunoștințelor elevilor, trezirea interesului pentru studiul fizicii și educarea la elevi a inițiativei, a independenței în muncă.
Activitățile în afara clasei influențează pozitiv asupra lecțiilor, deoarece foarte mulți elevi încep să aibă o atitudine mai serioasă față de învățare, manifestă un interes ridicat față de activitatea de cunoaștere, ajută profesorul în dotarea laboratorului de fizică, în construirea și repararea aparatelor pentru lecții. Activitățile în afara clasei pot fi împărțite din punct de vedere al conținutului în două grupe:
I) din prima grupă fac parte activitățile de învățare care sunt strâns legate de obiectivele minime ale programei de fizică și au un rol important în realizarea culturii generale a elevilor.
La aceste activități participă, de regulă, elevii rămași în urmă, cei care au absentat de la lecții (în special de la lucrările de laborator) și elevii buni care au primit ca temă de la profesor întocmirea unui referat, sau cei care doresc să discute cu profesorul soluția unei probleme mai dificile sau a teoriei. Forma principală de activitate pentru această grupă este consultația (cel mai des individual și mai rar în grup). Din această grupă mai fac parte activitatea din laboratorul de fizică și excursiile de studiu.
II) din a doua grupă (grupa principală) a activităților în afara clasei fac parte activitățile al căror conținut depășește cerințele programei, lărgind și aprofundând cunoștințele și deprinderile elevilor în domeniul fizicii.
Scopul principal al acestor activități îl constituie lărgirea orizontului elevilor, dezvoltarea capacităților creatoare, a interesului față de fizică și tehnică. Formele pentru grupa a doua de activități sunt foarte diversificate: cercuri de fizică, sesiuni de referate și comunicări ale elevilor, olimpiade școlare, editarea gazetelor de perete, a buletinului de informare științifică, executarea de aparate și dispozitive,etc. Din punct de vedere al gradului de participare a elevilor, aceste activități se impart în:
– activități individuale;
– activități de grup (exemplu: cercul de fizică);
– activități de masă (exemplu: olimpiadele școlare).
5.12.2. Organizarea și conținutul activității cercurilor de fizică
Cercul reprezintă o formă de activitate sistematică în afara clasei. Alegerea tipului de activitate depinde de o mulțime de factori, ca:
– interesul și pregătirea profesorului;
– solicitările elevilor;
– dotarea laboratorului de fizică;
Cercul condus de profesorul de fizică este orientat spre o tematică largă, care permite să se ia mai bine în considerare interesele elevilor. În activitatea oricărui cerc este preponderentă activitatea experimentală sau teoretică, însă profesorul trebuie să asigure în ambele cazuri o legătură strânsă între teorie și practică, deoarece numai în aceste condiții activitatea în cerc întărește și dezvoltă interesele elevilor. În cercurile experimentale, această legătură este asigurată datorită explicațiilor și lecțiilor profesorului, a referatelor întocmite de membrii cercului, iar în cercurile teoretice, prin pregătirea și efectuarea unor planșe, machete pentru referate, prin rezolvarea de probleme experimentale, prin efectuarea de observații în laborator,etc.
Organizarea cercului începe cu găsirea elevilor interesați de fizică și tehnică, cu luarea în considerare a intereselor lor și cu stabilirea tematicii principale a cercului. Deoarece, în majoritatea cazurilor, elevii doresc să lucreze la teme din diferite domenii ale fizicii și tehnicii, profesorul trebuie să le satisfacă cerințele dar în același timp trebuie să-i cointereseze într-o activitate comună. Din această cauză, în activitatea cercului trebuie să existe două direcții:
– una ia în considerare și satisface înclinațiile individuale ale membrilor cercului;
– a doua îi organizează pe elevi în activitatea colectivă, care reprezintă activitatea principală a cercului.
