Спектр излучения гелий неонового лазера. Лекция тринадцатая

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра физического воспитания и спорта

КУРС ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЕ

Курс лекций по физической культуре: Учебное пособие/ О.Л. Трещева,

А. И. Муллер, Е. Б. Штучная, Е. Н. Мироненко; под ред. О.Л. Трещевой; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. с.

Рассмотрены основные понятия, средства, формы и методы физической культуры и спорта. Материал изложен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта.

Пособие предназначено для подготовки студентов к теоретическому экзамену по физической культуре и спорту.

Библиогр.: 34 назв. Табл. 10 Рис. 3

Рецензенты: доктор пед. наук, профессор А. Г. Карпеев,

Введение

1. Физическая культура в общественной и профессиональной подготовке студентов

2. Основы здорового образа жизни. Физическая культура в обеспечении здоровья

2.3. Условия и образ жизни

3. Основы методики самостоятельных занятий физическими упражнениями. Самоконтроль при занятиях физической культурой и спортом

3.1. Мотивация и целенаправленность самостоятельных занятий

3.2. Формы и содержание самостоятельных занятий

3.3. Особенности самостоятельных занятий для женщин

3.4. Управление самостоятельными занятиями

3.5. Пульсовой режим рациональной тренировочной нагрузки для лиц студенческого возраста

3.6. Энергозатраты при физической нагрузке разной интенсивности

3.7. Гигиена самостоятельных занятий

3.8. Профилактика травматизма

3.9. Самоконтроль при занятиях физической культурой и спортом

4. Социально-биологические основы физической культуры

4.1. Основные понятия

4.2. Организм человека как биосистема

4.3. Кровеносная система

4.4. Нервная система

4.5. Эндокринная система

4.6.Функции дыхания

5. Психофизиологические основы учебного труда и интеллектуальной деятельности. Средства физической культуры в регулировании работоспособности

5.1. Основные понятия

5.2. Особенности учебного труда студентов

5.3. Формирование профессионально важных качеств средствами физической культуры, спорта и туризма

5.4. Особенности интеллектуальной деятельности студентов

6. Общая физическая подготовка в системе физического воспитания

Воспитание физических качеств

Значение мышечной релаксации

6.1. Формирование психических качеств, черт и свойств личности

в процессе физического воспитания

6.4. Формы занятий физическими упражнениями

6.5. Структура учебно-тренировочного занятия

Примерная программа ОФП

7. Спорт. Индивидуальный выбор видов спорта или систем физических упражнений

7.2. Индивидуальный выбор видов спорта или систем физических упражнений

7.3. Особенности занятий избранным видом спорта или системой физических упражнений

8. Профессионально-прикладная физическая культура

8.1. Общая характеристика ППФП

8.2. Назначение и задачи профессионально-прикладной физической подготовки

8.3. Средства профессионально-прикладной физической подготовки, основы методики и формы занятий

8.4. Применение ППФП для конкретного вида деятельности

8.6. Возможности развития

Библиографический список

1. ФИЗИЧЕСКАЯ КУЛЬТУРА В ОБЩЕСТВЕННОЙ И ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКЕ СТУДЕНТОВ

П лан:

1.1. Основные понятия физической культуры и спорта

1.2. История развития физической культуры

1.3. Физическая культура студентов

1.4. Ценности физической культуры и спорта

1. 1. Основные понятия теории и методики физической культуры

В теории физической культуры используются такие понятия, как «физическая культура», «спорт», «неспециальное физкультурное образование», «физическая рекреация», «двигательная реабилитация», «физическое развитие», «физическое воспитание», «физическая подготовка», «физическое упражнение» и многие другие. Эти понятия носят наиболее общий характер, а конкретные термины и понятия, так или иначе вытекают из определений более общих категорий.

Главным и наиболее общим из них является понятие «физическая культура». Как вид культуры она в общесоциальном плане представляет собой обширнейшую область творческой деятельности как научной, так и практической, а также результаты этой деятельности по созданию физической готовности людей к жизни. В личностном плане она является мерой и способом всестороннего физического развития человека.

В том и другом случае физическая культура имеет решающее значение не сама по себе как область деятельности, а ее качественные результаты, степень эффективности, ценности, полезности для человека и общества. В более широком плане результативность этой деятельности может проявляться в состоянии физкультурной работы в стране, в ее материально-технической, теоретико-методической и организационной обеспеченности в конкретных показателях физического развития членов общества.

ФИЗИЧЕСКАЯ КУЛЬТУРА - это вид культуры, который представляет собой спе-цифический процесс и результат человеческой деятельности, средство и способ физического совершенствования людей для выполнения ими своих социальных обязанностей.

ФИЗИЧЕСКОЕ ВОСПИТАНИЕ - процесс формирования потребности в занятиях физическими упражнениями в интересах всестороннего развития личности, формирования положительного отношения к физической культуре, выработка ценностных ориентации, убеждений, вкусов, привычек, наклонностей.

СПОРТ - вид физической культуры: игровая, соревновательная деятельность и подготовка к ней, основанные на использовании физических упражнений и направленные на достижение наивысших результатов.

Он направлен на раскрытие резервных возможностей и выявление предельных для данного времени уровней функционирования организма человека в процессе двигательной деятельности. Состязательность, специализация, направленность на наивысшие достижения, зрелищность являются специфическими признаками спорта как вида физической культуры.

ФИЗИЧЕСКАЯ РЕКРЕАЦИЯ - вид физической культуры: использование физических упражнений, а также видов спорта в упрощенных формах, для активного отдыха людей, получения удовольствия от этого процесса, развлечения, переключения с одного вида деятельности на другой, отвлечения от обычных видов трудовой, бытовой, спортивной, военной деятельности.

Она составляет основное содержание массовых форм физической культуры, представляет собой рекреативную деятельность.

ДВИГАТЕЛЬНАЯ РЕАБИЛИТАЦИЯ - вид физической культуры: целенаправленный процесс использования физических упражнений для восстановления или компенсации частично или временно утраченных двигательных способностей, лечения травм и их последствий.

Этот процесс осуществляется комплексно, под воздействием специально подобранных физических упражнений, массажа, водных и физиотерапевтических процедур и некоторых других средств. Это - восстановительная деятельность.

ФИЗИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА - вид неспециального физкультурного образования: процесс формирования двигательных навыков и развития физических способностей (качеств), необходимых в конкретной профессиональной или спортивной деятельности (физическая подготовка летчика, монтажника, сталевара и т.п.)

Она может определяться и как вид общей подготовки спортсмена (физическая подготовка спринтера, боксера, борца и т.п.).

ФИЗИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ - процесс изменения форм и функций организма либо под воздействием естественных условий (питания, труда, быта), либо под воздействием целенаправленного использования специальных физических упражнений.

Это также и результат воздействия указанных средств и процессов, который можно измерить в данный конкретный момент (размеры тела и его частей, показатели различных двигательных качеств и способностей, функциональные возможности систем организма).

ФИЗИЧЕСКИЕ УПРАЖНЕНИЯ - движения или действия, используемые для развития физических способностей (качеств), органов и систем, для формирования и совершенствования двигательных навыков.

С одной стороны это средство физического совершенствования, телесного преобразования человека, его биологической, психической, интеллектуальной, эмоциональной и социальной сущности. С другой стороны - это также и метод (способ) физического развития человека. Физические упражнения являются основным, "сквозным" средством всех видов физической культуры неспециального физкультурного образования, спорта, физической рекреации и двигательной реабилитации.

1. 2. История развития физической культуры

Физическое совершенство человека -- это не дар природы, а следствие целенаправленного формирования его.

Н.Г. Чернышевский

Гармоничное сочетание интеллекта, физических и духовных сил высоко ценилось человеком на протяжении его развития и совершенствования. Великие мужи в своих трудах подчеркивали необходимость всестороннего развития молодежи, не выделяя приоритет физического или духовного воспитания, глубоко понимая; насколько переоценка, акцентированное формирование каких-либо качеств приводят к нарушению гармоничного развития личности.

Термин «культура», появившийся в период возникновения человеческого общества, далеко неоднозначен, тесно связан с такими понятиями; как «возделывание», «обработка», «воспитание», «образование», «развитие»; «почитание». Этот термин в современном обществе охватывает широкую сферу преобразовательной деятельности и ее результаты в виде соответствующих ценностей, в частно-сти, «преобразование своей собственной природы».

Физическая культура -- это часть (подсистема) общей культуры человечества, которая представляет собой творческую деятельность по освоению прошлых и созданию новых ценностей преимущественно в сфере развития, оздоровления и воспитания людей.

В целях развития, воспитания и совершенствования человека физическая культура использует возможности индивидуума, естественные силы природы, достижения наук о человеке, конкретные научные результаты и установки медицины, гигиены, анатомии, физиологии, психологии, педагогики, военного дела и др. Физическая культура, органически вплетаясь в профессионально-производственные, экономические, общественные отношения людей, оказывает на них существенное влияние, выполняя гуманистическую и культурно-творческую миссию, что сегодня, в период реформ высшей школы и пересмотра сущности предшествующих концепций, особенно ценностно и значимо.

Академик Н.И. Пономарев, опираясь на результаты исследования обширного материала, пришел к выводу, ставшему основополагающим для истории возникновения и первоначального развития физического воспитания, что «человек стал человеком не только в ходе развития орудий труда, но и в ходе постоянного совершенствования самого, человеческого тела. Организма человека как главной производительной силы». В этом развитии охота, как форма работы, сыграла решающую роль. Именно в этот период человек оценил преимущества новых навыков, жизненно необходимых движений, качеств силы, выносливости, быстроты.

Археология и этнография предоставили возможность проследить за развитием человека, следовательно, и физической культуры, с древнейших времен. Результаты научных исследований позволяют сделать вывод, что из трудовых движений, жизненно необходимых действий физическая культура выделилась в почти самостоятельный вид человеческой деятельности в период от 40 до 25 тысячелетий до н.э. Появление метательного оружия, а в дальней-шем и лука, способствовало необходимости подготавливать добытчиков пищи, воинов, развивать и совершенствовать уже тогда, в каменном веке, появившимися системами физического воспитания, двигательные качества как залог успешной охоты, защиты от врага и т.д.

Представляет интерес и то, что у многих народов появляются традиции и обычаи использования физической культуры, ее воспитывающего компонента в ритуалах посвящении при переходе из одной возрастной группы в другую. Например, юношам не разрешалось жениться, пока не будут выполнены определенные тесты -- испытания, а девушкам -- выходить замуж до тех пор, пока они не докажут приспособленность к самостоятельной жизни.

Так, на одном из островов архипелага Новые Гибриды ежегодно устраивались праздники, кульминацией которых были «прыжки с вышки» на суше (Л. Кун). Участник этого состязания, к щиколоткам которого была привязана закрепленная веревка из лиан, летит вниз головой с высоты 30 м. Когда голова почти касается земли, упругие лианы сокращаются и подбрасывают человека вверх, и он плавно приземляется на ноги. В те далекие времена не прошедшие это испытание не допускались к обряду посвящение, не могли появляться на людях.

Физическая культура первобытного периода, развивая стойкость, твердую волю, физическую подготовку каждого члена племени, воспитывала у соплеменников чувство общности в защите своих интересов.

Особый интерес представляет физическая культура Древней Греции, где «неграмотными считали тех, кто не умел читать, писать и плавать» (Агеевец В.У., 1983), физическое воспитание в древнегреческих государствах Спарте и Афинах, где преподавались гимнастика, фехтование, верховая езда, плавание, бег с 7-летнего возраста, борьба и кулачный бой -- с 15-летнего.

