Laser a stimulovaná emise

Laser (z angl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je zdroj koherentního, monochromatického a obvykle úzce směrovaného záření. Jeho činnost stojí na kvantování energie atomů a fotonů: elektron v excitovaném stavu může přejít na nižší hladinu buď spontánně (náhodný foton, náhodný směr a fáze), nebo stimulovaně — dopadající foton s energií rovnou rozdílu hladin vynutí emisi druhého fotonu se stejnou energií, směrem, fází a polarizací. Tím se záření zesiluje.

Pro vznik zesílení nestačí samotná stimulovaná emise. V rovnováze je více atomů na nižší hladině, proto převažuje pohlcování. Laser vyžaduje inverzi populace (více atomů na vyšší hladině než na nižší) a aktivní prostředí mezi zrcadly rezonátoru, která prodlužují dráhu fotonů a vybírají módy. Čerpání (optické, elektrické) dodává energii na vyšší hladiny; prakticky se používají tří- a čtyřhladinová schémata, která inverzi udrží snáze než dvohladinový systém.

Žák při výkladu využívá vztah E = hf (příp. E = hc/λ) a rozdíl energií hladin ΔE. Rozlišuje spontánní emisi, absorpci a stimulovanou emisi, popíše roli inverze populace a optického rezonátoru a umí uvést základní vlastnosti laserového svazku (koherence, monochromatičnost, směrovost) v návaznosti na G-FYZ-05-006 a G-FYZ-05-001.

Předpoklady

• Foton jako kvantum elektromagnetického záření, E = hf, souvislost vlnové délky a energie
• Diskrétní energetické hladiny v atomu, excitace a deexcitace elektronu
• Elektromagnetické vlnění a spektrum záření (viditelné světlo jako část spektra)

Klíčové pojmy

Spontánní emise

Samovolný přechod elektronu z vyšší hladiny na nižší; vzniká foton s energií ΔE, směr, fáze a okamžik emise jsou náhodné (základ záření běžných zdrojů světla).

Stimulovaná emise

Dopadající foton s E = ΔE vynutí přechod z vyšší hladiny; emitovaný foton má stejnou energii, směr, fázi a polarizaci jako dopadající — záření se zesiluje.

Absorpce

Foton s E = ΔE zaniká, elektron přechází na vyšší hladinu; v termodynamické rovnováze absorpce převažuje nad stimulovanou emisí.

Inverze populace

Nestacionární stav, kdy je na vyšší hladině více atomů než na nižší; teprve pak stimulovaná emise převažuje nad absorpcí a prostředí zesiluje světlo.

Čerpání (pumpování)

Dodávání energie do aktivního prostředí (světlem, elektrickým výbojem, proudem), aby se atomy dostaly na vyšší hladiny a inverze se udržela.

Optický rezonátor

Dvojice zrcadel (jedno částečně propustné) kolem aktivního prostředí; fotony se odrážejí, dráha se prodlužuje, vybírají se módy a část záření vystupuje jako svazek.

Koherence a monochromatičnost

Laserový svazek má úzké spektrum (energie přechodu) a stálou fázovou souvislost vln; proto interferuje na velké vzdálenosti a je silně směrový.

Časté miskoncepce

• Častá chyba

  Žáci říkají, že laser „vyrábí energii z ničeho“ nebo že výstupní světlo má víc energie, než se do laseru dodá.

  Jak na to

  U tabule sečíst: čerpání → excitace, ztráty teplem, výstupní svazek. Zdůraznit zákon zachování energie: laser energii jen soustředí do úzkého spektra a směru.

• Častá chyba

  Žáci slučují spontánní a stimulovanou emisi: „oba přechody dají stejný foton, tak je to totéž.“

  Jak na to

  Nakreslit dva atomy vedle sebe: u spontánní šipka náhodným směrem a náhodná fáze; u stimulované dva rovnoběžné fotony se stejnou fází. Nechat žáky říct, který obrázek umí vysvětlit zesílení.

• Častá chyba

  Žáci tvrdí, že stačí „silná lampa a dvě zrcadla“ — inverzi populace vynechají, jako by rezonátor sám světlo zesiloval.

  Jak na to

  Nejprve ukázat rovnováhu (víc atomů dole → pohlcování). Pak teprve přidat čerpání a inverzi. Rezonátor teprve poté jako „prodloužení dráhy“, ne jako zdroj zesílení.

• Častá chyba

  Žáci si pletou laser s LED nebo s laserovým ukazovátkem jako „jen silnější žárovkou“ a čekají široké spektrum a nekoherentní světlo.

  Jak na to

  Srovnat tři sloupce: žárovka / LED / laser (šířka spektra, směr, koherence). U ukazovátka říct, že princip je stejný (stimulovaná emise), ale výkon a bezpečnost jsou jiné než u laboratorního laseru.

Jak učit

2–3 hodiny

1. Evokace: žáci porovnají světlo žárovky, LED a ukazovátka (směr, barva, stín na stěně) a odhadnou, čím se laser liší od „obyčejného“ zdroje.
2. Jádro: hladiny E, tři procesy (absorpce, spontánní, stimulovaná emise), podmínka inverze a role rezonátoru; výpočet λ z ΔE = hc/λ.
3. Reflexe: žáci na schématu laseru označí čerpání, aktivní prostředí, zrcadla a výstup a jednou větou řeknou, proč bez inverze populace zesílení nevznikne.

Nápady na aktivity

• Pracovní list: ke třem šipkám mezi dvěma hladinami přiřadit název procesu, podmínku na energii fotonu a zda prostředí záření zeslabuje, nebo zesiluje.
• Řešení úlohy G-FYZ-05-001: z daného ΔE (nebo z vlnové délky čáry) spočítat f a λ a posoudit, zda foton může vyvolat stimulovanou emisi na daném přechodu.