Ideal este cazul în care obiectivele proiectului de activitate a cercului servesc ca obiective individuale pentru membrii cercului. Tema principală a cercului trebuie să fie de perspectivă și să fie calculată pe durata unui an școlar sau mai mult, pentru a permite elevilor să realizeze obiectivele propuse. În scopul permanentizării activității cercului, este bine ca membrii cercului să fie elevi din clase diferite, deoarece ceea ce trebuie să-i unească sunt interesele comune și dorința de a munci împreună, iar cunoștințele și pregătirea practică nu sunt întotdeauna determinate de vârstă. Numărul membrilor cercului este de regulă cuprins între 10 și 15 elevi. Întreaga activitate organizatorică din cerc este realizată de profesor prin intermediul organelor de conducere alese de către elevi: responsabilul cercului, colectivul de redacție al gazetei de perete și responsabilul cu distribuirea materialului și aparaturii. La începutul anului, în prima ședință a cercului se fac alegerile și se stabilește proiectul de activitate pentru întregul an școlar. Proiectul de activitate cuprinde, de regulă, două secțiuni:
1) activtatea de cercetare, de realizare de aparate și dispozitive, care se desfășoară individual sau în grupe de 2-3 elevi;
2) activitatea de pregătire pentru concursurile școlare și pentru alte activități.
5.13. Observații și contribuții personale privind utilizarea tipurilor și metodelor de evaluare
5.13.1. Forme de evaluare
Metoda de evaluare este „o cale prin care profesorul oferă elevilor posibilitatea de a demonstra nivelul de stăpânire a cunoștințelor, de formare a diferitelor capacități, testate prin utilizarea unei diversități de instrumente adecvate scopului urmărit‟ (Stoica, 2002).
Creșterea eficienței procesului de predare-învățare presupune o mai bună integrare a actului de evaluare în desfășurarea activității didactice prin:
– verificarea și evaluarea sistematică a tuturor elevilor, pe cât posibil după fiecare capitol;
– prin raportarea la obiectivele generale și operaționale;
– verificarea eficienței programului de instruire și corelarea mediilor din cataloage cu rezultatele obținute de elevi la probele externe (examene de admitere, concursuri, olimpiade).
După modul de integrare a verificării și evaluării în procesul de învățământ distingem trei forme de evaluare importante:
1) evaluarea inițială. Performanțele viitoare ale elevilor depind și de cunoștințele anterioare, element pe baza căruia va trebui să alcătuim programul de instruire. În acest scop, probele inițiale de evaluare orale, scrise sau practice sunt de un real folos.
2) evaluarea continuă (formativă) se desfășoară pe tot parcursul programului de instruire în cadrul lecțiilor și la încheierea unui capitol, acoperind întregul conținut, conform programei. Elevii, fiind verificați din toată materia și obținând permanent informații cu privire la eficiența programului său de instruire, profesorul poate lua la timp măsurile necesare prevenirii unor insuccese școlare și să perfecționeze metodele de predare-învățare. Prin această metodă se creează posibilitatea ameliorării continue a procesului de învățământ.
3) evaluarea sumativă (cumulativă). Este evaluarea efectuată periodic prin verificări de sondaj și globale, la încheierea unui semestru sau an școlar. Notele obținute de elevi la aceste evaluări, nu reflectă, de multe ori, adevăratul nivel de performanță al elevilor și ca urmare nu are caracter stimulativ și nu oferă suficiente date asupra eficienței programului de instruire.
Sistemul metodologic al verificării randamentului școlar este constituit din mai multe metode și tehnici de verificare și evaluare a rezultatelor școlare:
– observarea curentă a modului cum învață elevul: mecanic, logic, creativ, ritmic, în salturi;
– probele orale;
– probele scrise;
– probele practice;
– analiza unor referate sau creații personale;
– teste de cunoștințe și deprinderi;
– portofolii;
– proiecte.
Chestionarea orală este frecvent folosită de profesori și are avantajul că favorizează dialogul, elevul având posibilitatea să-și justifice răspunsul, să participe la confruntarea de idei și opinii în cadrul clasei. Totodată, profesorul, prin feed-back, poate corecta sau completa răspunsul elevului, ajutându-l să-și dea seama cât știe și cum a învățat, direcționându-i, dacă este cazul, expunerea. Cu toate acestea, chestionarea orală are și numeroase limite: întrebările nu pot avea același grad de dificultate, unii elevi sunt mai emotivi și se „blochează‟, mai ales atunci când sunt ironizați de profesor sau de colegii lor, timpul nu permite o verificare completă privind conținutul predat; comportamentul profesorului manifestat prin nerăbdare, indulgență sau exigență exagerată, poate determina caracterul subiectiv al notării.