Примером, характеризующим уровень развития физической культуры в этих государствах, являлись организация и проведение Олимпийских игр.

Известные всему миру великие люди древности были и великими спортсменами: философ Платон -- кулачный боец, математик и философ Пифагор -- олимпийский чемпион, Гиппократ -- пловец, борец.

Мифические герои, обладающие сверхъестественными физическими и духовными способностями, были у всех народов: Геракл и Ахиллес -- у греков, Гильгамес -- у вавилонян, Самсон -- у иудеев, Илья Муромец, Добрыня Никитич -- у славян. Люди, возвеличивая их подвиги, победы в состязаниях, борьбе со злом и силами природы, стремились сами быть здоровыми, сильными, умелыми и трудолюбивыми, что, естественно, отражалось и на особенностях воспитания, физического воспитания, культуры физической.

Имеет смысл подчеркнуть значение физической культуры для греков словами великого Аристотеля: «Ничто так не истощает и не разрушает человека, как продолжительное физическое бездействие».

Военно-физическое воспитание характерно для средних веков. Воин-рыцарь должен был овладеть семью рыцарскими доблестями: верховой ездой, фехтованием, стрельбой из лука, плаванием, охотой, игрой в шахматы и уме-нием слагать стихи.

Наибольшего развития в капиталистическом обществе достиг спорт как составная часть физической культуры.

Различные формы физических упражнений были издавна известны русскому народу. Игры, плавание, ходьба на лыжах, борьба, кулачный бой, верховая езда и охота имели повсеместное распространение уже в Древней Руси. Широко применялись и различные игры: в лапту, городки, бабки, чехарду и многие другие.

Физическая культура русского народа отличалась большим своеобразием и самобытностью. В физических упраж-нениях, распространенных среди русских в XIII-XVI вв. был ярко выражен их военный и полувоенный характер. Верховая езда, стрельба из лука, бег с препятствиями были на Руси любимыми народными развлечениями. Массовое распространение имели также кулачные бои, долгое время (вплоть до начала XX в.) игравшие большую роль в качестве одной из основных народных самобытных форм физического воспитания.

Большой популярностью среди русских пользовался бег на лыжах, катание на коньках и салазках и т.д. Одним из самобытных средств физического воспитания была охота, служившая не только промысловым целям, но и для того, чтобы показать свою ловкость и, бесстрашие (например, охота на медведя с рогатиной).

Чрезвычайно своеобразно проводилось на Руси закаливание. Общеизвестен русский обычай сразу после пребывания в жаркой бане обливаться холодной водой или обти-раться снегом. Ценные самобытные виды физических упражнений были распространены и среди других народов, вошедших в состав созданного позже многонационального русского государства.

Появление и укрепление дворянской империи Петра I (XVIII в.) сказалось в известной мере и на государственном влиянии на развитие физической культуры. Это коснулось, прежде всего, боевой подготовки войск, физического воспитания в учебных заведениях и отчасти воспитаний дворянства.

Именно в эпоху реформ Петра I физические упражнения стали впервые применяться в России в системе обучения солдат и офицеров. Одновременно физические упражнения, главным образом фехтование и верховая езда, вводятся как учебная дисциплина в Московской школе математических и навигационных наук (1701 г.), в Морской академии и других учебных заведениях. При Петре I занятия физическими упражнениями вводятся также в гражданских гимназиях, организуются занятия гребным и парусным спортом молодежи. Эти меры явились первыми шагами государства по руководству делом физической культуры.

В дальнейшем физические упражнения все более применяются в учебных заведениях, и особенно в системе воинского воспитания. Большая заслуга в этом принадлежит великому русскому полководцу А.В. Суворову.

Во второй половине XIX в. среди молодежи начинает развиваться современный спорт в форме спортивных кружков и клубов. Появляются первые гимнастические и спортивные общества и клубы. В1897 г. в Петербурге была создана первая футбольная команда, а в 1911 г. организован Всероссийский футбольный союз, объединивший 52 клуба.

В начале XX в. в Петербурге возникли спортивные общества: «Маяк», «Богатырь». Различные спортивные орга-низации и клубы объединяли к 1917 г. довольно большое число спортсменов-любителей. Однако условий для развития массового спорта не было. Поэтому в условиях дореволюционной России отдельным спортсменам удавалось показывать результаты международного класса только благодаря природным данным и настойчивости, с какой они тренировались. Это всем известные -- Поддубный, Заикин, Елисеев и др.

С приходом советской власти, преследуя цель массовой военной подготовки трудящихся и воспитания физически закаленных бойцов армии, в апреле 1918 г. был принят Декрет об организации всеобщего военного обучения (Всеобуча). За короткий срок было построено 2 тыс. спортпло-щадок, В 1918 г. организуется первый в стране ИФК в Москве и Ленинграде. Остро встал вопрос об укреплении в стране государственных форм руководства физкультурной и спортивной работой. 27 июля 1923 г. издается Декрет ВЦИК РСФСР об организации научной, учебной и организационной работы по физическому воспитанию.

Принятое 13 июля 1925 г. постановление ЦК РКП(б) «О задачах партии в области физической культуры» явилось программой развития физкультурного движения в новых условиях социалистического общества. В постановлении были определены сущность физической культуры и ее место в советском государстве, подчеркнуто ее воспитательное значение, указано на необходимость вовлечения в физкультурное движение широких масс рабочих, крестьян, учащейся молодежи.

В честь 10-летия физической культуры в СССР (считая с момента организации Всеобуча) в 1928 г, была проведе-на Всесоюзная спартакиада, привлекшая свыше 7 тыс. участников.

В 1931-1932 гг. вводится разработанный специальной комиссией Всесоюзного совета физической культуры при ЦИК СССР физкультурный комплекс «Готов к труду и обороне СССР». Только за годы существования комплекса его нормы сдали свыше 2,5 млн. человек. В 1939 г. ввели новый усовершенствованный комплекс ГТО и в этом же году учреждается ежегодный праздник -- Всесоюзный день физкультурника. Политика государства была направлена и на развитие массового туризма. Секции туризма, альпинизма -- скалолазания и позже спортивного ориентирования были в послевоенные годы почти в каждом учебном заведении, на предприятиях, заводах. Стала развиваться клубная система. Туристические клубы стали методическими и учебными центрами. При клубах готовились инструктора, тренеры, руководители секций. Следует сказать о том, что первый туристский клуб в СССР был организован в городе Ростове-на-Дону в 1937 г. Это был универсальный клуб, в котором объединились любители всех видов путешествий. Помещение клуба было очень скромным. Он располагался в двух больших задах. Вот как писал о планах работы клуба журнал «На суше и на море»: «Здесь туристы имеют возможность обменяться опытом в работе, обсудить планы своих путешествий, получить консультацию организовать учебу по технике туризма. Несомненно, что форма клубно-туристской работы целиком и полностью оправдает себя.

На стенах комнат размещен методический, консультационный и справочный материал по всем видам самодеятельного туризма. Здесь имеется уголок альпиниста, водника, велосипедиста и пешехода.

Куда можно поехать летом, где и как провести выходной день? На этот вопрос отвечают десятки маршрутных плакатов. При клубе работают секции: пешеходная, водная, велосипедная и альпинистская.

В ближайшее время организуются географический, краеведческий и фотокружки. Клуб провел консультацию, как организовать туристско-экскурсионную работу на предпри-ятии, и лекции с диапозитивами о Казбеке и Эльбрусе.

Намечено организовать вечера встреч туристского актива и провести для фабзавместкомов и добровольных спортивных обществ ряд массовых консультаций по туризму.»

До Великой Отечественной войны Ростовский клуб туристов так и остался единственным в стране. После войны он был организован вновь в октябре 1961 г.

В годы Великой Отечественной войны советские спортсмены внесли свою лепту в победу над врагом. Ряду спортсменов было присвоено звание Героя Советского Союза. Неоценимую помощь Советской Армии оказывали лыжники, пловцы.

В 1957 г. было более 1500 стадионов, свыше 5 тыс. спортплощадок, около 7 тыс. гимнастических залов, открыт стадион им. В.И. Ленина в Лужниках и т.д.

После 1948 г. спортсмены СССР свыше 5 тыс. раз обновляли всесоюзные рекорды в почти тысячу раз -- мировые. Большую роль играли проходившие Спартакиады народов СССР.

С каждым годом расширяются международные связи в спорте. Мы являемся членами Международного Олимпийского комитета (МОК), Международного совета физического воспитания и спорта (СИЕПС), Международной федерации спортивной медицины (ФИМС) и многих других, членами Международной федерации по 63 видам спорта.

Российский студенческий спортивный союз (РССС) был создан в 1993 г. В настоящее время РССС признан как единый орган по руководству студенческим спортом Российской Федерации по высшему образованию. Министерства и ведомства, имеющие в своем ведении высшие учебные заведения, Госкомитет России по физической культуре и туризму, РССС активно сотрудничают с Олимпийским комитетом России, являясь его членом, с правительственными органами, различными молодежными организациями. РССС вступил в Международную федерацию университетского спорта (ФИСУ), принимает активное участие во всех, его мероприятиях.

РССС объединяет спортивные клубы, различные физкультурные организации более 600 высших и 2500 средних специальных учебных заведений страны. В структуре РССС созданы региональные органы руководства студенческим спортом. Для занятий спортом в распоряжение студентов предоставлены спортивные залы, стадионы, плавательные бассейны, лыжные базы, спортивные площад-ки высших и средних учебных заведений. Для организации летнего отдыха в вузах функционируют 290 спортивно-оздоровительных лагерей. Около 10 тыс. специалистов ведут регулярные занятия по физической культуре и спорту со студентами. В высших учебных заведениях России культивируется более 50 видов спорта, наиболее массовыми из них являются баскетбол, легкая атлетика, лыжные гонки, волейбол, футбол, настольный теннис, туризм, шахматы, спортивное ориентирование.

Российским студенческим спортивным союзом ежегодно проводятся национальные и региональные чемпионаты по видам спорта, включенным в программы Всемирных универсиад и чемпионатов мира среди студентов. По многим видам спорта студенты составляют большинство сборных команд России и принимают участие в чемпионатах Европы, мира и Олимпийских играх. РССС является правопреемником упраздненного студенческого ДСО «Буревестник», продолжает его идея и традиции. В ближайшей перспективе намечены проведение зимних и летних Всероссийских универсиад, регулярное издание своего печатного органа, создание фонда развития студенческого спорта, выпуск студенческих спортивных лотерей и другие мероприятия, направленные на реализацию уставных задач.

Повышается роль физического воспитания и высших учебных заведений. Его задачи: воспитание у студентов волевых и физических качеств, сознательности, подготовки к труду и защите Родины; сохранение и укрепление здоровья; профессионально-прикладная физическая подготовка с учетом будущей трудовой деятельности; приобретение студентами необходимых знаний по основам теории, методики и организации физического воспитания и к спортивной тренировки; подготовка к работе в качестве общественных инструкторов и судей по спорту; совершенствование спортивного мастерства студентов. Занятия проводятся на всем протяжении теоретического обучения на всех курсах.

1. 3. Физическая культура студентов

Физическая культура студентов представляет собой неразрывную составную часть высшего гуманитарного образования. Она выступает качественной и результирующей мерой комплексного воздействия различных форм, средств и методов на личность будущего специалиста в процессе формирования его профессиональ-ной компетенции. Материализованным результатом этого процесса является уро-вень индивидуальной физической культуры каждого студента, его духовность, уровень развития профессионально значимых способностей.

