10. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIA

1. 10. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIA

2. Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. A S E R L Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

3. Az első lézer: rubin lézer Theodore Maiman (1960)

4. Lézerek felhasználása: • optika • orvosi technika • haditechnika • informatika • anyagmegmunkálás • alkalmazások a kémiában: • spektroszkópia • fotokémia

5. 10.1 A lézerek működési elvei • Stimulált emisszió • inverz populáció • optikai rezonátor

6. Stimulált emisszió (áttekintés)

7. Abszorpció Sebességi egyenlet: N1 : kisebb energiájú mol. koncentrációja : a fotonok koncentrációja A12 : az abszorpció sebességi állandója

8. Spontán emisszió Sebességi egyenlet: B21 : a spontán emisszió sebességi állandója

9. Stimulált emisszió A keletkező foton frekvenciája, iránya, polarizációja és fázisa megegyezik a stimulálóéval. Sebességi egyenlet: A21 : a stimulált emisszió sebességi állandója

10. Einstein-relációk A három sebességi állandó közötti összefüggés:

11. Lézerekben a fényt stimulált emisszióval erősítik, a lézer anyagában stimulált emisszióval több foton keletkezik, mint amennyi abszorbeálódik: Stimulált emisszió: Abszorpció: Mivel A21=A12 a lézer működésének feltétele, N2>N1 (Spontán emissziót elhanyagoltuk.)

12. Inverz populáció Termikus egyensúlyban Boltzman-eloszlás: N1/N2=exp((E2-E1)/kT) Ha T nő, N1 közelít N2-höz. De N1<N2 mindig fennmarad. Lézerekben N2>N1. Ezt az állapotot nevezzük inverz populációnak. Nincs termikus egyensúly! Létrehozása speciális, három vagy négy E-szintes rendszerekkel lehetséges.

13. Lézerek pumpálása Stimulált emisszióhoz szükséges energia közlése a lézer anyaggal. A pumpáláshoz használható: - fényenergia (villanó lámpa, másik lézer fénye) - elektromos energia (gázkisülés) - kémiai energia (kémiai reakció)

14. Optikai rezonátor A lézerközeget két tükör közé helyezik. A fénysugár ide-oda verődik, így a fotonok átlagos úthossza megnő, s vele együtt a stimulált emisszió valószínűsége.

15. Az erősítő interferencia feltétele Állóhullám kialakulása: l hullámhossz, m nagy egész szám. A frekvencia:

16. Lézersugár spektruma

17. Lézerek típusai (a lézerközeg alapján) • szennyezettionkristály-lézer • félvezetőlézer • gázlézer • festéklézer

18. 10.2 Szennyezettionkristály-lézerek • Lézer közeg: ionos szigetelő, amely kis koncentrációban szennyező fémiont tartalmaz. • A lézer sugárzást a szennyező fémionok emissziója adja. • Pumpálás: optikailag (fehér fényű lámpa vagy félvezetőlézer) • Rubinlézer • Nd-YAG-lézer • Titán-zafír-lézer

19. Neodímium-YAG lézer Gazdarács: Y3Al5O12 ittrium-alumínium gránit = yttrium aluminium garnet = YAG Szennyező ion: Nd3+ (az Y3+ ionok ~1%-a helyett)

20. A Nd a 60. elem. A Nd-atom konfigurációja: KLM4s24p64d104f45s25p66s2 A Nd3+-ion konfigurációja: KLM4s24p64d104f35s25p6

21. Nd-YAG lézer energiaszint-diagramja

22. 10.4 Gázlézerek Lézer közeg: tiszta gáz (például N2-lézer) gázelegy (például CO2-lézer) Pumpálás: elektromos energiával (gázkisülés) Hélium-neon lézer (látható fény) Argonlézer (látható fény) N2-lézer (UV-fény) CO2-lézer (IR-fény)

23. Argonlézer Lézer közeg: ~0,5 torr nyomású Ar-gáz, kisülési csőbe töltve Kisülésben - gerjesztett molekulák - alapállapotú ionok jönnek létre (plazma) - különböző gerj. áll. ionok A kisülési cső működési jellemzői: áramerősség, feszültség, nyomás, hőmérséklet - ezektől függ az Ar-ionok populációja különböző energiaszinteken. Inverz populáció érhető el az Ar-ion egyes gerjesztett állapotaiban, náluk kisebb energiájú gerjesztett állapotokhoz képest. }

