Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Átírás

1 Koherens fény (miért is különlees a lézernyaláb?). Atomok eymástól füetlenül suároznak ki különböző hullámhosszon, különböző fázissal fotonokat. Inkoherens fény Termikus suárzó. Atomok eymástól füetlenül suároznak ki azonos hullámhosszú, különböző fázisú fotonokat. Monokromatikus, inkoherens fény Pl: a-őz lámpa. Atomok kollektív suárzása: az atomok azonos eneriájú és azonos impulzusú fotonokat bocsátanak ki. Lézer Koherens fény

2 Spektrométer Spektrum: Elektrománeses suárzás hullámhossz szerinti felbontása. A spektrumok mérésére szoláló eszköz a spektrométer. A fény spektruma alapján következtethetünk arra, milyen anya bocsátotta ki az adott elektrománeses suárzást, vay arra, hoy a hullám milyen anyaokkal lépett kölcsönhatásba. Spektrumok mérésével meállapíthatjuk veyi anyaok, élelmiszerek, vay akár távoli csillaok anyai összetételét, tanulmányozhatjuk az atomok elektronszerkezetét. A spektrométerekben a hullámhossz szerinti felbontást prizma, vay optikai rács valósítja me. eérkező íkhullám Optikai rács. elhajlási rend Interált spektrométer tükrök CCD detektor d φ λ φ Elhajlási rend iránya fü a hullámhossztól sin(φ)λ/d Optikai szál bemenet Optikai rács

3 Termikus suárzás Planck-féle suárzási törvény Hullámhossz szerint: hc ( λ, T) 5 λ h hc exp λkt Frekvencia szerint: 8π h (, T) c h exp kt Planck-állandó: h oltzmann-állandó: k Összes kisuárzott intenzitás 8π h I(, T) c h exp kt Stefan-oltzmann törvény Wien-féle eltolódási törvény Minél nayobb a suárzó T hőmérséklete, annál rövidebb az a λmax hullámhossz, amely hullámhosszon a suárzás spektrális teljesítménysűrűsée a lenayobb.

4 Atomok fénykibocsátása, fényelnyelése ohr-modell: abszorpció emisszió foton foton ΔE h!ω A ohr-féle atommodellben az elektronok mehatározott eneriájú pályákon létezhetnek (kerinenek) az atomma körül. A foton abszorpciója során az atom elektronja elnyel ey fotont, miközben ey maasabb eneriaszintre, ey külsőbb pályára kerül. Az elnyelt foton eneriája éppen az elektronnak a két pályára mehatározható eneriának a különbsée: ΔEE -E h. Az emisszió során ey maasabb enerianívójú pályáról az elektron visszaurik ey belsőbb, azaz kisebb eneriájú pályára, miközben az atom kisuároz ey, a két nívó eneriakülönbséének mefelelő eneriájú fotont. A ohr-féle atommodell alkalmazásával mayarázható az emissziós és az abszorpciós spektrum vonalas szerkezete.

5 Atomok fénykibocsátása, fényelnyelése ohr-modell:

6 Az Einstein eyütthatók. Abszorpció (fényelnyelés) Fényforrás áz Spektrométer Spektrum : Kétnívós atom modell: Abszorpciós vonalak Az atomot kétnívós rendszernek tekintjük. Az eysényi térfoatban található alapállapotú atomok száma:. erjesztett állapot E h ΔE Az eysényi térfoatban található erjesztett (maasabb eneriájú) atomok száma:. alapállapot + állandó. d adja me a dt időtartam alatt erjesztett (alapállapotból erjesztett állapotba jutó) atomok számát. abszorpció d dt az abszorpcióra jellemző Einstein eyüttható. a fekete test suárzás leírásából ismert fotonsűrűsé frekvencia szerinti eloszlása. Einstein eyüttható Foton sűrűsé

7 Az Einstein eyütthatók. Spontán emisszió Gázkisülés Spektrum : Spektrométer erjesztett állapot E h Emissziós vonalak alapállapot spontán emisszió d ʹ Adt Einstein eyüttható d adja me a dt időtartam alatt a spontán folyamattal erjesztettséét elvesztő (alapállapotba jutó) atomok számát. A spontán emisszió alatt az atom ey h eneriájú foton kisuárzásával csökkenti eneriáját. A spontán emisszió külső behatás nélkül jön létre (hasonló a bomlási folyamatokhoz): a erjesztett állapotnak van ey átlaos élettartama. A suárzás iránya nem mehatározott, fázisa véletlen.