Содержание физической культуры студентов, стратегия приоритетных направлений в её развитии подвержены активному влиянию социально-экономических факторов. Государственная политика в области высшего образования определяет социальный заказ на будущего специалиста и степень его физической готовности. Существенным недостатком содержания физической культуры студенческой молодежи 80-х годов является её несомненный консерватизм, унитарность и выраженная деперсонализация (неспособность человека к личностному самовыражению в отношениях с другими людьми). Поэтому, на современном этапе перехода вузов Российской Федерации на многоуровневую систему образования, остро встала проблема поиска новых нетрадиционных подходов, позволяющих повысить её эффективность.

Закон Российской Федерации «Об образовании» предоставляет широкие возможности для переосмысления ценностей физической культуры студентов, в новом спектре осветить её образовательные, воспитательные и оздоровительные функции. Этот закон определяет содержание физической культуры студентов как самостоятельную сферу деятельности в федеральном социокультурном пространстве, выделяя при этом её образовательные приоритеты.

Перед студенческой молодежью сегодня обществом поставлена глобальная социально-экономическая задача по интегрированию отечественного культурного потенциала в мировое сообщество. Однако её реализация по силам только специалистам новой формации, отвечающим по целому комплексу профессиональных и личностных качеств современным требованиям. Помимо глубоких профессиональных знаний по избранной специальности такой специалист должен обладать: высокими физическими кондициями и работоспособностью, личной физической культурой, духовностью, неформальными лидерскими качествами. Он должен не бояться конкуренции, уметь принимать самостоятельные решения, т.е. быть творчески мыслящей, активной и высоконравственной личностью. Наметившаяся сегодня стратегия развития физической культуры студентов, выражаемая в тенденции отхода от унитарной концепции, либерализации и последовательной гуманизации педагогического процесса является гарантом формирования специалиста новой формации.

Структура физической культуры студентов включает три относительно самостоятельных блока: физическое воспитание, студенческий спорт и активный досуг. Для деятельности студентов в сфере физического воспитания приоритетными являются образовательные аспекты.

Целью физического образования является удовлетворение объективной потребности студентов в освоении системы специальных знаний, приобретении профессионально значимых умений и навыков. В соответствии с 12 статьей «Основ законодательства Российской Федерации о физической культуре и спорте» в круг обязанностей специалистов, работающих в сфере студенческой физической культуры входит проведение мероприятий по формированию потребностей студентов в здоровом образе жизни и самосовершенствовании. Гуманистическая направленность педагогического процесса предполагает целенаправленную интеграцию биологических и социальных потребностей, интеллектуальных и нравственных аспектов при реализации генетически обусловленных природных задатков каждого студента на протяжении его обучения в вузе.

Таким образом, создаются объективные предпосылки к преодолению односторонности и фрагментарности подготовки специалистов в вузе, приданию педагогическому процессу комплексного, целостного характера. Объективным критерием эффективности этого концептуального подхода является существенное сокращение сроков социально-психологической адаптации студентов к обучению в вузе, повышение их социальной активности, качественное повышение учебно-познавательной продуктивности, повышение духовности личности каждого студента.

Студенческий спорт представляет собою обобщенную категорию деятельности студентов в форме соревнования и подготовки к нему с целью достижения предельных результатов в избранной спортивной специализации. Это требует от студента проявления максимальных психофизических кондиций, мобилизации его резервных возможностей.

Занятия спортом выступают формой самовыражения и самоутверждения студента, определяя его образ жизни, общекультурные и социально значимые приоритеты. На передний план в спорте выдвигается стремление к успеху, поощряется стремление личности к реализации своих возможностей в рамках определенного спортивного сценария. Результатом сопряженной учебной и спортивной деятель-ности студентов является формирование социально значимых качеств: социальной активности, самостоятельности, уверенности в своих силах, а также честолюбия.

В сфере активного досуга реализуются, главным образом, биологические потребности студентов в двигательной активности, здоровом образе жизни, получении удовольствия от занятий различными формами физической культуры. Высокая вариативность выбора студентами формы активного досуга подвержена сильному влиянию флуктуации культурных и социальных факторов, синергично взаимодей-ствующих с биологическими запросами личности.

Трехкомпонентная структура физической культуры студентов определяет специфику выделения дифференцированных целей и педагогических задач каждого её структурного блока. Тем не менее, это не является существенным препятствием к определению генеральной цели физической культуры студентов: целенаправленного формирования гармонично развитой, высоко духовной и высоконравственной личности, квалифицированного специалиста, овладевшего устойчивыми знаниями и навыками в сфере физической культуры.

Занятия по физическому воспитанию строятся таким образом, чтобы обеспечить максимальный профессионально-прикладной эффект при воспитании предприимчивости, оригинальности мышления, настойчивости, че-столюбия, интуиции, способности идти на риск.

Стратегия приоритетных направлений государственной политики в сфере физкультурного образования студентов, отражающая возрастание количество сверхсложных систем и технологий, информатизацию всех сфер жизни общества, определяет новые требования к творческой подготовке будущего специалиста, его готовность к высокопроизводительному труду. Их реализация связана с раскрытием психофизических возможностей студенческой молодежи, гармоническим развитием ее физических, интеллектуальных и духовных сил путем использования физических упражнений, различных видов двигательной активности, рационального питания, природосообразного режима труда и отдыха. Используемая с этой целью физкультурная деятельность связана с физическим упражнением, сущность которого отражает целенаправленно выполняемые двигательные действия, включающими как моторно-исполнительные (операционные механизмы), так и познавательные, проектно-смысловые и эмоционально-оценочные аспекты. Таким образом, свои развивающие и формирующие функции физическая культура студентов наиболее полно реализует в системе физического воспитания, направленного на решение следующих основных задач:

> всестороннее развитие физических способностей и на этой основе укрепление здоровья и обеспечение высокой работоспособности;

> овладение техникой двигательных действий различных видов спорта;

> овладение специальными знаниями, формирование потребности систематически заниматься физическими упражнениями;

> обеспечение необходимой физической подготовленности в соответ-ствии с требованиями избранной профессии;

> освоение организаторских умений и навыков по проведению само-стоятельных форм занятий физической культурой.

Одной из важнейших задач в преподавании учебной дисциплины «Физическая культура» является внедрение в молодежную среду ценностей физического воспитания, которое рассматривается как базовый фактор физкультурного образования, способствующий общему и профессиональному развитию личности.

1. 4. Ценности физической культуры и спорта

Рассматривая физическую культуру в ценностном аспекте следует вы-делять следующие группы ценностей: интеллектуальные (знания о методах и средствах развития физического потенциала человека), двигательные (луч-шие образцы моторной деятельности, достигаемые в процессе физического воспитания и спортивной подготовке), технологические (комплексы ме-тодических руководств, практических рекомендаций, методики оздоровительной и спортивной тренировки, формы организации физической активности, ее ресурсного обеспечения); интенционные (сформиро-ванность общественного мнения, престижность физической культуры в обществе) и мобилизационные (способность к рациональной организации бюджета времени).

Физическая культура и спорт воспитывают у студентов потребность в организации здорового стиля жизни, что тесно связано с воспитанием их ценностного отношения к предмету путем развития клубной деятельности (объединяющей студентов по интересам), способствуя активизации их творческой деятельности в овладении навыками продуктивной самостоятельной работы. Это предусматривает создание физкультурного пространства (инфраструктуры физической культуры), способствующей объединению студенческого актива, привлечению из студенческой среды волонтеров, участвующих в организации массовых физкультурных мероприятий (спортивных вечеров, массовых соревнований), в целом обеспечивающих усиление роли различных форм студенческого самоуправления, развития демократических основ творческой самореализации студенческой молодежи.

Спорт, создающий ценности спортивной культуры, всегда являлся мощным социальным феноменом и средством успешной социализации. Об этом свидетельствуют и научные данные, и примеры жизненного пути многих выдающихся спортсменов. По данным социологических опросов современной молодежи, спортсменов, становится ясно, что именно спорт оказал значительное влияние на их представление об общественной жизни и мире в целом.

При правильной организации спортивной деятельности она может стать серьезным и действенным средством формирования социальной активности и здорового образа жизни и стиля детей и молодежи. Однако современная система физического воспитания при всем ее зачастую хаотичном многообразии форм не смогла привлечь основную массу детей и молодежи к занятиям различными упражнениями. Это не позволило использовать в качестве основного средства физического воспитания самое главное достижение спортивной культуры.

Taк, из социологических данных известно, что подавляющее большинство школьников и студентов хотели бы заниматься спортом, однако их желание искусственно сдерживается организационно-управленческими и программно-методическими недоработками и недооценкой спорта как эффективного инструмента развития личности подрастающего человека, который вступает в социальную жизнь.

Люди, прошедшие школу спорта, убеждены, что спорт помог им воспитать веру в свои силы и возможности, а также умело ими воспользоваться. Спорт учит идти на разумные жертвы ради достижения цели. Уроки, усвоенные юными спортсменами на спортивном поле, затем, как правило, помогают им в жизни. Многие из спортсменов утверждают, что спорт сделал из них человека, способного быть личностью. Посредством спорта ре-ализуется принцип современной жизни -- «рассчитывать на самого себя». Это означает, что достижение успеха в любом виде деятельности зави-сит, прежде всего, от личных индивидуальных качеств: честолюбия, инициативы, трудолюбия, терпения, волевых качеств и трезвой оценки своих возможностей. Успешно развить эти качества можно, прежде всего, в спортивной деятельности. Однако эффективность социализации личности в спорте во многом зависит от того, какие ценности спортивной культуры осваиваются человеком, как организован процесс спортивного воспитания.

Спорт вырос в социально значимое явление, поскольку его ценностный потенциал обеспечивает прогресс развития и общества, и личности. Рассматривая спорт как часть общей культуры, мы выделяем в структуре его ценностей три важнейших компонента:

Общекультурный;

Социально-психологический;

Специфический.

Общекультурный компонент ценностей спортивной культуры составляют социальные процессы правового, экономического, политического, информационного и образовательного полей социального пространства.

Социально-психологический компонент ценностей спортивной культуры обеспечивается уровнем общественного сознания, общественного мнения, интересов, мотивов, ценностных ориентаций людей, а также уровнем взаимоотношений, которые выстраиваются в сфере спорта («тренер-спортсмен», и «спортсмен - спортивный коллектив» и т.д.).

Специфический компонент ценностного потенциала спортивной культуры выражается в способности спорта удовлетворять потребности человека в физическом совершенствовании, социализации, формировании здоровья, самореализации и повышении социального престижа личности в обществе путем достижения высокого результата, победы, рекорда. Осваивается данная группа ценностей путем спортивного совершенствования и воспитания.

В целом освоение ценностей спортивной культуры возможно только в процессе организации активности человека в сфере спорта.

Однако на сегодняшний день к занятиям спортом привлечено не более 10% населения России. Тем самым не используется в полной мере ценностный потенциал спортивной культуры. В то же время тревожно звучит сигнал педагогов и социологов о демографическом кризисе, отсутствии национальной идеи в российском обществе, духовном и физическом неблагополучии страны. В связи с этими обстоятельствами перед образова-нием ставится задача формирования жизнеспособной личности. Жизнеспособность это стремление человека выжить, не деградируя в ухудшающихся условиях социальной и культурной среды, воспроизвести и воспитать жизнестойкое в биологическом и социальном плане потомство, стать индивидуальностью, сформировать смысложизненные установки, самоутвердиться, найти себя, реализовать свои задатки и творческие возможности, преобразуя при этом среду обитания, делая ее более благополучной для жизни, не деформируя и не уничтожая ее.