Hodnocení

Žák slovně i schématem rozliší spontánní a stimulovanou emisi a vysvětlí, proč je k činnosti laseru nutná inverze populace a rezonátor (G-FYZ-05-006).

Žák použije E = hf resp. ΔE = hc/λ k rozhodnutí, zda daný foton může být pohlcen nebo vyvolat stimulovanou emisi na zadaném přechodu (G-FYZ-05-001).

Související témata

• Foton a kvanta energie
• Kvantování energie v atomu
• Spektrum elektromagnetického záření
• Elektromagnetické vlnění
• Interference světla a optické spektrum
• Polovodiče, PN přechod a dioda

Zdroje

• RVP G — fyzika, mikrosvět (výstupy k atomu, emisi a laseru)
• PhET: Lasers (model stimulované emise a inverze populace)

Co pro vás ScioBot připraví k tématu Laser a stimulovaná emise

Interaktivní aktivity, které žáci spustí na tabletu či tabuli, tisknutelné kartičky a hry pro celou třídu – každý formát na téma Laser a stimulovaná emise jedním klikem.

Základní materiály

• Příprava na hodinu

  Kompletní příprava s cíli, průběhem a aktivitami.

• Pracovní list

  List s úlohami, klíčem a variantou.

• Písemka

  Časovaná písemka s body a variantami.

• Aktivita

  Aktivita do hodiny, kterou žáci hned spustí.

• Prezentace

  Sada slajdů k výkladu a procvičení.

• Kartičky

  Materiál k tisku (kartičky, plakát, pracovní list).

• QR hra

  Interaktivní hra k procvičení tématu.

Interaktivní aktivity 14

• Křížovka s tajenkou

  Legendová křížovka, kde se ve sloupci skrývá tajenka. Skvělá na opakování pojmů.

  10–20 min

• Kartičky

  Sada oboustranných kartiček na učení pojmů a definic. Žáci si je procvičí překlápěním.

  5–20 min

• Pexeso a spojovačka

  Dvojice kartiček s obrázky, pojmy nebo příklady. Spojovačka, pexeso i volné třídění – ideální na slovní zásobu i opakování.

  10–25 min

• Rozhodovačka

  Rychlé rozhodování mezi možnostmi s okamžitou zpětnou vazbou.

  5–12 min

• Otázky

  Sada otázek s výběrem odpovědí; jedna nebo více správných. Okamžitá sebekontrola.

  5–15 min

• Vpisování

  Žáci dopisují krátké odpovědi a ihned vidí, zda se trefili.

  5–15 min

• Rozřazovačka

  Žáci přetahují kartičky do správných kategorií.

  5–15 min

• Rozbory

  Žák přiřazuje značky k částem věty nebo výrazu — větné členy, slovní druhy, větné rozbory. Sebevyhodnocovací procvičování.

  10–20 min

• Označování

  Žáci označují správná slova přímo v textu.

  5–15 min

• Doplňování textu

  Žáci doplňují chybějící slova přímo do vět nebo krátkého textu.

  5–15 min

• Krok po kroku

  Žáci řadí kroky procesu do správného pořadí.

  5–15 min

• Popis obrázku

  Diagram s očíslovanými špendlíky. Žáci přiřazují popisky k částem obrázku — biologie, zeměpis, anatomie.

  5–15 min

• Přesouvání

  Žáci přetahují kartičky do přesně určených slotů.

  5–15 min

• Čtení s porozuměním

  Žáci čtou krátký text a odpovídají na otázky k jeho obsahu.

  10–25 min

K tisku a rozstříhání 8

• Páry

  Kartičky se dvěma polovinami, které k sobě patří (např. datum–událost). Žáci je vystřihnou a párovají.

  10–20 min

• Výběr z možností (s tajenkou)

  Kartičky s úlohami a třemi možnostmi. Písmena u správných odpovědí složí tajenku — žák si tak řešení zkontroluje sám.

  10–20 min

• Doplňování do vět

  Věty s výběrem ze dvou možností uvnitř — žák zakroužkuje správnou.

  10–20 min

• Hra Riskuj

  Kvízová hra se třemi podtématy a otázkami různé hodnoty — klasický formát Riskuj / Jeopardy.

  15–30 min

• Hra AZ kvíz

  28 otázek na hexagonální hrací pole — cílem je spojit všechny tři strany.

  15–35 min

• Označ správnou možnost

  Kartičky s otázkou a čtyřmi možnostmi — žák označí správnou (např. kolíčkem).

  10–20 min

• Já mám, kdo má …?

  Kartičky s tvrzením a otázkou — žáci je čtou v kruhu a hledají navazující odpověď.

  10–25 min

• Hádej, kdo jsem

  Kartičky s popisem osobnosti, věci nebo zvířete v 1. osobě — žáci tipují, o koho/co jde.

  10–25 min

Hry pro celou třídu 4

• AZ kvíz

  28 otázek na hexagonálním hracím poli — cílem je spojit všechny tři strany. Včetně náhradních ANO/NE otázek.

  15–35 min

• Riskuj

  Klasická hra se 5 kategoriemi a otázkami za 100–500 bodů — týmy soutěží o nejvyšší skóre.

  15–40 min

• Pexeso

  Klasické pexeso s 10 dvojicemi (pojem ↔ popis) — dva týmy se střídají a hledají shody.

  10–25 min

• Šarády

  Šarády se 12 úkoly (mluvení, kreslení, pantomima) — dva týmy hádají, kdo uhodne první, dostane bod.

  15–30 min

Očekávané výstupy