Examinarea și evaluarea prin probe scrise este utilizată sub forma unor lucrări de scurtă durată, lucrări „tip obiectiv‟, lucrări cu durată de una sau două ore cu subiecte din unul sau mai multe capitole. Subiectele pot fi sub forma unor întrebări-problemă, situații-problematice, întrebări de sinteză sau combinate, pentru fiecare stabilindu-se punctajul necesar. Aceste probe sunt preferate de mulți profesori și elevi deoarece: asigură un grad mai mare de obiectivitate la notare; oferă elevilor mai emotivi, sau celor care gândesc mai lent, posibilitatea de a prezenta toate cunoștințele; asigură evaluarea unui număr mai mare de elevi într-un timp scurt; întrebările au același grad de dificultate pentru toți elevii și verifică același conținut; favorizează realizarea comparării rezultatelor.. Ca limite se pot enumera: profesorul nu mai poate corecta eventualele greșeli de exprimare; elevii nu mai pot fi direcționați prin întrebări dacă fac unele confuzii, sau atunci când conținutul esențial nu este complet acoperit prin răspunsuri, atunci crește posibilitatea apariției erorilor la notare.
Examinarea prin probe practice este folosită pentru evaluarea: cunoștințelor teoretice necesare unor lucrări, gradul de automatizare a deprinderilor și calitatea lucrării raportată la parametrii necesari.
Evaluarea prin procedee alternative: proiecte, portofolii, observarea comportamentului elevilor la învățătură, lucrări de creație tehnică, științifică și literar artistică, activități de cercetare științifică, elaborarea de ghiduri pentru muzee și expoziții, redactarea de reviste școlare, dosare tematice, lucrări la olimpiade,etc.
Elaborarea, aplicarea și interpretarea probelor de evaluare:
Evaluarea prin teste docimologice. Este o probă complexă aplicată oral, scris sau practic, cu ajutorul căreia măsurăm și evaluăm cu mai mare precizie performanțele școlare în raport cu obiectivele și conținutul. Testele au un mare grad de fidelitate, putând fi corectate și repetate, oferindu-se astfel posibilitatea de a controla condițiile de aplicare. Aceste teste pot fi: inițiale, de progres și intermediare.
Testele inițiale sunt folosite pentru o evaluare inițială la începutul unui program de instruire, oferindu-se astfel informații cu privire la nivelul de pregătire al elevilor și la capacitatea lor de învățare, fiind utile în alcătuirea viitorului program de instruire.
Testele de progres sau formative se administrează pe tot percursul procesului de predare-învățare, după fiecare capitol sau după un număr de lecții mai dificile, dar importante pentru întelegerea noțiunilor următoare. Profesorul are posibilitatea să reia unele probleme neînțelese , organizarea unor activități didactice diferențiate, anumite completări sau sistematizări.. În cadrul acestor teste se pot folosi următorii itemi: să definească, să identifice, să diferențieze, să explice, să rezume, să rezolve, să calculeze, să demonstreze, să aplice, să compare,etc.
Testele finale și de sinteză se folosesc după parcurgerea unui capitol, la încheierea unui semestru sau an școlar. Întrebările vor fi centrate pe obiectivele didactice majore ale programului de instruire, vizând mai multe elemente esențiale și capacitatea elevilor de a opera cu cunoștințele asimilate: să calculeze, să demonstreze, să rezolve, să utilizeze, să combine, să creeze, să argumenteze.
5.13.2. Aplicații practice cu privire la tema aleasă în lucrare
Pe parcursul anului școlar, la încheierea unui capitol sau la finalul semestrului, au fost administrate elevilor diferite teste alegându-se următorul sistem de operații:
– s-au stabilit obiectivele și conținutul;
– conținutul a avut o structură logică;
– întrebările (itemii) au fost formulate în raport cu obiectivele și conținutul lecțiilor;
– exercițiile și problemele date spre rezolvare au fost clar precizate și explicat modul de rezolvare a lor;
– s-a fixat un punctaj pentru acestea;
S-au folosit următorii itemi:
1)Itemi obiectivi:
a) itemi cu alegere duală: solicită răspunsuri de tip Da / Nu, Adevărat / Fals, Acord / Dezacord.
b) itemi de tip pereche: solicită stabilirea de corespondențe / asociații între elementele așezate pe două coloane. Criteriul sau criteriile pe baza cărora se stabilește răspunsul corect sunt enunțate explicit în instrucțiunile care preced coloanele de premise și răspunsuri.
c) itemi cu alegere multiplă: solicită alegerea unui singur răspuns corect / alternativă optimă dintr-o listă de soluții / alternative.