Это интегральное качество человека, обладающего совокупностью ценностных ориентаций, личностных установок, разносторонних способностей, базовых знаний, позволяющих ему успешно функционировать и гармонично развиваться в изменяющемся социуме. В личностном контексте жизнеспособность проявляется в высоком уровне социальной активности, направленной, прежде всего, на формирование самого себя в соответствии с заданными целями личностного и профессионального самоопределения.

2. ОСНОВЫ ЗДОРОВОГО ОБРАЗА ЖИЗНИ.

ФИЗИЧЕСКАЯ КУЛЬТУРА В ОБЕСПЕЧЕНИИ ЗДОРОВЬЯ

План :

2.1. Социальные аспекты здоровья и здорового образа жизни

2.2. Факторы, влияющие на здоровье

2.3. Условия и образ жизни

2.4. Организация, содержание и методика физической тренировки в оздоровительной физической культуре

2.4.1. Общие эффекты физической тренировки

2.4.2. Принципы физической тренировки

2.4.3. Место физической культуры в поддержании и укреплении здоровья взрослых

2. 1. Социальные аспекты здоровья и здорового образа жизни

В ряду общечеловеческих ценностей, определяющих социально-экономическую политику государства, несомненен приоритет здоровья. Именно так было, например, в Древней Греции, где культ тела возводился в ранг государственных законов, а в Древней Спарте занятия физическими упражнениями предписывались (и строго контролировались государством) для всех граждан высокий уровень их здоровья остается эталонам для многих десятков и сотен последующих поколений.

Пионер валеологии И.И. Брехман писал: «Именно здоровье людей должно служить главной «визитной карточкой» социально-экономической зрелости, культуры и преуспевания государства». Вот почему все вопросы обеспечения, формирования, сохранения и укрепления здоровья должны красной нитью пронизывать каждый из аспектов деятельности государства. Естественно, что это требует серьезнейшей планирующей, координирующей, регламентирующей и других видов работ, причем важно, чтобы сама эта работа строилась с ориентировкой на будущее.

Здоровье относится к универсальному, имеющему и материальный и духовный аспекты, феномену. Н.А. Добролюбов отмечал, что болезни и патологические расстройства не дают человеку «возможности исполнять своего назначения» и совершать «возвышенную духовную деятельность».

Для государства здоровье или болезнь каждого ее гражданина имеют определенное конкретное материальное выражение. Прежде всего, оно должно выплачивать больному деньги по больничному листу, оплачивать его лечение; кроме того, больной не вырабатывает материальных ценностей (либо за него должны работать другие люди), что сказывается на величине валового национального продукта. С другой стороны, работник, системати-чески занимающийся своим здоровьем, производит продукции значительно больше, чем тот, кто на свое здоровье не обращает внимания.

Право граждан России на здоровье утверждается Конституцией Российской Федерации. К сожалению, это право не находит своего реального подтверждения. Реализация права на здоровье требует разработки специальной комплексной программы поддержания и охраны здоровья, в которой было бы определено место каждого социально-экономического звена: семьи, школы, органов здравоохранения, предприятий, физкультурных организаций, государства и др. Но все это потребовало бы и нового мышления, переосмысления концептуальной модели здоровья с учетом того, что в формировании здоровья населения важное место принадлежит поведенческим факторам: режиму труда и отдыха, взаимоотношениям в семье и на производстве и т.д., а также условиям жизни и образу жизни. Функциональной же структурой понятия «образ жизни» являются такие аспекты, как трудовая, социальная, интеллектуальная (психологическая установка, характер умственной деятельности), физическая и медицинская активность. То есть в проблеме здоровья, прежде всего, выделяются социальные и личностные предпосылки и лишь в последнюю очередь -- медицинские. В этом отношении представляют интерес данные о зависимости отдельных заболеваний и нарушений от различных факторов (таблица 1).

Таблица 1

Распределение факторов риска при различных заболеваниях и нарушениях

Заболевание	Неблагоприятный фактор, в процентах
	Генетические факторы	Внешняя среда	Медицинское обеспечение	Образ жизни
Пневмония
Цирроз печени
Самоубийства
Транспортный травматизм

Нетрудно видеть, что из всех приведенных заболеваний и нарушений (а на...........

Лазеры

Оптическими квантовыми генераторами, или лазерами, называют устройства, создающие когерентные электромагнитные волны в оптическом диапазоне на основе вынужденного излучения. Слово «лазер» образовано из первых букв английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает усиление света вынужденным излучением.

Любой лазер содержит 3 компонента:

1) рабочее тело,

2) система накачки,

3) оптический резонатор. Рассмотрим назначение каждого из них.

1. Рабочее тело – некоторая среда, которая внешним воздействием переводится в активное состояние. В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В качестве активной среды могут применяться все материалы, у которых можно обеспечивать инверсную населенность. (В качестве курьеза следует отметить, что человеческое дыхание, состоящее из двуокиси углерода, азота и водяных паров, является подходящей активной средой для слабого СО 2 -лазера). В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

Активные среды некоторых газовых лазеров составляют на основе эксимеров. Эксимеры – вещества, состоящие из двухатомных молекул и существующие только в электронно-возбужденном состоянии. Переход из возбужденного состояния в невозбужденное (снятие возбуждения) сопровождается лазерным излучением. (Наименование данного лазера происходит от двух слов Excited dimer – возбужденный димер).

2. Система накачки – устройство для приведения рабочего тела в активное состояние (создание инверсной населенности). Накачка может быть непрерывной или импульсной. Используют следующие методы накачки

«Оптическая» накачка – возбуждение интенсивным светом. Для этого используются очень интенсивные лампы-вспышки, непрерывно излучающие лампы высокого давления, а также другие лазеры.

Возбуждение газовой среды электрическим разрядом. Ионы и электроны, которые в небольшом количестве всегда присутствуют в газе, ускоряются сильным электрическим полем. Быстрые электроны сталкиваются с атомами и передают им свою кинетическую энергию. Эта энергия и используется для заселения верхнего энергетического уровня.

Иногда используется электрический ток (полупроводниковые лазеры) или химические реакции (химические лазеры).

3. Оптический резонатор – это устройство, обеспечивающее положительную обратную связь и формирующее когерентный луч с очень малой степенью расходимости. В простейшем случае оптический резонатор представляет собой два плоскопараллельных зеркала (обращенными друг к другу) установленные на одной оси, между которыми помещается рабочее тело. Одно из зеркал полупрозрачно. Ось резонатора указывает направление формирования луча.

Процесс генерации излучения. Рассмотрим, как происходит процесс генерации. Система накачки создает в рабочем теле инверсную населенность. После этого начинается процесс спонтанного возвращения частиц в невозбужденное состояние. При этом частицы испускают фотоны. Те из них, которые испущены под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Те фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. За счет этого возрастает число их взаимодействий с возбужденными атомами и происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического, когерентного света. Эффективность такого преобразования, то есть КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПДсоставляет 0,1-1 %.

Рубиновый лазер. Рассмотрим создание инверсной населенности на примере трехуровневой системы, используемой в рубиновых лазерах.

Рубин – это кристаллическая окись алюминия AI 2 O 3 , являющаяся прозрачным и бесцветным веществом. В это вещество (в матрицу) внедрены атомы хрома в количестве около 0,05 %. Именно хром придает рубину розовый цвет и именно он обеспечивает лазерную генерацию.

Из всего множества энергетических уровней атома хрома в (в рубиновом лазере используются три: основной, первый (метастабильный с время жизни около 3 мс) и второй уровень с малым временем жизни (рис.).

Для создания инверсной населенности рубин облучают мощным импульсом света. При этом поглощаются фотоны с частотой n 02 , соответствующей переходу частиц – атомов хрома – между уровнями 0 и 2. Фотоны внешнего облучения с частотой n 02 не могут создать инверсную населенность между уровнями 2 и 0, так как при выравнивании их населенностей вероятность поглощения фотона сравняется с вероятностью его вынужденного испускания. Для создания инверсной населенности используют метастабильный уровень 1. Попавшие на уровень 2 частицы быстро, спонтанно и безызлучательно переходят на метастабильный уровень 1.

Фотоны внешнего облучения n 02 не могут вызвать индуцированное излучение с уровня 1, так как для этого требуются фотоны с другой частотой (n 01)- Поэтому на уровне 1 постепенно накапливаются частицы и в конце концов их количество превысит количество частиц на нулевом уровне. Таким образом, между уровнями 0 и 1 будет создана инверсная населенность. В обычных условиях переход с уровня 1 на уровень 0 происходит спонтанно и сопровождается излучением с длиной волны 694,3 нм.

Гелий-неоновый лазер. Широкое распространение в реабилитационной медицине получил гелий-неоновый лазер. В нем используется четырехуровневая система создания инверсной населенности. Активной средой в данном случае является смесь газов гелия и неона в соотношении 10:1, содержащаяся в стеклянной трубке под низким давлением. Парциальные давления гелия и неона равны, соответственно, 1 мм рт. ст. и 0,1 мм рт. ст. Собственно лазерный переход происходит в неоне, то есть атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия – вспомогательными, необходимыми для создания инверсной населенности атомов неона. На рис. показаны энергетические уровни атомов гелия и неона.

Подача энергии при возбуждении (накачка) осуществляется через электрический разряд. При электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня 0 на возбужденный уровень 2. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало, и атомы переходят на уровни 1 или 0. Для создания инверсной населенности атомов неона, то есть для увеличения населенности уровня 2 и уменьшения населенности уровня 1, используют вспомогательные атомы гелия.

Первый возбужденный уровень атома гелия совпадает с уровнем 2 для атома неона. Поэтому при соударении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходят передача энергии последним и перевод их в возбужденное состояние 2. Таким образом, атомы гелия способствуют увеличению населенности уровня 2 атомов неона. Разгрузке уровня 1 у атомов неона способствуют их столкновения со стенками трубки, в результате которых они отдают энергию и переходят с уровня 1 на уровень 0. Наиболее эффективно этот механизм разгрузки действует при диаметре трубки около 7 мм. В трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной населенностью уровней 2 и 1. Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 2 на уровень 1 вызывает появление фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденным атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры с длиной волны 632,8 нм, мощностью 100 мВт.

Гелий-неоновый лазер - наряду с диодным или полупроводниковым - относится к числу наиболее часто используемых и самых приемлемых по цене лазеров для видимой области спектра. Мощность лазерных систем такого рода, предназначенных, в основном, для коммерческих целей, находится в диапазоне от 1 мВт до нескольких десятков мВт. Особенно популярны не столь мощные He-Ne-лазеры порядка 1 мВт, которые используют, главным образом, в качестве котировочных устройств, а также для решения иных задач в сфере измерительной техники. В инфракрасном и красном диапазонах гелий-неоновый лазер все чаще вытесняется диодным лазером. He-Ne-лазеры способны, наряду с красными линиями, излучать также оранжевые, желтые и зеленые, что достигается благодаря соответствующим селективным зеркалам.

Схема энергетических уровней

Важнейшие для функции He-Ne-лазеров энергетические уровни гелия и неона представлены на рис. 1. Лазерные переходы осуществляются в атоме неона, причем самые интенсивные линии получаются в результате переходов с длиной волн 633, 1153 и 3391 (см. таблицу 1).

