Lasery

Zagadnienia

Laser
Strumienie fotonów
Mechanika kwantowa

Opis

Interaktywna symulacja, która pozwala użytkownikom poznać zjawiska fizyczne związane z działaniem laserów.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

Ta symulacja Java jest uruchamiana (może to chwilę potrwać) w przeglądarce internetowej za pośrednictwem technologii o nazwie CheerpJ - nie wymaga instalowania żadnego dodatkowego oprogramowania. W stosunku do wersji offline jest nieco pogorszona jakość graficzna.

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Sam McKagan, 20 czerwca 2008)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

Opisz działanie absorpcji oraz emisji spontanicznej i wymuszonej i wyjaśnij warunki, jakie muszą być spełnione, aby każda z nich wystąpiła.
Opisz, jak działa laser.
Wyjaśnij wymogi dotyczące akcji laserowej w odniesieniu do natężenia i długości fali lampy, współczynnika odbicia lustra oraz czasu życia wzbudzonych stanów atomu.
Rozwiązuj problemy związane z uszkodzonym laserem.

Przykładowe materiały teoretyczne

Proces rekombinacji (ZPE)
W jaki sposób można opisać światło laserowe? (ZPE)
Lasery (OpenStax)
Laser (Wikipedia)
Lasery (OpenAGH)

Sterowanie symulacją

Stwórz laser, pompując komorę wiązką fotonów. Zarządzaj stanami energetycznymi atomów lasera, aby kontrolować jego moc wyjściową.

Ekran Jeden atom (absorpcja i emisja)

Obserwuj optyczne wzbudzenie pojedynczego atomu. Zobacz model atomu absorbującego i emitującego fotony.

Ekran Dużo atomów (akcja laserowa)

Na tym ekranie uczniowie mogą obserwować wynik interakcji między wieloma atomami. Doprowadź do inwersji obsadzeń poziomów energetycznych i zapoczątkuj akcję laserową.

Złożone sterowanie

Kliknięcie w lewym górnym rogu przycisku Ustawienia rozwinie dodatkowe opcje:

Można przeciągać linie stanów wzbudzonych na diagramie poziomów energii w górę i w dół.
Przycisk Zresetuj wszystko przywraca ekran do stanu początkowego.
Można wstrzymać symulację, a następnie użyć funkcji Krok, aby przeprowadzić stopniową analizę.

Ułatwienia dostępu

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Darmową wersję desktopową tej aplikacji (plik .jar) pobierzemy bezpośrednio klikając tu lub ze strony PhET (klikając tytuł lub ikony przy wybranej wersji językowej):

A następnie wybierając odpowiednią opcję:

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

Zalecamy rozpoczęcie od pierwszej zakładki, aby pomóc uczniom zapoznać się z podstawowymi ideami dotyczącymi pojedynczego atomu. Druga zakładka może być przytłaczająca, jeśli będzie analizowana jako pierwsza.
Uczniowie czasami mają problem z powiązaniem tego, co widzą w symulacji, z częściami prawdziwego lasera. Wyświetlenie zdjęcia rzeczywistego lasera powinno w tym pomóc.

W wywiadach stwierdziliśmy, że nawet uczniowie bez zaplecza z zakresu nauk ścisłych byli w stanie zrozumieć podstawy działania lasera, bawiąc się tą symulacją.