8 Az Einstein eyütthatók. Indukált emisszió Az indukált emisszió modelljét Einstein javasolta 97-ben. erjesztett állapot alapállapot E hv E hv E hv indukált emisszió d ʹʹ dt Einstein eyüttható Foton sűrűsé: Külső behatásra jön létre: Ey külső foton kölcsönhatásba lép az atommal. Az indukált emisszió során a beeső fotonnal azonos eneriájú (hullámhosszú), azonos irányú és fázisú foton kibocsájtásával erjesztődik le az atom. A folyamat fényerősítésre használható. (Pl: Erbiummal adalékolt optikai szálak a távközlésben) d adja me a dt időtartam alatt indukált emisszióval leerjesztődő (alapállapotba jutó) atomok számát. Ez értelemszerűen arányos a erjesztett atomok számával és a fotonok számával (sűrűséével) is.

9 Két állapotú atom és foton kölcsönhatásai E hv ΔE E hv E hv E hv E hv abszorpció spontán emisszió d dt d ʹ Adt indukált emisszió d ʹʹ dt pl: lékörön áthaladt napfény spektruma pl: kisülő lámpák spektruma Honnan tudta Einstein, hoy létezik indukált emisszió? Spektrum: Spektrum: Abszorpciós vonalak Emissziós vonalak

10 Einstein eyütthatók mehatározása termodinamikai eyensúlyban Ha a rendszer termodinamikai eyensúlyban van, akkor az időeysé alatt erjesztődő és a foton-emisszióval alapállapotba jutó atomok száma meeyezik. d ʹ d + d ʹʹ abszorpció spontán emisszió indukált emisszió d dt ʹ A dt d d ʹʹ dt

11 Einstein eyütthatók mehatározása termodinamikai eyensúlyban Ha a rendszer termodinamikai eyensúlyban van, akkor az időeysé alatt erjesztődő és a foton-emisszióval alapállapotba jutó atomok száma meeyezik. d Kifejezve a fotonsűrűséet: ʹ d + d A / ʹʹ abszorpció spontán emisszió indukált emisszió d dt ʹ A dt d d ʹʹ dt

12 Einstein eyütthatók mehatározása termodinamikai eyensúlyban Ha a rendszer termodinamikai eyensúlyban van, akkor az időeysé alatt erjesztődő és a foton-emisszióval alapállapotba jutó atomok száma meeyezik. d Kifejezve a fotonsűrűséet: ʹ d + d A ʹʹ / abszorpció spontán emisszió indukált emisszió d dt ʹ A dt d d ʹʹ dt Termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerben az eneriaeloszlás oltzmann-statisztikát mutat: E E exp exp kt kt E E E h E E Kétnívós, termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerre : h exp kt

13 Einstein eyütthatók mehatározása termodinamikai eyensúlyban Ha a rendszer termodinamikai eyensúlyban van, akkor az időeysé alatt erjesztődő és a foton-emisszióval alapállapotba jutó atomok száma meeyezik. d Kifejezve a fotonsűrűséet: ʹ d + d A / ʹʹ abszorpció spontán emisszió indukált emisszió A/ h exp kt d dt ʹ A dt d d ʹʹ dt Termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerben az eneriaeloszlás oltzmann-statisztikát mutat: E E exp exp kt kt E E E h E E Kétnívós, termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerre : h exp kt

14 Einstein eyütthatók mehatározása termodinamikai eyensúlyban Ha a rendszer termodinamikai eyensúlyban van, akkor az időeysé alatt erjesztődő és a foton-emisszióval alapállapotba jutó atomok száma meeyezik. d Kifejezve a fotonsűrűséet: ʹ d + d Termodinamikai eyensúlyban a fotonsűrűsé: 8π h c h exp kt Lásd: (hőmérsékleti suárzás) A / ʹʹ abszorpció spontán emisszió indukált emisszió A/ h exp kt d dt ʹ A dt d d ʹʹ dt Termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerben az eneriaeloszlás oltzmann-statisztikát mutat: E E exp exp kt kt E E E h E E Kétnívós, termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerre : h exp kt

