Sbírka fyzikálních pokusů

Tepelné účinky laserového svazku

Pokus číslo: 1720

• Cíl pokusu

  Cílem experimentu je ukázat, že také viditelná komponenta elektromagnetického záření je nositelem energie, jejíž absorpce způsobuje zahřívání předmětů.

• Teorie

  Když se ve školním prostředí hovoří o tepelné výměně zářením, velmi často je řeč o záření infračerveném – setkáváme se s tvrzeními, že my jako lidé nejvíce vyzařujeme na vlnových délkách okolo 10 µm, a stejně tak předměty pokojové teploty kolem nás. To, že rozmezí vlnových délek 8 µm až 15 µm je někdy přímo označováno jako tepelné záření (viz např. anglická Wikipedie), pak může vést k dojmu, že když se nějaký předmět zářením zahřívá, nutně musí být příčinou právě infračervené záření těchto vlnových délek – realita je ale poněkud jiná. Pro libovolné těleso, které budeme pro jednoduchost považovat za těleso absolutně černé (více o absolutně černém tělese lze najít například v Encyklopedii fyziky), platí tzv. Wienův posunovací zákon ve tvaru:

  \[\lambda_\mathrm{max}T\,=\,b\tag{1}\]

  kde konstanta \(b\) má hodnotu \(b\,=\,2{,}9{\cdot}10^{-3}\,\mathrm{mK}\) a \(\lambda_\mathrm{max}\) je vlnová délka, na které těleso o povrchové teplotě \(T\) vyzařuje nejintenzivněji. Podle tohoto zákona (který vychází z obecnějšího zákona Planckova) skutečně tělesa o pokojové teplotě nejvíce vyzařují na vlnových délkách kolem 10 µm, ale například Slunce s povrchovou teplotou téměř 5800 K má maximum svého vyzařování posunuté na přibližně 500 nm; velkou část své energie tedy vyzáří právě ve viditelné oblasti ve formě světla. Slunce nás tedy zahřívá nejen svým infračerveným, ale také viditelným zářením.

  V tomto experimentu se využívá laserové diody (kterou známe spíše jako laserové ukazovátko), jejíž záření má zcela jinou povahu, než výše uvedené záření emitované osobami či Sluncem. Záření v laserových diodách vzniká díky přeskokům elektronů v PN přechodech použitých polovodičů a je emitováno ve velmi úzkém rozmezí vlnových délek; vlastní „planckovské“ záření diody související s její teplotou podle vztahu (1) je oproti tomu zcela zanedbatelné. Námi používaný laser emituje záření na vlnové délce 532 nm, což odpovídá zelené barvě; v experimentu ukážeme, že i toto viditelné záření má značné tepelné účinky.

• Pomůcky

  Termovizní kamera, černá polystyrenová destička, laserové ukazovátko s držákem, který ho zafixuje ve vodorovné poloze.

  Použité laserové ukazovátko má jmenovitý výkon do 5 mW a pracuje na vlnové délce 532 nm (zelená barva); jeho konstrukci a vlastnosti detailněji popisuje část Tepelné účinky laserového svazku, Konstrukce zeleného laserového ukazovátka. Vzorové použitá černá polystyrenová destička se používá jako podložka pro balené plátkové sýry.

• Postup

  1. Zapneme termovizní kameru a nastavíme ji na režim maximálních hodnot, který je schopen vyhledat a změřit teplotu nejteplejšího místa ve vybraném bíle orámovaném čtverci.

  2. Zafixujeme laserové ukazovátko vůči černé destičce tak, aby stopa mířila stále do jednoho místa (viz obr. 1). Je výhodné, pokud současně můžeme zařídit, aby ukazovátko svítilo nepřerušovaně (například přelepením izolepy přes zapínací tlačítko).

  

  3. Termovizní kamerou sledujeme osvětlené místo. V řádu několika sekund až desítek sekund může teplota lokálně vystoupat až na 100 °C.

• Vzorový výsledek

  Úspěšné provedení pokusu ilustruje v reálném čase video níže.

  Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 25 °C až 31 °C, emisivita ε = 0,95.

• Technické poznámky

  • Při měření je samozřejmě možné použít také destičku z jiného izolujícího materiálu, než je polystyren; obecně lze doporučit plastové předměty s černě zbarveným matným povrchem.

  • Je třeba počítat s tím, že vlivem vysoké teploty se může plast lokálně zdeformovat – natavit, zohýbat apod.

  • Nedoporučujeme používat tento experiment k jakýmkoli kvantitativním měřením – výkon laseru v čase kolísá a postupně se snižuje s krátící se životností používaných baterií.

  • Bezpečnostní upozornění: Dbejte zásad bezpečné práce se zdrojem laserového záření!

• Metodické poznámky

  • Představa, že laserový svazek má měřitelné tepelné účinky, je studentům vlastní – zčásti i díky vlivu vědeckofantastických filmů a knih. Když si ale zkusíme stejným laserovým ukazovátkem, se kterým jsme prováděli experiment, posvítit například na ruku, žádné zvýšení teploty necítíme – a to přesto, že plast se zahříval k teplotě 100 °C. Přirozenou otázkou na studenty tedy je, jak by tento rozpor vysvětlili. Rozřešení se skrývá v rozdílné tepelné vodivosti plastu a kůže – zatímco v případě plastu, výborného izolantu, se veškerá dopadající energie koncentruje do velmi malé plochy, lidská kůže rozvádí dodání teplo po svém povrchu a k výraznějšímu lokálnímu prohřátí tedy nedochází. Chceme-li tuto skutečnost demonstrovat, můžeme ve výše uvedeném experimentu na chvíli nahradit plast matnou kovovou destičkou černé barvy – ani zde žádné lokální prohřátí nezpozorujeme.

  • Pokud máme k dispozici spektrometr, můžeme studenty přímo přesvědčit o tom, že zelené laserové ukazovátko vyzařuje dominantně na jedné vlnové délce, tedy že za tepelnou emisi je zodpovědná právě ona. Spektrum použitého laseru je znázorněno na obr. 2.

    

    Kromě zmíněných 532 nm je ještě patrná jedna spektrální čára v blízké infračervené oblasti, přesněji odpovídající vlnové délce 808 nm; její původ je vysvětlen v části Tepelné účinky laserového svazku, Konstrukce zeleného laserového ukazovátka.

• Konstrukce zeleného laserového ukazovátka

  Zatímco výroba červeného laserového ukazovátka je technicky poměrně jednoduchou záležitostí, protože není problémem přímo zkonstruovat diodu s požadovanou vlnovou délkou, konstrukce zeleného laseru (typická vlnová délka 532 nm) je podstatně náročnější. Zelené světlo se získává nepřímým procesem, na jehož počátku je infračervená laserová dioda z aluminium gallium arsenidu emitující na vlnové délce 808 nm. Pomocí krystalu Nd:YVO₄ je toto záření převedeno na vzdálenější infračervenou délku 1064 nm a zdvojením frekvence tohoto záření dostáváme výsledné zelené světlo o vlnové délce 532 nm.

  Protože vlnová délka 808 nm nemusí být od výsledného laserového svazku dokonale odfiltrována, najdeme ji i ve spektru zeleného laseru na obr. 2.

  Technologie celého procesu je podrobněji popsána například na anglické Wikipedii.

• Základy práce s termovizní kamerou - odkaz na PDF

  Tento experiment využívá termografické měření. Dokument Experimentujeme s termovizní kamerou shrnuje teorii termografie a základní doporučení a postupy, které mohou napomoci k přesnějším a nezkresleným výsledkům měření.

• Alternativní provedení experimentu bez termovizní kamery

  Uvedený experiment lze provést také bez termovizní kamery, a to s využitím bodového teploměru; ve vzorovém pokusu bylo využito bodové teplotní čidlo Vernier STS-BTA. Laserovým svazkem svítíme na měřicí prvek čidla (obr. 3) a pozorujeme nárůst měřené teploty.