Электронная конфигурация неона в основном состоянии выглядит так: 1s22s22p6 причем первая оболочка (n = 1) и вторая оболочка (n = 2) заполнены соответственно двумя и восемью электронами. Более высокие состояния по рис. 1 возникают в результате того, что здесь имеется 1s22s22p5-оболочка, и светящийся (оптический) электрон возбуждается согласно схеме: 3s, 4s, 5s,..., Зр, 4р,... и т.д. Речь идет, следовательно, об одноэлектронном состоянии, осуществляющим связь с оболочкой. В схеме LS (Рассела - Саундерса) для энергетических уровней неона указано одно-электронное состояние (например, 5s), а также результирующий полный орбитальный момент L (= S, Р, Д...). В обозначениях S, Р, D,... нижний индекс показывает полный орбитальный момент J, а верхний - мультиплетность 2S + 1, например, 5s1P1. Нередко используется чисто феноменологическое обозначение по Пашену (рис. 1). При этом счет подуровней возбужденных электронных состояний ведется от 2 до 5 (для s-состояний) и от 1 до 10 (для p-состояний).

Рис. 1. Схема энергетических уровней He-Ne-лазера. У неона уровни обозначены по Пашену, то есть: 3s2, 3s3, 3s4, 3s5 и т.д.

Таблица 1. Обозначения переходов интенсивных линий He-Ne-лазера

Возбуждение

Активная среда гелий-неонового лазера представляет собой газовую смесь, к которой в электрическом разряде подается необходимая энергия. Верхние лазерные уровни (2s и 2р по Пашену) избирательно заселяются на основе столкновений с метастабильными атомами гелия (23S1, 21S0). При этих столкновениях происходит не только обмен кинетической энергией, но и передача энергии возбужденных атомов гелия атомам неона. Этот процесс называют столкновением второго рода:

Не* + Ne -> Не + Ne* + ΔЕ, (1)

где звездочка (*) символизирует именно возбужденное состояние. Разность энергий составляет в случае возбуждения 2s-уровня: &DeltaE=0,05 эВ. При столкновении имеющаяся разность преобразуется в кинетическую энергию, которая затем распределяется в виде тепла. Для 3s-уровня имеют место идентичные отношения. Такая резонансная передача энергии от гелия к неону и есть основной процесс накачки при создании инверсии населенностей. При этом долгое время жизни метастабильного состояния Не благоприятно сказывается на селективности заселения верхнего лазерного уровня.

Возбуждение He-атомов происходит на основе соударения электронов - либо непосредственно, либо через дополнительные каскадные переходы из вышележащих уровней. Благодаря долгоживущим метастабильным состояниям плотность атомов гелия в этих состояниях весьма велика. Верхние лазерные уровни 2s и 3s могут - с учетом правил отбора для электрических доплеровских переходов - переходить только в нижележащие р-уровни. Для успешного генерирования лазерного излучения крайне важно, что время жизни s-состояний (верхний лазерный уровень) = примерно 100 нc, превышает время жизни р-состояний (нижний лазерный уровень) = 10 нc.

Длины волн

Далее мы более детально рассмотрим важнейшие лазерные переходы, используя рис. 1 и данные из таблицы 1. Самая известная линия в красной области спектра (0,63 мкм) возникает вследствие перехода 3s2 → 2р4. Нижний уровень расщепляется в результате спонтанного излучения в течение 10 нс в 1s-уровень (рис. 1). Последний устойчив к расщеплению благодаря электрическому дипольному излучению, так что для него характерна долгая естественная жизнь. Поэтому атомы концентрируются в данном состоянии, которое оказывается высоконаселенным. В газовом разряде атомы в таком состоянии сталкиваются с электронами, и тогда вновь происходит возбуждение 2р- и 3s-уровней. При этом уменьшается инверсия населенностей, что ограничивает мощность лазера. Опустошение ls-состояния осуществляется в гелий-неоновых лазерах преимущественно из-за столкновений со стенкой газоразрядной трубки, в связи с чем при увеличении диаметра трубки отмечается снижение усиления и понижение кпд. Поэтому на практике диаметр ограничивается примерно 1 мм, что, в свою очередь, приводит к ограничению выходной мощности He-Ne-лазеров несколькими десятками мВт.

Участвующие в лазерном переходе электронные конфигурации 2s, 3s, 2р и Зр расщепляются в многочисленные подуровни. Это приводит, например, к дальнейшим переходам в видимой области спектра, как видно из таблицы 2. При всех видимых линиях He-Ne-лазера квантовая эффективность составляет порядка 10 %, что не так уж много. Схема уровней (рис. 1) показывает, что верхние лазерные уровни располагаются примерно на 20 эВ выше основного состояния. Энергия же красного лазерного излучения составляет всего 2 эВ.

Таблица 2. Длины волн λ, выходные мощности и ширина линий Δ ƒ He-Ne-лазера (обозначения переходов по Пашену)

Цвет	λ нм	Переход (по Пашену)	Мощность мВт	Δ ƒ МГц	Усиление %/м
Инфракрасный	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
Инфракрасный	1 523	2s2 → 2p1	1	625
Инфракрасный	1 153	2s2 → 2p4	1	825
Красный	640	3s2 → 2p2
Красный	635	3s2 → 2p3
Красный	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
Красный	629	3s2 → 2p5
Оранжевый	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
Оранжевый	604	3s2 → 2p7
Желтый	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
Желтый	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

Излучение в инфракрасном диапазоне около 1,157 мкм возникает посредством переходов 2s → 2р. То же самое относится к несколько более слабой линии примерно 1,512 мкм. Обе эти инфракрасных линии находят применение в лазерах коммерческого назначения.

Характерной особенностью линии в ИК-диапазоне при 3,391 мкм является высокое усиление. В зоне слабых сигналов, то есть при однократном прохождении слабых световых сигналов, оно составляет порядка 20 дБ/м. Это соответствует коэффициенту 100 для лазера длиной в 1 метр. Верхний лазерный уровень такой же, как и при известном красном переходе (0,63 мкм). Высокое усиление, с одной стороны, вызвано крайне коротким временем жизни на нижнем 3p-уровне. С другой стороны, это объясняется относительно большой длиной волны и, соответственно, низкой частотой излучения. Обычно соотношение вынужденного и спонтанного излучений увеличивается для низких частот ƒ. Усиление слабых сигналов g, как правило, пропорционально g ~ƒ2.

Без селективных элементов излучение гелий-неонового лазера происходило бы на линии 3,39 мкм, а не в красной области при 0,63 мкм. Возбуждению инфракрасной линии препятствует либо селективное зеркало резонатора, либо поглощение в брюстеровских окнах газоразрядной трубки. Благодаря этому порог генерации лазера может повыситься до уровня, достаточного для излучения 3,39 мкм, так что здесь появляется только более слабая красная линия.

Конструктивное исполнение

Необходимые для возбуждения электроны образуются в газовом разряде (рис.2), который может использоваться с напряжением около 12 кВ при токах от 5 до 10 мА. Типичная длина разряда равна 10см или более, диаметр разрядных капилляров составляет порядка 1 мм и соответствует диаметру излученного лазерного пучка. При увеличении диаметра газоразрядной трубки коэффициент полезного действия понижается, так как для опустошения ls-уровня требуются столкновения со стенкой трубки. Для оптимальной выходной мощности используется полное давление (р) заполнения: р·D = 500 Па·мм, где D есть диаметр трубки. Соотношение в смеси He/Ne зависит от желаемой линии лазерного излучения. Для известной красной линии имеем Не: Ne = 5:l, а для инфракрасной линии около 1,15 мкм - He:Ne=10:l. Важным аспектом представляется также оптимизация плотности тока. Коэффициент полезного действия для линии 633 нм составляет около 0,1 %, поскольку процесс возбуждения в данном случае не слишком эффективен. Срок службы гелий-неонового лазера составляет порядка 20 000 рабочих часов.

Рис. 2. Конструктивное исполнение He-Ne-лазера для поляризованного излучения в мВт-диапазоне

Усиление при таких условиях находится на уровне g=0,1 м-1, так что необходимо использовать зеркала с высокой отражательной способностью. Для выхода лазерного пучка только с одной стороны там устанавливают частично пропускающее (полупрозрачное) зеркало (например, с R = 98 %), а на другой стороне - зеркало с максимально высокой отражательной способностью (~ 100 %). Усиление для других видимых переходов значительно меньше (см. таблицу 2). Для коммерческих целей эти линии удалось получить только в последние годы с помощью зеркал, отличающихся чрезвычайно малыми потерями.

Ранее у гелий-неонового лазера выходные окна газоразрядной трубки фиксировались эпоксидной смолой, а зеркала монтировались снаружи. Это приводило к тому, что гелий диффундировал через клей, и в лазер попадал водяной пар. Сегодня эти окна крепятся методом прямого спая металла со стеклом, что дает снижение утечки гелия примерно до 1 Па в год. В случае небольших лазеров массового производства зеркальное покрытие наносится непосредственно на выходные окна, что значительно упрощает всю конструкцию.

Свойства пучка

Для выбора направления поляризации газоразрядная лампа снабжается двумя наклонно расположенными окнами или, как показано на рис. 2, в резонатор вставляется брюстеровская пластина. Отражательная способность на оптической поверхности обращается в нуль, если свет падает под так называемым углом Брюстера и поляризован параллельно плоскости падения. Таким образом, излучение с таким направлением поляризации без потерь проходит через брюстеровское окно. В то же время отражательная способность компоненты, поляризованной перпендикулярно плоскости падения, достаточно высока и подавляется в лазере.

Коэффициент (степень) поляризации (отношение мощности в направлении поляризации к мощности перпендикулярно этому направлению) составляет у обычных коммерческих систем 1000:1. При работе лазера без брюстеровских пластин с внутренними зеркалами генерируется неполяризованное излучение.

Лазер генерирует обычно на поперечной ТЕМ00-моде (моде низшего порядка), причем образуется сразу несколько продольных (аксиальных) мод. При расстоянии между зеркалами (длине резонатора лазера) L = 30 см межмодовый частотный интервал составляет Δ ƒ` = c/2L = 500 МГц. Центральная частота находится на уровне 4,7·1014 Гц. Поскольку усиление света может произойти в пределах диапазона Δ ƒ = 1500 МГц (доплеровская ширина), при L = 30CM излучается три разных частоты: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. При использовании меньшего расстояния между зеркалами (<= 10см) может быть получена одночастотная генерация. При короткой длине мощность будет весьма незначительной. Если требуется одночастотная генерация и более высокая мощность, можно использовать лазер большей длины и с оснащением частотно-селективными элементами.

Гелий-неоновые лазеры около 10 мВт часто находят применение в интерферометрии или голографии. Длина когерентности подобных лазеров серийного производства составляет от 20 до 30см, что вполне достаточно для голографии небольших объектов. Более значительные длины когерентности получаются при использовании серийных частотно-селективных элементов.

При изменении оптического расстояния между зеркалами в результате теплового или иного воздействия происходит сдвиг аксиальных собственных частот резонатора лазера. При одночастотной генерации здесь не получается стабильной частоты излучения - она бесконтрольно перемещается в диапазоне ширины линии 1500 МГц. Путем дополнительного электронного регулирования может быть достигнута стабилизация частоты как раз по центру линии (у коммерческих систем возможна стабильность частоты в несколько МГц). В исследовательских лабораториях удается иногда стабилизировать гелий-неоновый лазер на диапазон менее 1 Гц.