15 Einstein eyütthatók mehatározása termodinamikai eyensúlyban Ha a rendszer termodinamikai eyensúlyban van, akkor az időeysé alatt erjesztődő és a foton-emisszióval alapállapotba jutó atomok száma meeyezik. d Kifejezve a fotonsűrűséet: ʹ d + d Termodinamikai eyensúlyban a fotonsűrűsé: 8π h c h exp kt Lásd: (hőmérsékleti suárzás) A ʹʹ / abszorpció spontán emisszió indukált emisszió A két kifejezés csak akkor lehet eyenlő, ha: ) A/ h exp kt Vayis az indukált emisszió Einstein eyütthatója nem nulla! d dt ʹ A dt d d ʹʹ dt Termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerben az eneriaeloszlás oltzmann-statisztikát mutat: E E exp exp kt kt E E E h E E Kétnívós, termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerre : h exp kt

16 Einstein eyütthatók mehatározása termodinamikai eyensúlyban Ha a rendszer termodinamikai eyensúlyban van, akkor az időeysé alatt erjesztődő és a foton-emisszióval alapállapotba jutó atomok száma meeyezik. d Kifejezve a fotonsűrűséet: ʹ d + d Termodinamikai eyensúlyban a fotonsűrűsé: 8π h c h exp kt Lásd: (hőmérsékleti suárzás) A ʹʹ / A abszorpció spontán emisszió indukált emisszió A két kifejezés csak akkor lehet eyenlő, ha: ) Vayis az indukált emisszió Einstein eyütthatója nem nulla! ) A/ h exp kt 8 c h π d dt ʹ A dt d d ʹʹ dt Termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerben az eneriaeloszlás oltzmann-statisztikát mutat: E E exp exp kt kt E E E h E E Kétnívós, termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerre : h exp kt

17 Einstein eyütthatók mehatározása termodinamikai eyensúlyban Ha a rendszer termodinamikai eyensúlyban van, akkor az időeysé alatt erjesztődő és a foton-emisszióval alapállapotba jutó atomok száma meeyezik. d Kifejezve a fotonsűrűséet: ʹ d + d Termodinamikai eyensúlyban a fotonsűrűsé: A 8π h c h exp k T / ʹʹ abszorpció spontán emisszió indukált emisszió A két kifejezés csak akkor lehet eyenlő, ha: Vayis az indukált emisszió Einstein eyütthatója nem nulla! Lásd: (hőmérsékleti suárzás) ) A 8h π c A spontán emisszió és az indukált emisszió yakorisáának aránya: (λ0µm, T00K) A 5 Szobahőmérsékleten, közeli infravörös tartományban a spontán emisszió 5x yakoribb, mint az indukált emisszió! ) A/ h exp kt d dt ʹ A dt d d ʹʹ dt Termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerben az eneriaeloszlás oltzmann-statisztikát mutat: E E exp exp kt kt E E E h E E Kétnívós, termodinamikai eyensúlyban lévő rendszerre : h exp kt

18 Indukált emisszió valószínűséének növelése Populáció inverzió mevalósításával: Termikus eyensúlyban E a betöltöttsé: Populáció inverzió esetén: E E e E E kt E > E E

19 Indukált emisszió valószínűséének növelése Populáció inverzió mevalósításával: Termikus eyensúlyban E a betöltöttsé: Populáció inverzió esetén: E E e E E kt E > E E A populáció inverzió mevalósításához lealább nívó szüksées: E E E E E E E E E E E E Alapállapotú rendszer Pumpálás hv p eneriájú fotonokkal (külső fényforrás) Az E nívó élettartama rövid, (t ~0-9 s) az elektronok az E nívóra kerülnek (nem suárzó átmenet) Az E nívó élettartama hosszú, (t ~0 - s) íy az E és az E nívó populációja inverz

20 Fényerősítés indukált emisszióval Laser: Liht Amplification by Stimulated Emission of Radiation Populáció inverzió esetén: hv Erősítő köze hv x hv 4 x hv 8 x hv Az erősítés impulzus-szerű, hiszen az indukált emissziót követően az elektronok alapállapotba kerülnek

21 Fényerősítés indukált emisszióval Laser: Liht Amplification by Stimulated Emission of Radiation Populáció inverzió esetén: hv x hv 4 x hv 8 x hv Folytonos erősítés fenntartása pumpálással: Pumpáló fényforrás Erősítő köze hv Erősítő köze Az erősítés impulzus-szerű, hiszen az indukált emissziót követően az elektronok alapállapotba kerülnek Pumpálás (abszorbció) és erősítés (indukált emisszió) ciklikus ismétlődése Pumpálás hv x hv

