NÁNAI László. Lézerek. SZTE JGYPK Ált. és Környezetfizikai Tsz Szeged

Átírás

1 NÁNAI László Lézerek SZTE JGYPK Ált. és Környezetfizikai Tsz Szeged

2 Micsoda???? Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. L A S E R 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 A LÉZEREK MŰKÖDÉSI ELVEI ALAPFELTÉTELEK Stimulált emisszió inverz populáció optikai rezonátor

6 STIMULÁLT EMISSZIÓ (ÁTTEKINTÉS)

7 ABSZORPCIÓ M + hν M 1 2 Sebességi egyenlet: dn / dt A N 1 = ρ 12 1 ν N 1 : kisebb energiájú mol. ρ ν koncentrációja : a fotonok koncentrációja A 12 : az abszorpció sebességi állandója

8 SPONTÁN EMISSZIÓ M M hν Sebességi egyenlet: dn / dt = dn / dt = B N2ρ ν B 21 : a spontán emisszió sebességi állandója

9 STIMULÁLT EMISSZIÓ M hν M hν A keletkező foton frekvenciája, iránya, polarizációja és fázisa megegyezik a stimulálóéval. Sebességi egyenlet: dn2 / dt = dn1 / dt = A21N2ρ ν A 21 : a stimulált emisszió sebességi állandója

10 EINSTEIN-RELÁCIÓK A három sebességi állandó közötti összefüggés: B 21 = 8 π h c ν 3 3 A 12 A = A

11 Lézerekben a fényt stimulált emisszióval erősítik, a lézer anyagában stimulált emisszióval több foton keletkezik, mint amennyi abszorbeálódik: Stimulált emisszió: Abszorpció: dn / dt = dn / dt = A N2ρ ν dn 1ρ 1 / dt = A 12 N ν Mivel A 21 =A 12 a lézer működésének feltétele, N 2 >N 1 (Spontán emissziót elhanyagoltuk.)

12 INVERZ POPULÁCIÓ Termikus egyensúlyban Boltzmann-eloszlás: N 1 /N 2 =exp((e 2 -E 1 )/kt) Ha T nő, N 1 közelít N 2 -höz. De N 1 <N 2 mindig fennmarad. Lézerekben N 2 >N 1. 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, s vele együtt a stimulált emisszió valószínűsége nő

15 AZ ERŐSÍTŐ INTERFERENCIA FELTÉTELE Állóhullám kialakulása: λ L = m 2 λ hullámhossz, m nagy egész szám. A frekvencia: c ν = = λ mc 2L

16 LÉZERSUGÁR SPEKTRUMA Max. erősítés Erősítés Erősítési görbe Lehetséges rezonátormódusok Veszteségek Módus sávszélesség Az átmenet félérték-szélessége ν 0 ν

17 LÉZEREK TÍPUSAI (A LÉZERKÖZEG ALAPJÁN) szennyezettionkristály-lézer félvezetőlézer gázlézer festéklézer

18 SZENNYEZETT-IONKRISTÁLY-LÉZEREK Lézerközeg: ionos szigetelő, amely kis koncentrációban szennyező fémiont tartalmaz. A lézersugárzást a szennyező fémionok emissziója adja. Pumpálás: optikailag (fehér fényű lámpa vagy félvezetőlézer) Rubinlézer Nd-YAG-lézer Titán-zafír-lézer

19 NEODÍMIUM-YAG LÉZER Gazdarács: Y 3 Al 5 O 12 ittrium-alumínium gránit = yttrium aluminium granet = YAG Szennyező ion: Nd 3+ (az Y 3+ ionok ~1%-a helyett)

20 A Nd a 60. elem. A Nd-atom konfigurációja: KLM4s 2 4p 6 4d 10 4f 4 5s 2 5p 6 6s 2 A Nd 3+ -ion konfigurációja: KLM4s 2 4p 6 4d 10 4f 3 5s 2 5p

21 ND-YAG LÉZER ENERGIASZINT-DIAGRAMJA állapotok konfiguráció 4f 3 4 F (L=6, S=3/2) 9/2 7/2 5/2 3/ nm nm vektorrmodell 4 I (L=6, S=3/2) spin-pálya csatolás 15/2 13/2 11/2 J=9/2 (alapállapot) kristálytérfelhasadás

22 GÁZLÉZEREK Lézerközeg: tiszta gáz (például N 2 -lézer) gázelegy (például CO 2 -lézer) Pumpálás: elektromos energiával (gázkisülés) Hélium-neon lézer (látható fény) Argonlézer (látható fény) N 2 -lézer (UV-fény) CO 2 -lézer (IR-fény)

23 ARGON-LÉZER Lézerközeg: ~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. Az Ar-atom konfigurációja: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Az Ar + -ion legkisebb energiájú konfigurációja: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p

25 ARGON-LÉZER ENERGIASZINT-DIAGRAMJA

26 ARGON-LÉZER FELÉPÍTÉSE diszperziós elem V, 60A végtükör R=100% katód anód kilépő tükör R=98%, T=2%

27 CO 2 -LÉZER Lézerközeg: ~ 1:1 arányú CO 2 -N 2 elegy zárt változat: nyitott változat - ~10 torr nyomású zárt kisülési csőben - ~ atmoszférikus nyomású nyílt kisülési csőben A lézer átmenet a CO 2 -molekula gerjesztett rezgési állapotai között történik, ezért infravörös fényt ad. A N 2 segédanyag

28 A CO 2 -MOLEKULA NORMÁL REZGÉSEI szimmetrikus nyújtás deformáció aszimmetrikus nyújtás O C O O C O O C O v 1 v 2 v 3 A három normálrezgés gerjesztettségét jellemző kvantumszámok