Путем использования подходящих зеркал разные линии из таблицы 4.2 могут возбуждаться для генерации лазерного излучения. Чаще всего находит применение видимая линия около 633 нм с типовыми мощностями в несколько милливатт. После подавления интенсивной лазерной линии порядка 633 нм благодаря использованию селективных зеркал или призм в резонаторе могут появиться другие линии в видимом диапазоне (см. таблицу 2). Однако выходные мощности этих линий составляют всего 10 % от выходной мощности интенсивной линии или даже меньше.

Гелий-неоновые лазеры коммерческого назначения предлагаются с разными длинами волн. Помимо них имеются еще лазеры, генерирующие на многих линиях и способные излучать волны множества длин в самых разных комбинациях. В случае перестраиваемых He-Ne-лазеров предлагается, поворачивая призму, выбрать требуемую длину волны.

Особенности газообразной активной среды. Основные методы возбуждения. Электрический разряд, газодинамика, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка. Резонансная передача энергии возбуждения при столкновениях. Гелий-неоновый лазер. Схема уровней. Передача энергии возбуждения. Конкуренция линий излучения на волнах 3,39 и 0,63 мкм. Параметры разряда, параметры лазера.

Рассмотрение методов создания инверсии мы будем проводить на примерах лазеров, представляющих наибольший интерес.

Начнем с газовых лазеров. Газообразность их активной среды приводит к ряду замечательных следствий. Прежде всего, только газовые среды могут быть прозрачными в широком спектральном интервале от вакуумной УФ области спектра до волн далекого ИК, по существу СВЧ, диапазона. В результате газовые лазеры работают в громадном диапазоне длин волн, соответствующем изменению частоты более чем на три порядка.

Далее. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. Это позволяет легче достигать дифракционного предела расходимости лазерного излучения.

При малой плотности для газов характерно доплеровское уширение спектральных линий, величина которого мала по сравнению с шириной линии люминесценции в конденсированных средах. Это позволяет легче достигать высокой монохроматичности излучения газовых лазеров. В результате в излучении газовых лазеров наиболее отчетливо проявляются характерные свойства лазерного излучения - высокая монохроматичность и направленность.

Составляющие газ частицы взаимодействуют друг с другом в процессе газокинетических столкновений. Это взаимодействие относительно слабо; поэтому оно практически не влияет на расположение урдвней энергии частиц и выражается только в уширении соответствующих спектральных линий. При низких давлениях столкновительное уширение мало и не превышает доплеровскую

ширину. Вместе с тем увеличение давления приводит к росту столкновительной ширины (см. лекцию вторую), и мы получаем возможность управлять шириной линии усиления активной среды лазера, существующую только в случае газовых лазеров.

Как мы знаем, для выполнения условий самовозбуждения усиление в активной среде за один проход резонатора лазера должно превышать потери. В газах отсутствие нерезонансных потерь энергии непосредственно в активной среде облегчает выполнение этого условия. Технически трудно изготовить зеркала с потерями, заметно меньшими 1%. Следовательно, усиление за один проход должно превышать 1%. Относительная легкость выполнения такого требования в газах, например путем увеличения длины активной среды, объясняет наличие большого количества газовых лазеров в широком диапазоне длин волн. Вместе с тем малая плотность газов препятствует получению такой высокой плотности возбужденных частиц, которая характерна для твердых тел. Поэтому удельный энергосъем у газовых лазеров существенно ниже, чем у лазеров на конденсированных средах.

Специфика газов проявляется и в многообразии различных физических процессов, применяемых для создания инверсии населенностей. К их числу относятся возбуждение при столкновениях в электрическом разряде, возбуждение в газодинамических процессах, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка (главным образом лазерным излучением), электронно-лучевое возбуждение.

В подавляющем большинстве газовых лазеров инверсия населенностей создается в электрическом разряде. Такие газовые лазеры называются газоразрядными. Газоразрядный метод создания активной среды является наиболее общим методом получения инверсии в газовых лазерах, так как электроны разряда легко возбуждают частицы газа, переводя их в процессах неупругих столкновений на более высокие уровни энергии. Обычно наблюдаемое свечение газового разряда (газосветные лампы) объясняется спонтанными переходами с этих уровней энергии вниз. Если скорости процессов распада возбужденных состояний благоприятны накоплению частиц на каком-то верхнем уровне энергии и опустошению какого-то нижнего уровня энергии, то между этими уровнями создается инверсия населенностей. Легко возбуждая газ в широком интервале энергий, электроны газового разряда создают инверсию населенностей уровней энергии нейтральных атомов, молекул, ионов.

Газоразрядный метод применим для возбуждения лазеров как непрерывного, так и импульсного режимов работы. Импульсное возбуждение используется большей частью в случае неблагоприятной для непрерывного режима динамики установления населенностей на верхнем и нижнем уровнях энергии, а также для того, чтобы получать высокую мощность излучения, недостижимую в непрерывном режиме.

Электрический разряд в газе может быть самостоятельным и несамостоятельным. В последнем случае проводимость газа обеспечивается внешним ионизующим агентом, а процесс возбуждения осуществляется независимо от условий пробоя газа при оптимальном значении напряженности электрического поля в разрядном промежутке. В газовой среде, ионизованной независимо внешним воздействием, это поле и вызванный им ток определяют энергию возбуждения (энерговклад), вводимую в разряд.

Характерной особенностью газов является возможность создания таких потоков газовых масс, в которых резко меняются термодинамические параметры газа. Так, если предварительно сильно нагретый газ внезапно расширяется, например при протекании со сверхзвуковой скоростью через некоторое сопло, то температура газа резко падает. Этой новой, существенно более низкой температуре соответствует новое равновесное распределение населенностей по уровням энергии частиц газа. При внезапном снижении температуры газа на какое-то время нарушается равновесность этого распределения. Тогда, если релаксация К новому термодинамическому равновесию для нижнего уровня вдет быстрее, чем для верхнего, газодинамическое истечение сопровождается инверсией населенностей, существующей в некоторой протяженной области вниз по течению газа. Размер этой области определяется скоростью газодинамического потока и временем релаксации инверсной населенности в нем.

Таков газодинамический метод получения инверсии, в котором тепловая энергия нагретого газа непосредственно преобразуется в энергию монохроматического электромагнитного излучения. Важной характерной особенностью этого метода является возможность организации газодинамических потоков больших масс активного вещества и тем самым получения высокой выходной мощности (см. формулу (6.57)).

При химическом возбуждении инверсия паселенностей создается в результате химических реакций, при которых образуются возбужденные атомы, молекулы, радикалы. Газовая среда удобна для химического возбуждения тем, что реагенты легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. В газофазных химических реакциях неравновесное распределение химической энергии среди продуктов реакции проявляется наиболее сильно и сохраняется наиболее долго. Химические лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного излучения. Привлечение цепных реакций приводит к тому, что падает относительная доля энергоза-. трат на инициирование реакций, обеспечивающих получение инверсии. В результате потребление электроэнергии во время работы химического лазера может быть очень малым, что также является большим достоинством химического метода создания инверсии. Добавим к этому, что удаление продуктов реакции, т. е. работа в газовом потоке, может обеспечить непрерывный характер

работы химических лазеров. Возможно также сочетание химического и газодинамического методов возбуждения.

К химическим лазерам примыкают лазеры, инверсия населенностей в которых достигается с помощью реакций фотодиссоциации. Как правило, это - быстропротекающие реакции, инициируемые интенсивной импульсной световой вспышкой или взрывом. В результате диссоциации возникают возбужденные атомы или радикалы. Взрывной характер реакции обусловливает импульсный режим работы таких лазеров. В силу того, что при соответствующем инициировании фотодиссоциация может охватывать одновременно большой объем исходного газа, импульсная мощность и энергия излучения при фотодиссоциационном методе создания инверсии могут достигать значительных величин.

Своеобразный характер в случае газовых активных сред приобретает такой общий метод создания инверсии, как оптическая накачка. В силу малой плотности газов их резонансные линии поглощения узки. Поэтому оптическая накачка может быть эффективна, если источник накачки достаточно монохроматичен. Обычно используются лазерные источники. Специфика газов в случае оптической накачки проявляется еще и в том, что в силу их малой плотности глубина проникновения излучения накачки в газ может быть большой и тепловыделение при поглощении излучения - малым. Как правило, резонансная оптическая накачка газовых сред практически не приводит к нарушению их оптической однородности.

При электронно-лучевом возбуждении газовых сред происходит ионизация газа электронами высокой энергии (0,3-3 МэВ). При этом энергия быстрых электронов первичного пучка, общее число которых относительно невелико, каскадным образом преобразуется в энергию большого числа медленных электронов. Возбуждение верхних лазерных уровней осуществляется именно этими электронами низкой энергии (от единиц до десятков электронвольт). Так как длина пробега электронов большой энергии в газах достаточно велика, то электронно-лучевой способ возбуждения очень удобен для создания активной среды больших объемов при больших давлениях газов, причем газов любого состава.

Электронно-лучевое возбуждение является гибким и вместе с тем мощным методом, применимым практически всегда. Большое достоинство этого метода состоит также в возможности его сочетания с другими методами создания активной среды газовых лазеров

Прежде чем перейти к конкретному рассмотрению того, как все эти методы создания инверсии реализуются в тех или иных представляющих наибольший интерес газовых лазерных системах, целесообразно отметить два обстоятельства общего характера.

Во-первых, достижение инверсии в газовой среде сильно облегчается относительной медленностью релаксационных процессов

в газах. Как правило, соответствующие константы скорости хорошо известны или могут быть сравнительно легко изучены экспериментально. В коротковолновой области и для хорошо разрешенных переходов процессом, препятствующим получению и удержанию инверсии, является спонтанный распад верхнего уровня (см. лекцию вторую). Радиационные времена жизни атомов, молекул, ионов также либо хорошо известны, либо могут быть относительно хорошо известны. Значения этих времен, известные для свободных частиц, справедливы для газов.

Во-вторых, для газов характерна передача энергии возбуждения от частиц одного сорта частицам другого сорта при неупругих столкновениях между ними. Такая передача тем более эффективна, чем более точно совпадают уровни энергии сталкивающихся частиц. Дело в том, что всегда существующее различие в значениях энергии тех состояний, обмен населенностями которых происходит при столкновении, приводит к тому, что передача возбуждения сопровождается выделением (или поглощением) кинетической энергии

Здесь N - плотность частиц доноров энергии возбуясдения, n - плотность акцепторов, звездочка обозначает воебуждение соответствующей частицы. Символ К, стоящий над стрелочками в уравнении (13.1), обозначает константу скорости этой реакции. Кинетическая энергия может быть получена из резервуара тепловой энергии поступательного движения частиц газа (или передана в этот резервуар). Для того чтобы такой процесс был эффективным, передаваемая в резервуар (получаемая из резервуара) в одном столкновении энергия не должна превышать среднюю энергию теплового движения одной частицы . Другими словами, дефицит энергии рассматриваемых состояний должен быть мал:

В этом случае происходит так называемая резонансная (квазирезонансная) передача энергии возбуждения.

В общих чертах процесс передачи энергии (13.1) описывается скоростным уравнением вида

где т - некоторое эффективное время релаксации, а константа скорости передачи энергии возбуждения, как обычно,

Здесь v - скорость сталкивающихся частиц, а сечение процесса передачи о приближается к газокинетическому сечению , при выполнении условия (13.2). В правой части уравнения

(13.3) учтен обратный процесс . Предполагая для выполнение закона сохранения числа частиц:

из (13.3) легко получить, что в стационарных условиях

При условии

достигается уровень возбуждения акцепторов, максимально возможный при заданном уровне возбуждения доноров.