24. Az Ar a 18. elem. A Ar-atom konfigurációja: 1s22s22p63s23p6 A Ar+-ion legkisebb energiájú konfigurációja: 1s22s22p63s23p5

25. Argonlézer energiaszint-diagramja

26. Argonlézer felépítése

27. Móduscsatolt lézer 2L elektrooptikus móduscsatoló  L

28. Példa elektrooptikus móduscsatoló  L

29. CO2-lézer Lézer közeg: ~ 1:1 arányú CO2-N2 elegy zárt változat: - ~10 torr nyomású zárt kisülési csőbennyitott változat - ~ atmoszférikus nyomású nyílt kisülési csőben A lézer átmenet a CO2-molekula gerjesztett rezgési állapotai között történik, ezért infravörös fényt ad. A N2 segédanyag.

30. A CO2-molekula normál rezgései szimmetrikus nyújtás deformáció aszimmetrikus nyújtás v1 v2 v3 A három normálrezgés gerjesztettségét jellemző kvantumszámok.

31. CO2-lézer energiaszintjei

32. Előny: • az elektromos energiát nagy hatásfokkal infravörös fénnyé alakítja • Felhasználás: • fémmegmunkálás • sebészet • spektroszkópiában plazmák előállítása

33. 10.5 Festéklézer Lézerközeg: erősen fluoreszkáló festék oldata. Pumpálás: optikailag (fehér fényű lámpa vagy másik lézer). A lézer sugárzás a festékmolekula S1 elektronállapotának rezgési alapállapota és S0 állapotának gerjesztett rezgési állapota között történik.

34. Jablonski-diagram

35. A festéklézer előnyei - hangolható

36. Festéklézer működési tartománya különböző festékekkel

37. Szinkron pumpálás A móduscsatolt nem-hangolható lézer fényével ugyanolyan rezonátor hosszú festéklézert pumpálnak. Előnye: - hangolható fényforrás - impulzushossz rövidebb Például: Móduscsatolt argonlézer 300ps-os impulzusa a szinkron pumpált festéklézer 10 ps-os impulzusává alakul.

38. 10.6 A lézersugár tulajdonságai Sok tekintetben messze felülmúlja a hagyományos fényforrásokkal előállított fénysugarat.

39. Teljesítménysűrűség Kis keresztmetszetben nagy energiát összpontosít. Keresztmetszete tipikusan 1 mm2. Teljesítmény mW-tól kW-ig tartományig terjed.

40. Egyenes vonalban terjed Gázlézerek keresztmetszete 100 m-es távolságban sem változik sokat. (A hosszú rezonátor miatt)

41. Spektrális sávszélesség A gázlézereké különösen kicsi, pl. az Ar-lézer 514,5 nm-es fényének sávszélessége 10-4 nm.

42. Rövid impulzusok Impulzus üzemben működő lézerek tipikusan ms-os (rubinlézer, Nd-YAG-lézer) vagy ns-os (N2-lézer) tartományba eső impulzusokat adnak. Pikoszekundumos, femtoszekundumos fényimpulzusok előállítása „móduscsatolt” lézerekkel.

43. Lézersugár frekvenciájának változtatása festéklézer nem lineáris kristályok - felharmonikusok előállítása (2n, 3n, 4n) - frekvencia felbontása (n = n1 + n2)

44. 10.7 Raman-szórás

45. Foton és molekula kölcsönhatásai • abszorpció • emisszió • stimulált emisszió • rugalmas szórás • rugalmatlan szórás • ionizáció • … stb.

46. Rayleigh-szórás Foton rugalmas szóródása molekulán. Mindkettő haladási iránya változik, energiájuk nem változik. Felhasználás: részecskeméret meghatározás kolloid rendszerekben.

47. Raman-szórás Foton rugalmatlan szóródása a molekulán. Mindkettő haladási iránya változik - foton energiát ad át a molekulának, vagy - a molekula energiát ad át a fotonnak. A molekula forgási, rezgési és elektrongerjesztési energiája egyaránt változhat.

48. Sir CHANDRASEKHARA VENKATA RAMAN (1888 - 1970)

49. A molekula energiaváltozása Raman-szórásban

50. Raman spektrométer felépítése