Thème : Énergie, matière et rayonnement Type de ressources : séquence sur le Laser utilisant des ressources numériques.

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1 Thème : Énergie, matière et rayonnement Type de ressources : séquence sur le Laser utilisant des ressources numériques. Notions et contenus : Transferts quantiques d énergie Émission et absorption quantiques. Émission stimulée et amplification d une onde lumineuse. Oscillateur optique : principe du Laser. Compétence travaillée ou évaluée : Démarche scientifique o Formuler des hypothèses pertinentes o Confronter des hypothèses à des résultats expérimentaux Usage des TIC o Recueillir des informations o Réaliser une simulation Nature de l activité : Analyse et réflexion par le biais de ressources TICE Résumé (en 5 lignes au plus) : A partir d une vidéo expliquant le principe du Laser et décrivant ses applications on demande aux élèves d extraire les informations sur le principe du Laser, de les décrire, de trouver les conditions de mise en œuvre de ces principes et de les vérifier en utilisant une simulation sur le Laser. Mots clefs : Emission et absorption quantique ; Emission stimulée ; Oscillateur optique ; Laser ; Longueur d onde Académie où a été produite la ressource : Toulouse

2 Le Laser 1. Description séquence Cette séquence sur les transferts quantiques d énergie se compose de deux parties. Une première partie dans laquelle le Laser est introduit au moyen d une vidéo. L objectif de cette première partie est d extraire les informations importantes sur le principe de fonctionnement du Laser et ses applications et de les structurer sous la forme d une carte mentale. Dans une deuxième partie on propose d étudier les principes physiques de base du Laser à partir d une simulation. Exemple de déroulé de la séquence : 1. Extraire des informations sur le Laser : Passage de la vidéo, échanges entre élèves puis structuration. A cette occasion on peut commencer l élaboration d une carte mentale commune qui servira de support à l activité expérimentale suivante. Cette vidéo doit pouvoir faire émerger les points suivants : Acronyme du Laser Dualité onde particule pour la lumière Lumière concentrée et ordonnée Émission spontanée et émission stimulée Nécessité d un apport extérieur d énergie (pompage) Réalisation d un oscillateur optique entre deux miroirs Types de Laser (nature du support amplificateur ou mode de fonctionnement continu ou impulsionnel) et applications (mesures de distances, mesures de pollution, découpe Laser, chirurgie Laser, temps atomique, transmission de l information ) 2. Décrire et comprendre les principes physiques du Laser : Dans cette partie on utilise la simulation de Phet sur le Laser. Nous avons choisi de procéder en deux parties et de n introduire le troisième niveau d énergie ou les miroirs que dans la partie 2 intitulée «comment fonctionne un Laser», avec plusieurs atomes ce qui correspond mieux au Laser réel. On pourra trouver diverses propositions pédagogiques pour l utilisation de cette simulation dans les références externes ci-dessous. Dans la simulation on peut utiliser un mode pas à pas en cliquant sur le bouton pause puis en utilisant le bouton pas. Comment un atome peut-il émettre un rayonnement? On peut demander aux élèves d émettre des hypothèses sur les conditions pour lesquelles on obtient pour l atome un phénomène d absorption, d émission ou d émission stimulée. Ils vérifieront avec la simulation leurs

3 hypothèses et pourront schématiser ces trois transitions. Dans le cas de la compétition émission spontanée et stimulée on pourra demander quels sont les paramètres qui vont favoriser une émission ou l autre. Paramètres de l animation imposés aux élèves : Dans cette partie on demande aux élèves de ne travailler qu avec deux niveaux d énergie et de ne pas activer les miroirs. Paramètres modifiables par les élèves : L élève peut modifier quatre paramètres : Le flux de photons incidents La longueur d onde des photons La durée de vie de l état excité La hauteur du niveau d énergie 2 de l atome. L élève doit être capable de montrer que l absorption d un photon ne se fait que si l atome est dans l état de plus basse énergie (ici 1). Dans le cas contraire, un photon incident arrivant sur l atome produira une émission et retour à l état fondamental (1). Il doit pouvoir également montrer que l énergie du photon doit correspondre à la différence entre les niveaux 1 et 2. En faisant varier la longueur d onde du photon incident l élève doit voir une corrélation entre cette variation et l énergie du photon (symbolisée dans l animation par une double flèche verticale de longueur variable). Si on change la longueur d onde des photons (curseur couleur) alors il faudra alors faire varier l énergie du niveau 2 pour obtenir une absorption. Dans l animation on peut faire varier la hauteur d un niveau d énergie. Il faudra bien préciser aux élèves que cela n est pas possible dans un atome mais que cela revient à fait à changer la nature de l atome donc du support amplificateur dans le Laser. L élève doit également pouvoir montrer qu en jouant sur la durée de vie de l état excité ou sur la densité du flux de photons incident on va favoriser un processus d émission ou l autre. On voit que l on favorise l émission stimulée en maximisant la durée de vie de l état 2. On pourra introduire à cette occasion le terme d état métastable que l on peut définir comme un état pour lequel la probabilité d émission spontanée est la plus faible. On voit également que l émission spontanée se fait dans des directions aléatoires, alors que dans le cas de l émission stimulée les photons incident et induit ont même direction. Il n est pas possible à ce stade de la simulation de voir que ces deux photons sont cohérents donc il pourra être intéressant de le préciser aux élèves. En effet, dans les compétences exigibles, les élèves doivent connaître parmi d autres propriétés du Laser la propriété : concentration spatiale et temporelle de l énergie.