Итак, процесс столкновительной передачи энергии возбуждения от частиц одного сорта частицам другого сорта, характерный для газовых сред, эффективен при выполнении условия (13.2). Этот процесс эффективен в создании активной среды лазера на основе частиц типа n путем возбуждения частиц типа N при выполнении условия (13.7).

Рис. 13.1. Передача энергии возбуждения по схеме прямая стрелка вцерх - возбуждение частиц N, прямая стрелка вниз - излучение частицами волнистая стрелка вниз - релаксация нижнего лазерного уровня частиц n. Показано отсутствие собственной релаксации частиц

Передача энергии возбуждения существенно расширяет возможности создания газовых лазеров, позволяя разделить в активной среде функции накопления энергии возбуждения и последующего излучения на желаемой длине волны. Процесс происходит в два этапа. Сначала тем или иным способом возбуждаются частицы вспомогательного газа - носителя избыточной энергии и выступающего донором энергии возбуждения. Затем в процессах иеупругих столкновений энергия передается от газа-носителя частицам рабочего газа - акцептора энергии возбуждения, населяя таким образом их верхний лазерный уровень. Верхний; уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни, чтобы хорошо накапливать энергию. Схематически рассматриваемый процесс показан на рис. 13.1.

Рассматриваемый метод нашел широкое применение, так как практически при всех методах возбуждения (электроразрядном,

газодинамическом, химическом и т. д.) часто оказывается гораздо более выгодным непосредственно вкладывать энергию возбуждения не в те частицы, излучение которых желательно, а в те, которые легко поглощают эту энергию, сами ее не излучают и охотно отдают свое возбуждение нужным частицам.

Перейдем теперь к непосредственному рассмотрению ряда газовых лазеров. Начнем с атомарных газовых систем, ярким представителем которых является гелий-неоновый лазер. Хорошо известно, что этот лазер был, в сущности, первым. Исходные расчеты и предложения относились к газовым лазерам, главным образом, вследствие уже обсуждавшейся нами большей степени понимания схем уровней энергии и условий возбуждения в газовой среде. Все же первым был создан рубиновый лазер в силу того, что этот монокристалл был тщательно изучен в радиоспектроскопии ЭПР и широко использовался в квантовой электронике СВЧ для создания парамагнитных квантовых усилителей (парамагнитных мазеров). Вскоре, в конце того же 1960 г., А. Джаван,

Рис. 13.2. Схема возбуждения неона и гелия в электрическом разряде (обозначения стрелок те же, что и на рис. 13.1). Показана возможность каскадного заселения уровней энергии неона.

У. Беннет и Д. Харриот создали гелий-неоновый лазер на волне 1,15 мкм. Наибольший интерес к газовым лазерам сформировался после открытия генерации гелий-неонового лазера на красной линии 632,8 нм практически в тех же условиях, что и в первом запуске на волне 1,15 мкм. Это прежде всего стимулировало интерес к лазерным применениям. Лазерный луч стал инструментом.

Технические усовершенствования привели к тому, что гелий-неоновый лазер перестал быть чудом лабораторной техники и экспериментального искусства и превратился в надежное устройство. Этот лазер хорошо известен, он оправдывает свою известность и заслуживает внимания.

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Возбуждение осуществляется электрическим разрядом. Упрощенная и вместе с тем в каком-то смысле обобщенная схема уровней неона приведена в правой части рис. 13.2. В электрическом разряде при столкновениях с электронами

возбуждаются уровни . Уровни метастабильны, а уровень по сравнению с ними является более короткоживущим. Поэтому, казалось бы, должна легко возникать инверсия населенностей уровней по отношению к . Этому, однако, мешает метастабильный уровень . В спектрах многих атомов, в том числе атомов инертных газов, имеется такой долгоживущнй метастабильный уровень. Заселяясь в столкновениях с электроном, этот уровень не дает опустошаться уровню , что препятствует получению инверсии.

В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа - донора энергии возбуждения. Этим газом служит гелий. Энергии двух первых возбужденных метастабильных уровней гелия (рис. 13.2) довольно точно совпадают с энергиями уровней неона. Поэтому хорошо реализуются условия резонансной передачи возбуждения по схеме

При правильно выбранных давлениях неона и гелия, удовлетворяющих условию (13.7), можно добиться заселения одного или обоих уровней неона, значительно превышающего таковое в случае чистого неона, и получить инверсию населенностей этих уровней по отношению к уровню .

Опустошение нижних лазерных уровней происходит в столкновительных процессах, в том числе и в соударениях со стенками газоразрядной трубки.

Подчеркнем, что нашедший широкое применение в квантовой электронике газовых лазеров метод передачи энергии от газа, непосредственно не работающего, но легко возбуждаемого, к газу, не накапливающему энергию возбуждения, но легко излучающему, впервые был реализован в гелий-неоновом лазере.

Рассмотрим теперь более подробно схему уровней нейтральных атомов гелия и неона (рис. 13.3).

Нижним из возбужденных состояний гелия соответствуют энергии 19,82 и 20,61 эВ. Оптические переходы из них в основное состояние запрещены в приближении -связи, действительной для гелия. Состояния и - это метастабильные состояния со временем жизни примерно . Поэтому они хорошо накапливают энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом.

Для неона действительна промеяуточная -связь. На рис. 13.3 состояния, относящиеся к одной конфигурации, показаны жирной линией с выделением рабочего подуровня. Для идентификации уровней применены обозначения Пашена, наиболее широко распространенные в существующей литературе. Уровни близки к метастабильный уровням гелия 250 и 2%, дефицит энергии примерно равен (Заметим, что при 300 К

.) Состояние имеет большое время жизни из-за резонансного пленения излучения в силу радиационной связи с основным состоянием.

В неоне s-состояния имеют большие времена жизни, чем р-состояния. Это, вообще говоря, позволяет получать инверсию на переходах Следует, однако, иметь в виду, что состояние неона хорошо населяется в разряде и при не слишком больших токах разряда возможно ступенчатое (каскадное) заселение нижних лазерных уровней при переходах из состояния

Рис. 13.3. Схема нижних возбужденных уровней энергии гелия и пеона: прямые стрелки вверх - возбуждение гелия, волнистые стрелки - передача энергии возбуждения от гелия к неону, наклонные прямые стрелки - излучение атомами неона. Каналы релаксации нижних лазерных уровней неона не показаны.

Введение в разряд относительно большого количества гелия, обеспечивающего внешний по отношению к неону интенсивный канал заселения состояний снимает ограничения на возможность получения инверсии в непрерывном режиме. Исторически первой была получена генерация на переходе . Основная мощность соответствует переходу . Затем была реализована инверсия переходов и .

Все три вида генерации происходят в примерно одинаковых условиях разряда и имеют одинаковые зависимости мощности генерации от параметров разряда. При этом особенно важна конкуренция генераций на волнах 3,39 и 0,63 мкм, которым соответствуют переходы с общим верхним уровнем. Поэтому генерация на одной из этих волн ослабляет генерацию на другой из них. Дело осложнено резким различием в коэффициентах усиления. Переходу соответствует усиление в и поэтому на нем легко достигается генерация в простых, например металлических, зеркалах. Переход гораздо

более капризен. Ему соответствует небольшое усиление в , что при прочих равных условиях никак не может конкурировать с гигантским усилением в . Поэтому для получения генерации в видимой области гелий-неоновый лазер снабжается многослойными диэлектрическими интерференционными зеркалами, обладающими высоким коэффициентом отражения только на требуемой длине волны. Переходу соответствует усиление генерация достигается. с помощью диэлектрических зеркал.

Гелий-неоновый лазер является газоразрядным лазером. Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде. Вообще, в лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизованная плазма положительного столба тлеющего разряда. Плотность тока тлеющего разряда составляет . Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительный столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа р на внутренний диаметр трубки D. При малых электронная температура велика, при больших - низка. Постоянство величины определяет условия подобия разрядов. При постоянной плотности числа электронов условия и параметры разрядов будут неизменны, если неизменно произведение . Плотность числа электронов в слабоионизованной плазме положительного столба пропорциональна плотности тока. значение .

Для области 3,39 мкм (серия , самая сильная линия ) верхний лазерный уровень, как уже говорилось, совпадает с верхним уровнем красной линии генерации 0,63 мкм. Поэтому оптимальные условия разряда оказываются одинаковыми.

В весьма распространенных случаях, когда одна и та же отпаянная газоразрядная трубка используется в гелий-неоновом лазере со сменными зеркалами для работы в различных диапазонах длин волн, обычно выбираются некоторые компромиссные значения в довольно широком диапазоне параметров: диаметр газоразрядной трубки 5-10 мм, отношение парциальных давлений 5-15, общее давление 1 - 2 Торр, ток 25-50 мА.

Наличие оптимума по диаметру обусловлено конкуренцией двух факторов. Во-первых, при увеличении поперечного сечения активной среды лазера при прочих равных условиях происходит увеличения вероятности распада на стенке капилляра метастара капилляра газоразрядной трубки увеличивает коэффициент усиления пропорционально . Последнее происходит как из-за - увеличения вероятности распада на стенке капилляра метаста-бильного состояния неона так и из-за увеличения количества возбужденного гелия (и тем самым неона), а значит, и коэффициента усиления при сохранении постоянным произведения т. е. при выполнении условия подобия тлеющих разрядов при изменении диаметра газоразрядной трубки.

Наличие оптимальной плотности тока разряда обусловлено возникновением при больших токах каскадных процессов типа

приводящих к уменьшению инверсии (см. рис. 13.2 и 13.3). Процессы такого рода могут становиться существенными также при увеличении давления неона, что, в свою очередь, обусловливает наличие оптимума по давлению.

Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни милливатт в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров при отсутствии ошибок в изготовлении ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. С течением времени в разряде происходит нарушение состава газа. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах происходит процесс «жестчения», падает давление, меняется отношение парциальных давлений гелия и неона.

Остановимся теперь на вопросе конструирования резонатбров гелий-неонового лазера. Большая кратковременная стабильность, простота и надежность конструкции достигаются при установке зеркал резонатора внутрь разрядной трубки. Однако при таком расположении зеркала сравнительно быстро портятся в разряде. Поэтому наибольшее распространение получила конструкция, в которой газоразрядная трубка, снабженная окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси, помещается внутрь резонатора. Такое расположение имеет целый ряд преимуществ - упрощается юстировка зеркал резонатора, увеличивается срок службы газоразрядной трубки и зеркал и облегчается их смена,

появляется возможность управления резонатором и применения дисперсионного резонатора, выделения мод и т. п.

В квантовой электронике важным является вопрос о ширине линии рабочего перехода (см. лекцию вторую). Для газовых лазеров существенны естественное, столкновительное и доплеровское уширения. В случае гелий-неонового лазера формула (2.8) (где под надо понимать - естественное время жизни р-состояния неона, а под - время т., относящееся к s-состояпию) дает значение естественной ширины линии МГц. Столкновительное уширение (формулы (2.31) и определяется давлением газа. Для атомов неона в предположении, что сечение соответствующего столкновительного процесса равно газокинетическому, при давлении порядка МГц. Доплеровская ширина линии (формулы (2.28) и определяется, в частности, длиной волны излучения. Для линии 0,63 мкм при 400 К эти формулы дают что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Из сказанного видно, что в случае гелий-неонового лазера основным механизмом, вызывающим уширение линии излучения, является эффект Доплера. Уширение это относительно невелико и при такой линии можно получить генерацию на одной продольной моде, т. е. одночастотную генерацию при хотя и малой, но физически вполне реализуемой длине резонатора 15 см. (формула (10.21)).