2)Itemi semiobiectivi:
a) itemi cu răspuns scurt: întrebare directă care solicită un răspuns scurt (expresie, cuvânt, număr, simbol,etc.). În acest caz formulările propozițiilor nu trebuie să prezinte ambiguități.
b) itemi de completare: enunț incomplet care solicită completarea de spații libere cu 1-2 cuvinte care să se încadreze în contextul dat.
c) întrebări structurate: mai multe sub-întrebări (de tip obiectiv, semiobiectiv sau mini-eseu) legate printr-un element comun, în care răspunsul la fiecare sub-întrebare nu trebuie să fie dependent de răspunsul la sub-întrebarea precedentă.
3) Itemi subiectivi:
a) rezolvarea de probleme (situații problemă): activitate în care se evaluează elemente de gândire convergentă / divergentă, operații mentale complexe (analiză, sinteză, evaluare, transfer,etc.)
b) itemi de tip eseu: solicită elevilor să construiască / producă un răspuns liber (text) în conformitate cu un set de cerințe date. Acești itemi pot fi:
-eseu structurat / semistructurat: răspunsul așteptat este dirijat, orientat și ordonat cu ajutorul unor cerințe, indicii, sugestii.
– eseu liber (nestructurat): valorifică gândirea creativă, originalitatea, creativitatea, nu impune cerințe de structură.
5.13.3. Concluzii asupra evaluării școlare
1. Evaluarea școlară se realizează în strânsă concordanță cu proiectarea demersului de predare-învățare.
2. Evaluarea este o componentă esențială a procesului de învățământ îndeplinind mai multe funcții: constatativă, diagnostică, prognostică, de certificare a nivelului abilităților intelectuale și practice ale elevilor la sfârșitul unei perioade de instruire, de selecție a elevilor, motivațională, de orientare școlară și profesională.
3. Este confirmat în teoria și practica pedagogică, că evaluarea intervine în trei momente distincte: la începutul, pe parcursul sau la sfârșitul unei etape de instruire (an școlar, ciclu de învățământ).
Indiferent de forma sau modalitatea de evaluare folosită, aceasta trebuie să aibă un caracter stimulator. Ea nu trebuie să-i inhibe pe elevi, să-i demotiveze, ci dimpotrivă, să-i încurajeze și să-i stimuleze să învețe mai bine. Ca să îndeplinească această cerință, evaluarea trebuie concepută și prezentată elevilor ca o sarcină comună, firească și nu ca o sancțiune.
Elevii nu trebuie evaluați unii în raport cu ceilalți, scopul nu este de a-i ierarhiza, ci de a vedea evoluția, progresul, achizițiile. Pentru amelioararea activităților evaluative pot fi avute în în vedere câteva măsuri:
– utilizarea tuturor formelor de evaluare în activitatea de instruire-învățare (inițială, formativă, sumativă);
– utilizarea tuturor metodelor de examinare a elevilor (orale, scrise, practice);
– promovarea în mai mare măsură a unor modalități alternative de evaluare (proiecte, portofolii, autoevaluare,etc.)
– eliminarea sau măcar diminuarea la maxim, a efectelor factorilor perturbatori ai notării sau, eventual, a unor factori care pot altera desfășurarea procesului evaluativ.