Uproszczenia / założenia modelu

Celem pierwszej zakładki jest po prostu pomoc uczniom w zrozumieniu absorpcji i emisji. Aby zbadać zasadę działania lasera, znacznie lepiej jest skorzystać z drugiej zakładki.
Aby uzyskać akcję laserową, częstotliwość lampy powinna odpowiadać częstotliwości wzbudzenia drugiego stanu wzbudzonego, czas życia drugiego stanu wzbudzonego powinien być mały, czas życia pierwszego stanu wzbudzonego powinien być duży, a współczynnik odbicia zwierciadła powinien być wysoki.
Używamy konwencji oznaczania stanu podstawowego jako „1”, pierwszego stanu wzbudzonego jako „2” itd. Inną powszechną konwencją jest oznaczanie stanu podstawowego jako „G”, pierwszego stanu wzbudzonego jako „1” itd. Jeśli w podręczniku i/lub materiałach szkoleniowych używana jest ta druga konwencja, należy wskazać uczniom tę rozbieżność.
Gdy atom przechodzi z drugiego stanu wzbudzonego do pierwszego stanu wzbudzonego, emituje foton w podczerwieni. Fotony te nie są wyświetlane, chyba że wybrano opcję Pokaż fotony emitowane z górnego poziomu energii.
Jeśli natężenie światła jest bardzo wysokie, można wzbudzić atom jednym fotonem, a następnie wywołać emisję wymuszoną kolejnym fotonem, zanim atom ulegnie spontanicznemu przejściu. W prawdziwym życiu proces ten jest bardzo rzadki, chyba że zachodzi akcja laserowa.
Aby umożliwić wywołanie akcji laserowej w tak małym układzie, prawdopodobieństwo absorpcji i emisji wymuszonej jest wyższe niż w rzeczywistości. Są one ustawione tak, aby laserowanie było jak najłatwiejsze, jednocześnie pokazując, że nie każdy foton powoduje absorpcję lub wymuszoną emisję. Prawdopodobieństwo wzbudzenia można zmienić w menu Ustawienia.
Dla uproszczenia, zwierciadła mają taki sam współczynnik odbicia dla wszystkich kolorów światła.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Użyj laserów jako kontekstu, aby pomóc uczniom zrozumieć przejścia atomowe, absorpcję oraz emisję spontaniczną i wymuszoną.
Zachęć uczniów do stworzenia pracującego lasera. (Będą musieli zmaksymalizować czas życia pierwszego stanu wzbudzonego i zminimalizować czas życia drugiego stanu wzbudzonego).
Rzuć wyzwanie swoim uczniom, aby stworzyli laser tak potężny, że eksploduje!

Poproś uczniów o wyjaśnienie przyczyn każdego z warunków wystąpienia akcji laserowej.
Poproś uczniów, aby wyjaśnili, dlaczego do zbudowania lasera wymagane są trzy poziomy, a nie tylko dwa.

Przykładowe polecenia

Co się dzieje, gdy foton oddziałuje z atomem? Rozważ to w kategoriach poziomów energetycznych.
Zdefiniuj następujące pojęcia: emisja spontaniczna, emisja wymuszona, absorpcja.
Pompowanie układu dwustanowego.

Ta symulacja wykorzystuje pompę optyczną jako źródło energii dla lasera. Włącz źródło światła na średnim poziomie z wstępnie ustawioną długością fali. Co można zaobserwować odnośnie emitowanych fotonów? (Czy są to emisje spontaniczne, wymuszone czy oba rodzaje emisji... i jak można to rozpoznać?).
Kiedy zmienisz natężenie światła do bardzo niskiego/wysokiego poziomu, co można zauważyć odnośnie emitowanych fotonów?
Kiedy natężenie jest na średnim poziomie, ale czas życia jest krótszy/dłuższy, co można zauważyć w kwestii emisji?
Co zaobserwujesz, gdy dostroisz światło do koloru o niższej/wyższej energii niż predefiniowany kolor?

Pompowanie układu trójstanowego.

Czy po zmianie na układ trójstanowy nadal można pompować elektrony na wyższy poziom energetyczny tylko za pomocą światła czerwonego, czy też jest jakaś inna energia światła, która teraz działa? Wyjaśnij.
Jakie cechy charakterystyczne można zaobserwować w odniesieniu do zdarzeń emisji podczas pompowania dodatkowym kolorem? (Czy wszystkie emisje są w tym samym kolorze, czy są wymuszone, spontaniczne itp.)
Kliknij Pokaż fotony emitowane z górnego poziomu energii. Jakie przejście reprezentują te fotony i w jakim obszarze widma się znajdują?
Co dzieje się ze zdarzeniami emisji, gdy zwiększasz czas życia stanu górnego/dolnego?

Jak można zmienić kolor światła emitowanego przez laser?
Jak można zmienić kolor światła używanego do pompowania lasera?

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Lasery tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).