22 Fényerősítés indukált emisszióval Laser: Liht Amplification by Stimulated Emission of Radiation Populáció inverzió esetén: hv x hv 4 x hv 8 x hv Folytonos erősítés fenntartása pumpálással: Pumpáló fényforrás Erősítő köze hv Erősítő köze Az erősítés impulzus-szerű, hiszen az indukált emissziót követően az elektronok alapállapotba kerülnek Pumpálás (abszorbció) és erősítés (indukált emisszió) ciklikus ismétlődése tükör Visszacsatolás tükrökkel: optikai rezonátor Pumpáló fényforrás Erősítő köze yitótükör transzmisszió ~5% Lézerfény Pumpálás hv x hv

23 Optikai rezonátor Laser: Liht Amplification by Stimulated Emission of Radiation tükör Pumpáló fényforrás Erősítő köze yitótükör Lézerfény A rezonátor által mehatározott frekvenciák és a lézeraktív anya erősítési örbéje eyüttesen határozzák me a lézer fényének spektrumát. L Rezonátor módusok távolsáa: Δf c L A rezonátor eyrészt előseíti, hoy a fotonnyaláb többször áthaladva a lézeraktív anyaon az indukált emisszióval felerősödjön, másrészt növeli a fény koherenciáját

24 A lézerműködés feltételei, lézerfény tulajdonsáai Lézerműködés feltételei Mevalósítható - Populáció inverzió Alkalmasan meválasztott erősítő közeel és pumpálással - Indukált emisszió - Optikai erősítés Rezonátor tükrök Lézerfény tulajdonsáai: - Monokromatikus (eyszínű; jellemző, stabil hullámhossza van) - Kollimált (a nyalábnak kis nyílásszöe van) - Koherens (a hullámtér két eltérő pontjában az elektrománeses rezés fázisa időben állandó.) (A koherencia csak ey bizonyos távolsátartományon belül iaz, ezt a távolsátartományt koherencia hossznak nevezzük. éhány mm-től akár km-i terjedhet) Ezen tulajdonsáok közös oka, hoy a lézerben indukált emisszió seítséével keltjük a fényt, ellentétben más fényforrásokkal, ahol a fény spontán emisszió útján jön létre.

25 Gázlézer (He-e) A áztérben lévő plazmában (amelyben szabad elektronok és pozitív ionok is vannak) a hélium atomok a rualmatlan ütközések során erjesztődhetnek. Ey erjesztett hélium atom - ütközve ey neon atommal - átadhatja annak erjesztési eneriáját. A lézerműködés (indukált emisszió) a rezonátor tükreinek reflexiójától füően a neon atom két meenedett nívója között jöhet létre. λ6,8 nm P-0 mw - Jellemző koherencia hossz: l~0 cm - Hatásfok ~5% - Felhasználása: laboratóriumi eszközök, interferométerek

26 Gázlézer (CO ) - Gerjesztése: elektromos kisüléssel - Hatásfok ~0-0% - ay teljesítmény - Felhasználása: ipari memunkálás, sebészet CO molekula rezési módusai közti átmenetek λ0,6 µm P W

27 Szilárdtest lézer (rubin) Rubin lézer: 960. obel-díj 964-ben. (. G. asov, A. Prokhorov, C. H. Townes) λ694, nm P- mw impulzus üzemű Felhasználása: laboratóriumi eszközök, lézeres radar Jellemző koherencia-hossz: néhány mm

28 Szilárdtest lézer (d:yag) λ064 nm, 5 nm (frekvencia kétszerezve) P mw-5000 W - Gerjesztése: kisülőlámpával, LED-del, lézerdiódával - Felhasználása: laboratóriumi eszközök, lézer pointer, ipari memunkálás, sebészet (finomabb memunkálást tesz lehetővé, mint a CO ) eodímium atomok Ittrium-alumínium-ránát kristályban

29 Festék lézer Lézeraktív anya: szerves fluoreszcens festékek Rezonátorban elhelyezett diszperzív optikai elem seítséével a lézer hullámhossza széles (~00 nm-es) tartományban hanoltató: λ~000 nm nm (festéktől füően P mw-5000 W - Gerjesztése: kisülőlámpával, másik lézerrel - Felhasználása: spektroszkópia, ipari memunkálás, sebészet, bőryóyászat.

30 További alkalmazások Váás, heesztés, forrasztás, felületkezelés Holoram készítés Traffipax Áramlástani vizsálatok Anyavizsálati módszerek Interferometria, alakmérés