CAPITOLUL 6
CERCETAREA PEDAGOGICĂ
Cercetarea pedagogică a temei lucrării științifice de față cu tema „INTERACȚIA RADIAȚIEI LASER CU METALELE‟ a avut loc pe parcursul unui an șolar sub forma unui curs opțional, la clasa a VIII – a, având ca eșantion de studiu un număr de 23 de elevi. Cursul opțional prezentat în continuare sub forma unei programe suplimentare le nivelul gimnaziului cuprinde temele studiate și rezultatele experimentale înregistrate prin diferite experimente de cercetare. Studierea laserului la nivelulul gimnaziului este greoaie și destul de greu de înțeles și de aceea s-a încercat studierea experimentală a laserului. Cursul opțional a fost studiat pe parcursul a 30 ore de opțional, împărțite în mod egal pe cele două semestre. Evident tema cursului a fost studierea interacției radiației laser cu metalele și de aceea a avut ca titlu același cu al lucrării științifice „INTERACȚIA RADIAȚIEI LASER CU METALELE‟.
6.1. Cursul opțional
6.1.1. Notă de prezentare
Studiul fizicii la nivelul gimnaziului contribuie la formarea și dezvoltarea capacității elevilor de a reflecta asupra lumii, de a rezolva problema pe baza relaționării cunoștințelor din diferite domenii, de a studia experimental fenomenele fizice, precum și la înzestrarea acestora cu un set de competențe, valori și atitudini care să le asigure o integrare profesională optimă.
La elaborarea programei s-au avut în vedere perspectiva trecerii de la modelul de proiectare curriculară centrat pe obiective, la modelul centrat pe competențe, model de proiectare curriculară determinat de:
asigurarea acordării la dezvoltările curriculare actuale, centrate pe rezultate explicite și evaluabile ale învățării;
necesitatea actualizării formatului și unității concepției programei școlare la nivelul ciclurilor de învățământ gimnazial și liceal.
Programa de curs opțional propusă reprezintă un tot unitar vizând atingerea unor competențe generale în concordanță cu finalitățile prevăzute în cadrul legislativ existent. Abordarea propusă are scopul de a asigura elevilor condiții pentru descoperirea și valorificarea propriilor disponibilități intelectuale, afective și motrice. Astfel competențele propuse contribuie la dezvoltarea unei personalități autonome și creative a elevilor.
Programa de curs opțional propusă are ca scop formarea competențelor cheie la următoarele niveluri:
– formularea competențelor generale;
– formularea competențelor specifice;
-organizarea elementelor de conținut și corelarea acestora cu competențele specifice.
– valori și atitudini;
– sugestiiile metodologice.
Programa își propune să nu îngrădească libertatea profesorului de a alege sau organiza activitățile de învățare adecvate formării competențelor.
6.1.2. Valori și atitudini
Obiectivle necesare dezvoltării unui curriculum de fizică include, pe lângă cunoștințe și deprinderi teoretice și practice de investigare, de modelare, selectare și structurare a informațiilor dobândite și o serie de valori și atitudini ca:
– respect pentru adevăr și rigurozitate;
– interes și curiozitate;
– inițiativă personală;
– spirit critic și autocritic;
– încredere în adevărurile științifice și aprecierea critică a limitelor acestora;
– toleranță față de opiniile celorlalți;
– deschidere și dispoziție de a accepta părerile celorlalți;
– acceptarea „jocului de rol‟;
– interes pentru explorarea diferitelor modalități de comunicare, inclusiv cele create prin aplicarea informațiilor TIC;
– grija față de propria persoană, față de ceilalți și față de mediu.
6.1.3. Competențe generale
1. Cunoașterea și înțelegerea fenomenelor fizice, a terminologiei, a conceptelor, a legilor și metodelor specifice domeniului, explicarea funcționării și utilizării unor produse ale tehnicii întâlnite în viața de zi cu zi.
2. Investigarea științifică experimentală și teoretică.
3. Rezolvarea de probleme practice și teoretice prin metode specifice.
4. Comunicarea folosind limbajul științific.
5. Protecția propriei prsoane, a celorlalți și a mediului înconjorător.
6.1.4. Competnțe specifice
1.1. clasificarea și analiza diferitelor fenomene fizice, instrumente și mărimi fizice din domeniile studiate.
1.2. descrierea fenomenelor fizice studiate, întâlnite în activitatea practică, după criterii date.
1.3. identificarea legilor, principiilor, caracteristicilor definitorii ale unor fenomene, mărimi caracteristice, proprietăți ale unor corpuri și dispozitive, condiții impuse unor fenomene fizice.