29 CO 2 -LÉZER ENERGIASZINTJEI 0.4 Nitrogén Széndioxid Energia (ev) Pumpálás 001 P10 10 R µ m µ m

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

31 FESTÉKLÉZER Lézerközeg: erősen fluoreszkáló festék oldata. Pumpálás: optikailag (fehér fényű lámpa vagy másik lézer). A lézer sugárzás a festékmolekula S 1 elektronállapotának rezgési alapállapota és S 0 állapotának gerjesztett rezgési állapota között történik

32 JABLONSKY-DIAGRAMM

33 A FESTÉKLÉZER ELŐNYEI - hangolható vég tükör R = 100% pumpáló tükör R = 100% R = 85% T = 15% festéksugár(jet) hangoló ék finom etalon kollimátor R = 100% stop

34 FESTÉKLÉZER MŰKÖDÉSI TARTOMÁNYA KÜLÖNBÖZŐ FESTÉKEKKEL Typical output power (W) 1.0 Polyphenyl 1 Sodium fluorescein R6G R101 Oxazine 1 DEOTC-P HITC-P 0.1 Stilben C450 C490 C Wavelength (nm)

35 A LÉZERSUGÁR TULAJDONSÁGAI Sok tekintetben messze felülmúlja a hagyományos fényforrásokkal előállított fénysugarat

36 TELJESÍTMÉNYSŰRŰSÉG Kis keresztmetszetben nagy energiát összpontosít. Keresztmetszete tipikusan 1 mm 2. Teljesítmény mw-tól kw-ig tartományig terjed

37 EGYENES VONALBAN TERJED Gázlézerek keresztmetszete 100 m-es távolságban sem változik sokat. (A hosszú rezonátor miatt)

38 SPEKTRÁLIS SÁVSZÉLESSÉG A gázlézereké különösen kicsi, pl. az Ar-lézer 514,5 nm-es fényének sávszélessége 10-4 nm

39 RÖVID IMPULZUSOK Impulzus üzemben működő lézerek tipikusan µs-os (rubinlézer, Nd-YAG-lézer) vagy ns-os (N 2 -lézer) tartományba eső impulzusokat adnak. Pikoszekundumos, femtoszekundumos fényimpulzusok előállítása móduscsatolt lézerekkel

40 LÉZERSUGÁR FREKVENCIÁJÁNAK VÁLTOZTATÁSA festéklézer nem lineáris kristályok - felharmonikusok előállítása (2n, 3n, 4n) - frekvencia felbontása (n = n 1 + n 2 )

41 RAMAN SPEKTROMÉTER FELÉPÍTÉSE Folytonos lézer Minta Stop Jelfeldolgozó elektronika Kétrácsos monokromátor Fotoelektronsokszorozó

42 KÉT-FOTON ABSZORPCIÓ Forgási, rezgési vagy elektronátmenet, amikor a molekula egyidejűleg két fotont nyel el. Csak akkor elegendő a valószínűsége, ha nagy a fotonok koncentrációja. Az impulzuslézerekkel tanulmányozható, hagyományos fényforrásokkal, folytonos lézerekkel nem. Legtöbbet az elektrongerjesztéshez vezető két-foton abszorpciót tanulmányozzák

43 A MOLEKULA ENERGIAVÁLTOZÁSA KÉT-FOTON ABSZORPCIÓBAN

44 IDŐSKÁLA Elektronmozgás, magmozgás Krisztus születése A Föld kora Az Univerzum kora Állapotok Reakciók Emberöltõ fs ps ns µs ms s Ks Ms Gs Ts Ps

45 SPEKTROSZKÓPIA FEMTOSZEKUNDUM IDŐFELBONTÁSSAL: AZ IDŐBELI KÉSLELTETÉS gerjesztés mérés intenzitás τ késleltetés idő

46 PUMPA-PRÓBA-KÍSÉRLET ps ps λ/2 lemez Polarizátor Detektor Saroktükör Festéklézer Polarizátor kocka Pockelscella Polarizátor Sugárzáró Festéklézer Argonlézer Dikroikus tükör Minta Rács

47 HILL SZEGED

48 VANÁDIUM-PENTOXID

49 Elektron- és fonon-hőmérséklet vs idő

50 MAJOR MISSIONS OF ELI-ALPS 1) To generate X-UV and X-ray fs and atto pulses, for temporal investigation at the attosecond scale of electron dynamics in atoms, molecules, plasmas and solids. ATTOSECOND Beamline & User Facility 2) To contribute to the technological development towards 200PW HIGH INTENSITY beamline

51 SCHEMATICS OF ELI-ALPS

52 LOCATION OF ELI-ALPS AND A PLANNED SCIENTIFIC PARK ELI-ALPS Planned Science Park

53 REGION OF ELI-ALPS: SZEGED inhabitants students (10% forigners) 2600 researchers at - Uni Szeged - Biological Research Cntr - Inst. for Cereal Research Confucius Institute in Szeged University of Szeged: World ranking: <500 (!) The highest ranked Uni from underdeveloped regions

54 MAJOR PROJECT:: TWO IMPLEMENTATION PHASES Major project Implementation phase I: Planned maximum budget: 120 M Non-refundable grant from GOP 1. priority EU funding: 85% Application submission to EU by May, 2013 Implementation phase II Planned maximum budget: 86M Government decision and commitment done EU funding: 85% (expected) Preparatory period: Q2-Q Implementation period:

55 FURTHER INFORMATIONS B2B: Scientific matters: Job matters: General inquery:

56

57 Köszönöm a figyelmet!