4 Comment fonctionne un LASER? o Réalisation de l inversion de population par pompage Paramètres de l animation imposés aux élèves : Dans cette partie on demandera aux élèves de ne pas introduire les miroirs et on ne parlera pas de cavité Laser. On leur demande également de ne pas montrer les photons émis de plus hauts niveaux d énergie et de ne pas activer la vue onde. Paramètres modifiables par les élèves : En plus des paramètres précédents l élève pourra cette fois également ajouter un troisième niveau d énergie et pour la vue lampe voir les flux de photons incidents ou voir une coloration seulement. On demande aux élèves de trouver les conditions pour réaliser une inversion de population : Nbre d atomes N 2 dans le niveau 2 > nbre d atomes N 1 dans le niveau 1 En faisant varier le flux de photons et la durée de vie de l état excité on n arrive pas à réaliser une inversion de population sur un système à 2 niveaux d énergie. Au bout d un certain temps on voit que le système «oscille» autour de l état N 2 =N 1 même dans le cas où la durée de vie de l état excité est maximale (état métastable). Système à 2 niveaux. Par contre avec un système à trois niveaux, en se plaçant dans le cas ou le niveau 3 à une durée de vie très faible et le niveau 2 une durée de vie maximale on arrive à réaliser une inversion de population.

5 Inversion de population avec un système à 3 niveaux On pourra ensuite leur demander de justifier l impossibilité d une inversion de population pour un système à deux niveaux en donnant comme aide le résultat d Einstein : Entre deux niveaux, la probabilité d'émission stimulée est égale à celle de l'absorption d'un photon. Pour un système à deux niveaux si on maximise la durée de vie de l état 2 (état métastable) on pourra considérer que durant l expérience il n y a pas d émission spontanée. Les deux seuls phénomènes en compétitions sont donc l absorption et l émission stimulée. Les probabilités de ces deux phénomènes étant identiques d après le résultat d Einstein un photon incident aura autant de chance de faire passer un atome de l état 1 à l état 2 par absorption que de faire passer un atome de l état 2 à l état 1 par émission stimulée. Au maximum on arrivera donc au bout d un certain temps à un état ou il y a autant d atomes dans l état 2 que dans l état 1. o Mise en place de la cavité Laser On peut maintenant demander aux élèves de finaliser le Laser en ajoutant les miroirs et leur demander de réaliser un Laser fonctionnel et de décrire son fonctionnement et les conditions d un bon fonctionnement. Avec les miroirs on voit très vite que l émission stimulée l emporte sur l émission spontanée et que seuls les photons dans l axe de la cavité restent dans cette dernière. Au fur et à mesure des oscillations dans la cavité l onde lumineuse est amplifiée. (On pourra visualiser en mode onde l établissement d une onde stationnaire dans la cavité).

6 Laser en fonctionnement avec une réflectivité du miroir de sortie à 89 % Laser en fonctionnement avec une réflectivité du miroir de sortie à 89 % et vue Onde activée pour la transition basse radiative. Avec deux miroirs complètement réfléchissant on arrivera très vite à une destruction du Laser.

7 Laser juste avant destruction. A l inverse, un pompage insuffisant ou une trop faible réflectivité du miroir de sortie aboutira à l extinction de l effet Laser dans la cavité. Il est possible de faire varier d autres paramètres dans la simulation comme activer la vue des photons émis lors des transitions du niveau 3 vers le niveau 2 ou vers le niveau 1. On peut également jouer sur la probabilité d émission stimulée d une transition qui d après les auteurs de la simulation a été un peu surévalué pour faciliter l établissement de l effet Laser dans la cavité. On pourra enfin réaliser des Lasers de différentes couleurs, la cavité de la simulation semblant être résonnante tant que l on reste dans le domaine visible. 2. Références externes 1. Les 50 ans du Laser - La vidéo d introduction au Laser produite par le CNRS Images. 2. Lasers - Simulation du Laser utilisée 3. Exemple de leçon utilisant l animation - Une version professeur et élève d un cours américain produit par l American Physical Society à l occasion des 50 ans du Laser.

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