1.4. reprezentarea grafică a unor mărimi fizice sau variații ale acestora determinate experimental.
1.5. realizarea transferului cunoștințelor dobândite prin studiul fizicii în domeniul general al științelor și tehnicii.
1.6. stabilirea legăturii între fenomenele fizice studiate și aplicații tehnologice bazate pe acestea.
2.1. identificarea unor caracteristici ale fenomenelor pe baza observării acestora.
2.2. identificarea unor posibilități practice de aplicare a cunoștințelor teoretice dobândite prin studiul fizicii.
2.3. realizarea unor aplicații experimentale, individual sau în echipă, prin urmarea unor instrucțiuni date.
2.4. elaborarea de experimente simple, în echipă sau individual, și verificarea validității lor prin experiment dirijat sau nedirijat.
2.5. utilizarea instrumentelor de măsură alese în vederea efectuării unor determinări cantitative.
3.1. compararea și clasificarea unor fenomene și unor caracteristici fizice ale fenomenelor din domeniile studiate.
3.2. utilizarea valorilor mărimilor determinate experimental în rezolvarea de probleme cu caracter teoretic sau aplicativ.
3.3. analizarea relațiilor cauzale prezente în desfășurarea fenomenelor fizice din cadrul domeniilor studiate.
3.4. stabilirea unor conexiuni fenomenologice și conceptuale între domeniile fizicii și celelalte discipline de studiu.
4.1. uilizarea metodelor învățate pentru înregistrarea datelor experimentale.
4.2. formularea unor observații științifice asupra experimentelor efectuate.
4.3. prezentarea sub formă scrisă sau orală a rezultatelor unui demers de investigare individual sau în echipă folosind terminologia științifică proprie fizicii.
5.1. argumentarea avantajelor și dezavantajelor tehnologiilor actuale și de perspectivă pentru mediu.
5.2. valorizarea deprinderilor de lucru în siguranță pentru propria persoană, pentru ceilalți și pentru mediu.
6.1.5. Unități de conținut
1. Noțiuni generale despre lasere: alcătuire, structură, principiul de funcționare al laserelor.
2. Teoria generală a laserelor: teoria clasică fenomenologică, teoria clasică microscopică, teoria semicuantică, teoria cuantică.
3. Tipuri de lasere: lasere cu electroni legați, lasere cu electroni liberi.
4. Aplicații generale ale laserelor în: știință, metrologie, industrie, energetică, comunicații, medicină, agricultură, alte aplicații speciale.
5. Interacția radiației laser cu metalele:
a) proprietăți optice ale metalelor: verificări experimentale;
b) încălzirea laser a metalelor: cadrul experimental;
c) generarea plasmei în vid sau în atmosfere chimic inerte: verificări
experimentale;
d) generarea și evoluția plasmei: verificări experimentale.
6. Studiul teoretic si experimental al incălzirii si topirii unor metale sub acțiunea radiației laser.
CAPITOLUL 7
CONCLUZII
Întreaga istorie a științei ne arată continuu adaptare din ce în ce mai adecvată a modelelor elaborate la realitatea modelată, realitate surprinsă în formulări tot mai esențiale. În această restructurare permanentă a științei, apar mereu interdiscipline care, în unele cazuri devin discipline fundamentale așa cum a fost cazul termodinamicii. Procesul este în continuă dezvoltare și fără îndoială că în perioada următoare vor apare noi interdiscipline dintre care numeroase vor căpăta statut de disciplină fundamentală odată cu progresul general al cunoașterii științifice.
De ce laser? Foarte simplu. Este un domeniu actual și de viitor cu aplicații în toate domeniile de activitate și mai ales în medicină, știință, tehnică, cercetare, informatică,etc. Din acest motiv am considerat că această lucrare este utilă în primul rând pentru noutățile și informațiile noi și actuale aduse sub forma unui curs opțional.
Lucrarea de față cuprinde 7 capitole după cum urmează:
Capitolul 1: Noțiuni generale despre lasere. În acest capitol a fost prezentată acătuirea și principiul de funcționare al laserelor, emisia spontană și stimulată, inversiunea de populație și rezonatorii optici. Toate aceste noțiuni teoretice au fost exemplificate și prin diferite grafice sau desene, acolo unde a fost cazul.
