1 / 193

6. Festéklézerek

6. Festéklézerek. Folyadék-lézerek előnyei: Az aktív közeg homogén - szemben a szilárd lézerrel Könnyebb hűteni Nagyobb az aktív anyag sűrűsége, mint gázlézerekben. Leggyakrabban fluoreszkáló szerves színezékeket használnak aktív anyagként. Rodamin B. +. o. (H. C. ). (C. H. ). N.

bella
Download Presentation

6. Festéklézerek

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. 6. Festéklézerek Folyadék-lézerek előnyei: Az aktív közeg homogén - szemben a szilárd lézerrel Könnyebb hűteni Nagyobb az aktív anyag sűrűsége, mint gázlézerekben Leggyakrabban fluoreszkáló szerves színezékeket használnak aktív anyagként

  2. Rodamin B + o (H C ) (C H ) N N 5 2 2 2 5 2 COOH

  3. A festéklézerek hangolhatók (azaz a lézerfény hullámhossza folytonosan változtatható). Ok: a lézerátmenet alsó szintje széles (a rezgési és belső forgási energianívók összeolvadnak).

  4. Jablonski-diagram

  5. Egyszerűsített Jablonski-diagram S2 T2 S1 T1 S0

  6. Hullámhossz / Å 7000 6000 5000 1.0 ő 80,000 ) a s z v á e l t y i á z n e I m 0.8 n é F s r t e 1 60,000 o t - s m n n ó i c i a c a 0.6 r i p 1 c m - l r n o o u 40,000 e z m m c s i l z 0.4 b x / s a a e e s r m i o r 20,000 v u á á 0.2 l l F S o ( M 0 0 14,000 16,000 18,000 20,000 22,000 -1 Hullámszám / cm Rodamin-B abszorpciós és emissziós szinképe metanolos oldatban

  7. Impulzuslézer - folytonos lézer Az S1 állapot élettartama ~10 ns, ezért intenzív pumpálás kell. Pumpálás: villanólámpa impulzuslézer folytonos lézer

  8. Átfolyó küvettás festéklézer

  9. pumpáló tükör R = 100 % vég tükör R = 100 % festéksugár (jet) R = 85 % T = 15% kollimátor R = 100 % hangoló ék stop Folyadéksugaras festéklézer

  10. pumpáló fény festéksugár (jet) T T T T „optikai dióda” hangoló elemek Gyűrűlézer (ring laser)

  11. Lecsengési spektroszkópia

  12. Tipikus lézersugár energia [W] Oxazine 1 R6G 1.0 Polyphenyl 1 DEOTC-P R101 Sodium HITC-P fluorescein C490 C530 Stilben C450 0.1 0.01 400 500 600 700 800 900 Hullámhossz [nm] Festéklézer működési tartománya különböző festékekkel

  13. Felhasználás: ahol hangolható fényforrás kell. Spektroszkópia Fotokémia Gyógyászat Izotóp elválasztás

  14. 7. A lézersugár tulajdonságai és modulációja 7.1. Vonalszélesség 7.2. Polarizáció 7.3. A lézersugár fényessége, intenzitása 7.4. Q-kapcsolás 7.5. Móduscsatolás 7.6. Frekvencia-kettőzés 7.7. Parametrikus oszcilláció

  15. 7.1. Vonalszélesség A klasszikus optikai spektroszkópiában polikromatikus fényforrás vanmonokromátor határozza meg a felbontást. A Fourier-transzformációs spektroszkópiában a max. opt. útkülönbség határozza meg a felbontást. A lézer-spektroszkópiában a lézer vonalszélessége határozza meg a felbontást.

  16. c n = × m 2 L L = ml/2 l = 2L / m = c/n Axiális módusok távolsága: c/2L

  17. × 8 c 3 10 m / s = = = 9 10 Hz 1 GHz × 2 L 2 0 , 15 m × 8 c 3 10 m / s n = = = × 14 4 , 74 10 Hz l × - 9 632 , 8 10 m × 2 L 2 0 , 15 m = = » m 474000 - l × 9 632 , 8 10 m Pl. He-Ne lézer l = 632,8 nm, ha L = 15 cm: A félhullámok száma a rezonátoron belül:

  18. A sáv alakját és szélességét 3 tényező határozza meg 1. Ütközési kiszélesedés2. Doppler-kiszélesedés3. Heisenberg-féle határozatlansági reláció

  19. 1. Ütközési kiszélesedés (nyomás-kiszélesedés) Amolekulák közötti ütközés során perturbálódik az elektron-felhője, ami az energiaszintek kismértékű eltolódásához vezet. A sáv alakját Lorentz-görbe írja le. Félérték-szélessége arányos a nyomással. tc: az ütközések közötti átlagos idő (a közepes szabad úthossz és az átlagsebesség hányadosa)

  20. n0: frekvencia 0 sebesség esetén v: az atom (molekula) sebességének az optikai tengely irányába eső komponense 2. Doppler kiszélesedés Afrekvencia függ a kibocsájtó és az észlelő egymáshoz viszonyított sebességétől. A sáv alakját Gauss-görbe írja le:

  21. Heisenberg: a hely és az impulzus egyidejű mérésének korlátja: 3. Heisenberg-féle határozatlansági reláció Álló helyzetű és a környezetével nem kölcsönható atom vagy molekula által kibocsájtott fény sávszélessége: természetes sávszélesség.