Гелий-неоновый лазер является наиболее представительным примером газовых лазеров. В его излучении отчетливо проявляются все характерные свойства этих лазеров, в частности лэмбовский провал, обсуждавшийся в лекции одиннадцатой. Ширина этого провала близка к ширине одной из тех однородно уширенных линий, совокупность которых образует неоднородно уширенную доплеровскую линию. В случае гелий-неонового лазера такой однородной шириной является естественная ширина . Так как , то положение лэмбовского провала (см. рис. 11.6) очень точно показывает положение центра линии рабочего перехода. Кривая, представленная на рис. 11.6, для лэмбовского провала экспериментально получается путем плавного изменения длины резонатора одномодового лазера. Следовательно, положение минимума провала может быть использовано при соответствующей обратной связи, управляющей длиной резонатора, для стабилизации частоты генерации лазера. Так получена относительная стабильность и воспроизводимость частоты, равная . Отметим, однако, что более высокая стабильность достигается, когда провал выжигается не в линии усиления активной среды, а в линии поглощения резонансного газа. Для линии генерации таким газом является метан.

Подчеркнув в заключение, что существует целый ряд газовых лазеров на нейтральных атомах, в том числе на атомах благородных газов, отметим, что промышленность выпускает гелий-неоновые лазеры в широком ассортименте.

Ознакомление с принципом работы гелий-неонового лазера и изучение характеристик лазерного излучения.

Основы физики работы лазера

Слово «Лазер» составлено из первых букв английского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» - усиление света с помощью индуцированного излучения.

Гелий-неоновый лазер (конструкция и принцип работы)

В Не-Ne лазере используются принцип резонансной передачи энергии возбуждения от примесного газа (Не) основному (Ne). Диаграмма энергетических уровней гелия и неона приведена на рис. 7.5.

Для данной смеси газов условия резонансной передачи энергии выполняются для уровней

2 1 s (He) → 3s (Ne) , 2 3 s (He) → 2s (Ne)

В результате газового разряда уровни 2 1 s и 2 3 s заселяются за счет электронных ударов. При неупругих столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит возбуждение последних и заселение метастабильных уровней 2s и 3s:

He * + Ne → He + Ne * (2s) + Ne * (3s)

Хотя уровни 2р и 3р неона также заселяются за счет электронных ударов, что уменьшает разность населенности уровней 2s, 3s и 2р, 3р, но эффективность этого процесса мала по сравнению с процессом (7.11). Это достигается тем, что парциальное давление неона (~10 Па) много меньше парциального давления гелия (~100 Па), в связи с чем концентрация гелия значительно превышает концентрацию неона.

За счет дефекта энергий уровней (2 1 s → 2s), значительно превышающего величину kT, результат процесса (7.11) далек от желаемого. Однако это компенсируется большим временем жизни возбужденных атомов Ne на уровнях 2s и 3s, состоящих из четырех подуровней, по сравнению с уровнями 2р и 3р. Например, время жизни неона на уровне 2s 2 составляет 9,6*10 -8 с, а время жизни на уровне 2р 4 - 1,2-10 -8 с.

При осуществлении инверсной заселенности уровней 2s и 3s происходят излучательные переходы на уровни 2р и 3р со следующими длинами волн:

2s 2 → 3p 4 λ 2 = 3,39 мкм
3s 2 →2p 4 λ 3 = 0,6328 мкм

«Отработанные» атомы переходят за счет спонтанного излучения с уровней 3р и 2р на метастабильный уровень 1s. Сток частиц с уровня 1s обеспечивается, в основном, за счет диффузии к стенкам.
Схема конструкции газового лазера приведена на рис. 7.6.

В газоразрядной трубке, заполненной смесью неона и гелия в пропорции 1:10, зажигается газовой разряд, с помощью которого происходит инверсия населенности уровней.

Поскольку в процессе разряда появляются фотоны с произвольными частотами, существуют и фотоны с длинами волн λ 1 , λ 2 и λ 3 , совпадающими с длинами волн соответствующих переходов. Они вызывают индуцированный переход с образованием фотонов с этими же частотами, фазами и направлениями волновых векторов k" . В случае, если появляется волна частотой, например, ω 3 =с/λ 3 , она распространяется вдоль трубки и отражается от зеркала. Расстояние между зеркалами выбирается кратным половине длины волны, что обеспечивает возбуждение резонатора (колебательного контура в оптическом диапазона) именно на этой длине волны.

Отраженная от зеркал волна приходит в данную точку в той же фазе, что и первичная, обеспечивая положительную связь. Происходит накопление фотонов, то есть энергии монохроматической волны. Ввиду высокой добротности контура, достигающей десятков тысяч единиц, амплитуда колебаний становится достаточно большой. Наличие выходных окон газоразрядной трубки, расположенных под углом Брюстера, выделяет линейную поляризацию волн в определенной плоскости, в связи с чем волны с иной поляризацией не проходят через полупрозрачное зеркало 2, которое пропускает всего 4-5% интенсивности излучения, а остальные 96% идут на поддержание процесса генерации.

Увеличение потерь излучения на волне λ 2 (усиление на переходе 2s 2 → 3p 1 велико по сравнению с усилением на переходе 3s 2 → 2p 4) достигается как использованием окон, расположенных под углом Брюстера, так и соответствующей расстройкой резонатора. Однако наличие этого излучения снижает эффективность работы лазера в видимом оптическом диапазоне.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 7.7) представляет собой газовый Не-Ne лазер 1, который установлен на оптической скамье 2. Блок питания 3 лазера расположен отдельно. На держателе 4 расположен горизонтальный столик 5, на который в ходе выполнения работы устанавливаются следующие детали: дифракционная решетка 6; экран 7; поляроид 8; вращение которого осуществляется рычагом 9; фотодиод 10. Микроамперметром 11 измеряется ток в цепи фотодиода. Стационарный экран 12 должен быть расположен на расстоянии не менее 1,5 м от лазера.

Методика проведения эксперимента

После прохождения через дифракционную решетку лазерного луча на экране возникает дифракционная картина пятен, соответствующих главным дифракционным максимумам нулевого, первого, второго и т.д. порядков (рис. 7.8).

Длина волны излучения определяется из условия главных дифракционных максимумов

• d - постоянная дифракционной решетки,
• φ - угол дифракции,
• k - порядок дифракционного спектра,
• λ - длина волны.

Угол дифракции вычисляется по формуле

φ = arctg h i / l

Здесь l - расстояние между экраном и дифракционной решеткой,
h i - расстояние между нулевым и i-ым максимумами (i = 1, 2,...).

По формуле (7.12) вычисляется длина волны излучения.

Малое угловое расхождение лазерного луча можно оценить, помещая экраны на разных расстояниях от лазера (рис. 7.9) и измеряя радиус пятна излучения.

Зная расстояние l между экранами и диаметры d световых пятен на экранах, можно определить угловое расхождение светового пучка по формуле

Исследование поляризации излучения лазера

Помещая в пучке излучения лазера поляроид и вращая его вокруг оси пучка, можно полностью погасить или полностью пропустить свет. Это говорит о том, что излучение лазера линейно поляризовано. Поместив за поляроидом фотоэлемент, можно измерить силу фототока i для каждой ориентации поляроида и построить график i = ƒ (φ)). Этот график дает зависимость интенсивности света I, прошедшего через поляроид, от угла поворота поляроида, т.к. I ~ i. Доказательством линейной поляризации излучения лазера служит соответствие полученного графика закону Малюса

I = I o * cos 2 α

Порядок выполнения лабораторной работы

Внимание! При работе с лазером помните, что попадание в глаза прямого лазерного излучения опасно для зрения.

Ознакомьтесь с информацией на лабораторном столе (п.1). Включение лазера производите в присутствии преподавателя или лаборанта.

Включите в сеть блок питания 3 (см. рис. 7.7). Тумблер «сеть» на блоке питания поставьте в положение «вкл». На экране 12 должно появиться яркое пятно. Через 7-10 минут лазер готов к работе.

Определение длины волны излучения лазера

1. Установите столик 5 на расстояние (0,8-1,2) м от экрана 12 (см. рис. 7.4). Для этого отпустите зажимной винт стойки, плавно переместив столик вдоль скамьи, установите по указателю нужное положение и закрепите винтом.
2. На столике 5 установите дифракционную решетку 6. Выведите световое пятно в центр дифракционной решетки (см. указание на лабораторном столе). На экране 12 возникает дифракционная картина с ярким нулевым максимумом.
3. Измерьте расстояние между дифракционными максимумами первого h i и второго h 2 порядков (см. рис. 7.8).
4. Переместите столик 5 на (0,2-0,3) м ближе к экрану 12.
5. Измерьте h i и h 2 при новом положении дифракционной решетки.
6. Запишите результаты измерений и постоянную решетку d = 0,01 мм в табл. 7.1.
7. Снимите со столика дифракционную решетку.

Оценка направленности излучения лазера

1. Установите столик на расстоянии l = (0,8-0,9) м от экрана 12 (см. рис. 7.7).
2. На столике 5 установите поляроид 8, который в данном упражнении используется в качестве ослабителя яркости светового луча. Выведите световое пятно в центр поляроида. Вращая поляроид рычагом 9, получите оптимальную для Ваших глаз яркость пятна на экране.
3. Приложите к экрану листок бумаги и зарисуйте сечение пятна.
4. Установите на столик 5 экран 7 (между поляроидом и экраном 12).
5. Зарисуйте сечение пятна на экране 7.
6. Измерьте диаметры пятен по своим рисункам не менее трех раз по разным направлениям.
7. Запишите результаты измерений диаметров пятен (d") и расстояние l в табл. 7.2.
8. Снимите со столика экран 7.

Исследование поляризации изучения лазера

1. Вращая поляроид рычагом 9, убедитесь, что яркость пятна на экране 12 зависит от угла поворота поляроида вокруг оси светового пучка. Получите максимальную яркость пятна. Это положение поляроида будет началом отсчета угла поворота (φ = 0).
2. Установите на столик фотодиод 10 и подключите к нему микроамперметр 11.
3. Поставьте тумблер микрометра в положение «вкл».
4. Выведите световой пучок на фоточувствительный слой фотодиода (см. указание на лабораторном столе). В этом случае микроамперметр будет показывать максимальный ток в цепи фотодиода.
5. Измеряйте ток через каждые 5 o поворота поляроида. Отсчет φ производите по шкале на диске крепления поляроида. Измерения запишите в табл. 7.3.
6. Поставьте тумблер микроамперметра и тумблер «сеть» блока питания в положение «вкл». Выключите блок питания из сети.
7. Снимите со столика поляроид и фотодиод.

Обработка результатов измерений

Перечень контрольных вопросов

1. Что такое спонтанное и индуцированное (вынужденное) излучение?
2. Что такое инверсная заселенность энергетических уровней и как она достигается?
3. Почему для усиления происходящего через среду светового потока необходима инверсная заселенность энергетических уровней?
4. Каков принцип работы трех - и четырехуровневого лазера?
5. Объясните принцип получения инверсной населенности в смеси газов.
6. Нарисуйте принципиальную схему лазера и расскажите принцип его работы.
7. Нарисуйте схему энергетических уровней лазера на смеси Не-Ne, расскажите о возможных переходах между уровнями.
8. Зачем в газоразрядной трубке выходные окна ставятся под углом Брюстера?
9. Чем объясняется высокая направленность излучения лазера?
10. В чем заключается особенности индуцированного излучения?