Capitolul 2; Teoria generală a laserelor. Aici a fost făcută o clasificare a teoriei generale a laserelor cum ar fi: teoria clasică fenomenologică, teoria microscopică sau a ratelor, teoria semicuantică și teoria cuantică.
Capitolul 3: Tipuri de lasere. Aplicații generale ale laserelor. A fost prezentată o clasificare a laserelor cu electroni legați și cu electroni liberi. Ca aplicații ale laserelor au fost enumerate aceste aplicații, fără a se intra în detalii. Printre aplicații, au fost enumerate aplicațiile în: știință, metrologie, industrie, energetică, comunicații, științele medicale și agricole, alte aplicații speciale (tactice, strategige și de perspectivă).
Capitolul 4; Elemente de interacție a radiației laser cu metalele. În acest capitol au fost dezbătute noțiuni teoretice ale interacției radiației laser cu metalele precum și rezultate experimentale obținute prin diferite cercetări practice. Acest capitol a avut două subcapitole, anume: iradierea metalelor în medii chimic inerte sub pragul de inițiere al plasmei (proprietăți optice ale metalelor, suprafețe metalice reale, ecuația căldurii, inducerea de deformații termoeleastice, precum și topirea superficială și încălzirea metalelor peste punctul de topire) și generarea plasmei în vid sau în atmosfere chimic inerte (fenomene fizice, valori de prag pentru inițierea vaporizării laser, generarea și evoluția plasmei, precum și pragul de inițiere al plasmei). Toate aceste noțiuni teoretice au fost completate și exemplificate cu rezultatele experimentale pentru diferite metale (titan și cupru) la anumite valori ale lungimii de undă.
Capitolul 5: Considerații metodologice cuprinde atât finalități și obiective ale predării fizicii în gimnaziu precum și definirea și operaționalizarea predării, principii de organizare ale învățării, metode și mijloace didactice folosite în procesul de predare-învățare a fizicii. Nu am uitat nici activtățile în afara clasei precum și activitățile independente ale elevilor la orele de fizică.
Capitolul 6: Cercetarea pedagogică cuprinde un model de curs opțional adaptat temei științifice studiate. Cursul opțional este structurat sub forma unui program desfășurat pe parcursul unui an școlar și cuprinde o notă de prezentare, valori și atitudini, competențele generale, competențele specifice și unitățile de conținut.
Capitolul 7: Cuprinde concluziile lucrării științifice de față, o bibliografie bogată ce cuprinde diferite lucrări de specialitate sau pedagogice.
BIBLIOGRAFIE
1. Barna A., Autoeducația,Editura Didactică și Pedagogică, București, 1995.
2. Beesley M. J., Lasers and their applications, Taylor and Francis, London, 1971
3. Bell A., Cowie, B., Formative Assessment and Science Education, Kluwer Academic Publishers,Dordrecht, 2001.
4. Birnaum G., Optical lasers,Academic Press, New York,1966.
5. Bîrzea C. (coord.), Învățarea permanentă- prioritate a politicii educaționale din Romania, ISE, București,2001.
6. Bolocan V., Evaluarea formativă: aspecte practice,Didactica Pro I, 2000.
7. Bunget I. (coord.)., Compendiu de Fizică, Editura Științifică și Enciclopedică București, 1988.
8. Cerghit I., Sisteme de Instruire Alternative și Complementare. Structuri, Stiluri, și Strategii, Editura Aramis, București, 2002.
9. Cerghit I., Metode de învățământ,Editura Polirom, Iași, 2008.
10. Cerghit I., Cristea S., Pânișoară O., Metodologia procesului de învățământ în pregătirea psihopedagogică. Manual pentru definitivat și gradul II didactic, Editura Polirom, Iași, 2008.