  22. Mivel DE = hDn, Hasonló összefüggés írható fel az energiára és az időre: Ha a gerjesztett állapot élettartama véges, az energiája nem adható meg pontosan. Természetes sávkiszélesedésnek hívjuk (Fourier-limit). A sáv alakját Lorentz-görbe írja le.

  23. Példa: tipikus He-Ne lézer Nyomás-kiszélesedés: 0,64 MHzDoppler-kiszélesedés: 1700 MHzFourier-limit: 20 MHz ( ) n n Hz ( ) ~ ~ n = n = - 1 cm × 10 3 10 cm s c ( ) ( ) ~ n = n × × - 1 10 Hz cm 3 10 cm s Átszámítás frekvencia és hullámszám között: 1cm-1 30 GHz

  24. 7.2. Polarizáció A lézerek fénye általában polarizált. Ok: a rezonátorban van olyan elem, (pl. ablak) amelynek a reflexiója eltérő a kétféle (függőleges és vízszintes ) polrizációs síkú fényre nézve. Nézzük meg nem-polarizált beeső fény szétválását dielektrikum határfelületén. Ep: a beesési síkba eső komponens Es: a beesési síkra merőleges komponenns

  25. a) Es A beeső fény a saját rezgési síkjában indukál dipólusokat, tehát a síkra merőleges komponens (Es) megőrzi polarizációs irányát.

  26. b) Ep Az Ep komponens a megtört sugár irányára merőleges dipólusokat indukál. Ebből a visszavert sugárba relatíve kisebb hányad kerül, mint Es-ből, mivel kicsi a terjedési irányra merőleges hozzájárulás.

  27. c) Ep Speciális eset, ha a visszavert és megtört sugár egymásra merőleges. Ekkor a visszavert sugárnak nem marad Ep komponense. A visszavert sugár teljesen polarizált. Ha csak Ep komponense van a beeső fénynek, akkor a visszavert sugár intenzitása 0, azaz nincs reflexió Brewster-szög

  28. Lézercső (v. lézerrúd) alakja: Vagy: Ilyenkor a lézerfény a papír síkjában polarizált.

  29. a a b A Brewster-szög kiszámítása: Snellius-Descartes törvény: b = 900-a sinb = cosa

  30. a: divergencia (széttartás) szöge r a R 7.3. A lézersugár fényessége, intenzitása Fényesség:egységnyi felületen és egységnyi térszögben kisugárzott teljesítmény: W/(m2sterad) Gömbfelület: 4R2p Körfelület:r2p = R2psin2a Kis szögek esetén:Térszög = (körfelület/ gömbfelület)*4p = (sin2a)*p

  31. Példa: He-Ne lézer, teljesítmény: 3 mW , divergencia-szög: 3*10-3 fok nyalábsugár: 0,3 mm = 3*10-4 m A nap fényessége: 1,3·106 W/(m2sr)

  32. r w0 w z Intenzitás-eloszlás: Ha a lézer TEM00 transzverzális módusban működik, akkor a keresztmetszet mentén a fókuszált lézernyaláb intenzitás-eloszlása Gauss-függvénnyel írható le:

  33. I: felületi teljesítménysűrűség w: nyalábsugár (az a sugár, amelynél a térerősség e-ed részére csöken) w0: nyalábsugár a fókuszsíkban w és w0: kapcsolata:

  34. 7.4. Q-kapcsolás Q-kapcsolással rövid, intenzív lézerimpulzusokat állíthatunk elő. 1. A pumpálás folyamán megnöveljük a rezonátoron belüli veszteséget, így késleltetjük a lézereffektus létrejöttét, miközben a populáció-inverzió növekszik. 2. Hirtelen lecsökkentjük a veszteséget a rezonátorban. Ekkor az erősítés messze meghaladja a veszteségeket, nagyon gyorsan kiépül egy intenzív lézersugárzás. 3. Az intenzív lézersugárzás miatt az inverz populáció hamar lecsökken annyira, hogy a lézerküszöb alá kerül az erősítés, így a lézereffektus megszűnik.