11. Cristea S., Pedagogie generală, Editura Didactică și Pedagogică, București,1996.
12. Cristea S., Curriculum pedagogic,Editura Didactică și Pedagogică, București, 2006.
13. Cucoș C., Pedagogie, Editura Polirom, Iași, 1998.
14. Cucoș C., Pedagogie.Ediția a II- a, Editura Polirom, Iași, 2006.
15. Cucurezeanu I., Laseri,Editura Academiei Române, București, 1966.
16. Das P., Lasers and optical engineering,Sringer-Verlag, New York, Berlin, 1991.
17. Dumitraș D., Laseri cu gaz, Editura Academiei Române, București, 1982.
18. Duțu D. A., Laserul- lumina de mâine, Editura Albatros, București, 1981.
19. Fizică, Manual pentru clasa a XII – a F1, Gabriela Cone, Editura Plus, 2002.
20. Fizică, Manual pentru clasa a XII –a, F1 +F2, N. Florescu, V. Popescu,A. Popescu, Editura Gimnasium, 2007.
21.. Ionescu M., Radu I., Didactică Modernă, Editura Dacia, Cluj-Napoca, 2004.
22.. Jinga I., Istrate E., Manual de Pedagogie, Editura Bic All, București, 2006.
23. M.E.C.I., Programă școlară, Fizică, Clasele a VI –a, a VII – a, a VIII – a, București, 2009
24.M.E.N., Planuri cadru de învățământ pentru învățământul preuniversitar, Editura Corint, București, 1999.
25. M.E.N., Consiliul Național pentru Curriculum,Programe școlare,1999.
26. M.E.N., Ghid metodologic pentru aplicarea programei de fizică, Editura Aramis, București, 2001.
27. Neacșu I., Instruire și învățare, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1999.
28. Popescu I. M., V. Vasiliu, V. Drăgănescu, Laserii și unele aplicații în știință și tehnică, Oficiul de Documentare și Publicații Tehnice ale Ministerului Industriei Construcțiilor de Mașini, București, 1969.
29.Popescu I. M. (coord.), Probleme rezolvate de fizica laserilor, Editura Tehnică, București, 1975.
30. Popescu I. M. (coord.), Aplicații ale laserilor,Editura Tehnică, București, 1979.
31. Popescu I. M.,Fizica și ingineria maserilor și laserilor, partea I-a și partea a II – a, Litografia Universității „Politehnica‟ din București, 1992
32. Popescu, I. M., Fizica și ingineria laserelor, Editura Tehnică, București, 2000.
33. Preda A. M., Introducere în electronica cuantică, Editura Științifică, București, 1995.
34. S. Dinu, C. Oros, M. Voicu, G. Dima, C. Stihi – The theoretical and experimental
study of some metals heating and melting under the action of laser radiation – Journal of
Optoelectronics and Advanced Materials, 12, no.4, 933-936, (2010)
35. Stoica M., Psihopedagogia personalității, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1996.
36. Stoica M., Pedagogie pentru definitivat, gradul al II – lea, gradul I și studenți, Editura Gheorghe Alexandru, Craiova, 1997.
37. Stoica M., Pedagogie școlară, Editura Gheorghe Alexandru, Craiova, 1995.
38. Stoica M., Pedagogie și psihologie pentru examenele de definitivat, grade didactice profesori, institutori / învățători, studenți și elevi ai Școlilor Normale, Editura Gheorghe Alexandru, Craiova, 2002.
39. Ursu L., I.N.Mihăilescu, A.M.Prokhorov, V.I.Konov, Interacția radiației laser cu metalele, Editura Academiei Române, București,1986.
40. Vasiliu V., Laserii cu heliu-neon și aplicațiile lor, Editura Științifică și Enciclopedică, București, 1987.
DECLARAȚIE DE AUTENTICITATE
Subsemnatul Anghel Gheorghe, profesor de fizică la școala Gimnazială M ătăsaru, declar pe propria răspundere că lucrarea metodico-științifică pentru obținerea gradului didactic I, cu tema „Interacția radiației laser cu metalele‟ a fost elaborată personal și îmi aparține în întregime, folosind ca surse de informare doar cele care au fost menționate în bibliografie. De asemenea nu au fost preluate texte, date sau elemente de grafică din alte lucrări științifice sau din alte surse fără a fi citate și fără a fi precizată sursa preluării, inclusiv în cazul în care sursa o reprezintă alte lucrări personale.. Totodată menționez că lucrarea științifică realizată personal nu a fost folosită în alte contexte de examen sau de concurs.
Data, Semnătura,
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Interactia Radiatiei Laser cu Metalele (ID: 159620)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.