  35. A „Q-kapcsolás” elnevezés a „jósági tényező” (quality factor) kifejezésből származik. Nagy veszteség: alacsony Q értékAmikor a veszteséget kiiktatjuk, nagy Q értékre kapcsolunk.

  36. villanólámpa teljesítmény t Q t inverz populáció lézerküszöb t lézer-teljesítmény t

  37. Q-kapcsolással a csúcsteljesítmény jelentősen megnő (az átlagteljesítmény nem). Pl. Nd-YAG lézer villanólámpával pumpálva. Q-kapcsolás nélkül: ~1 ms-os „tüskék” ~1 ms-onként követik egymást. A teljes időtartam ~1 ms. (Tehát kb 500 kis impulzusból áll a felvillanás.) A „tüskék” csúcsteljesítménye kW nagyságrendű. Q-kapcsolás eredménye: egyetlen ~10 ns-os impulzust kapunk MW nagyságrendű cúcs- teljesítménnyel.

  38. lézerrúd A Q-kapcsolás módszerei 1. Forgó tükör (ez volt az első megvalósítás) Nagy szögsebességgel forgatjuk az egyik tükröt. Az optikai veszteség nagyon nagy (100 %), kivéve azt a rövid intervallumot, amikor a tüköt síkja párhuzamos a másik tükörével.

  39. Elég gyors-e ez a módszer? Pl. legyen a fordulatszám 1000/sec. legyen egy szögperc az az intervallum, amelyen belül működik a lézer. A körülfordulási időnek (10-3 s) 1/(360*60)-szorosa a működési idő: ~4,6·10-8 s = 46 ns. Az ideális Q-kapcsolási idő 1-2 ns.Tehát még nagyobb fordulatszám kell.

  40. Csökkenthetjük a kapcsolási időt, ha sokszög alakú tükröt forgatunk. Pl.

  41. 2. Elektrooptikai Q-kapcsolás Pockels-cella: olyan kristály, amelyre elektromos feszültséget adva megváltoztatja az áthaladó fény polarizációs állapotát. Pl. lineárisan polarizált fényből cirkulárisan polarizált fényt csinál, és fordítva.

  42. Tükör Lézer-anyag Polarizátor Tükör Pockels-cella függőleges V V bekapcsolva V kikapcsolva

  43. Ha tehát a Pockels-cellára feszültséget adunk, nagy a veszteség, nem működik a lézer. A feszültséget kikapcsolva lecsökken a veszteség (Q-kapcsolás) Nagyon gyors (nincs mozgó alkatrész).

  44. 3. Akusztooptikai Q-kapcsolás Akusztooptikai effektus: Szilárd anyagban hanghullámok  mechanikai feszültség  törésmutató-változás A törésmutató-változás periodikus.Hullámhossza megegyezik a hanghulláméval. Optikai rács keletkezik - a fénysugár eltérítésére használható. A berendezések az ultrahang-tartományban működnek (50 kHz körül).

  45. eltérítetlen sugár belépő sugár eltérített sugár Piezoelektromos rezgéskeltő Akusztikus hullám bekapcsolva:fény jelentős része elhajlik, nagy a veszteség a rezonátorban. Akusztikus hullám kikapcsolva:hirtelen megnő a rezonátor jósági tényezője

  46. A három eddig tárgyalt Q-kapcsolási mód aktív Q-kapcsolás volt. 4. Passzív Q-kapcsolás A rezonátorba egy festékoldatot tartalmazó küvettát helyezünk.A festéknek a lézer működési hullámhosszán van elnyelése.

  47. végtükör lézerrúd festékcella kilépő tükör A működés az ún. fakuláson (“bleaching”) alapul.Intenzív fénysugárzás hatására a festék fény-áteresztővé válik. Ok: molekulák jelentős része (kb. fele) az S0 ból az S1 állapotba kerül. Így az abszorpció és stimulált emisszió azonos valószínűséggel következik be. Nincs elnyelés. Közönséges körülmények között (pl. UV/látható spektroszkópiában) nem lép fel fakulás.

  48. végtükör lézerrúd festékcella Amikor a villanólámpát bekapcsoljuk, intenzív fluoreszcencia kezdődik.Ez még nem lézerfény, mert a festék elnyelése miatt kicsi a Q-faktor. A festékoldat az S0 állapot kiürülése miatt fokozatosan átlátszóvá válik. Amikor az erősítés meghaladja a veszteségeket, beindul a lézersugárzás. Nagyon rövid és intenzív.

  49. végtükör lézerrúd festékcella Előnye az egyszerűsége. Nem kell más, csak egy küvetta és egy megfelelő festék (“saturable absorber”). A koncentrációt úgy kell beállítani, hogy a lehető legjobb Q-kapcsolást érjük el.

More Related