Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

Átírás

1 és lézerek Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

2 Fény és anyag kölcsönhatása 2 / 19

3 Fény és anyag kölcsönhatása Fény és anyag kölcsönhatása E 2 (1) (2) (3) E 1 (1) gerjesztés (2) spontán emisszió (3) indukált emisszió 3 / 19

4 Fény és anyag kölcsönhatása Gerjesztés - az atomok elektronjai külső energiaközlésre alacsonyabb energetikai állapotukból nagyobb energiájú állapotba kerülhetnek. Ez a gerjesztési folyamat mindig külső energia hatására következik be. 4 / 19

5 Fény és anyag kölcsönhatása Gerjesztés - az atomok elektronjai külső energiaközlésre alacsonyabb energetikai állapotukból nagyobb energiájú állapotba kerülhetnek. Ez a gerjesztési folyamat mindig külső energia hatására következik be. Spontán emisszió - az energiaminimum elvének következtében a gerjesztett elektron, minden külső behatás nélkül, alacsonyabb energetikai állapotba kerülhet miközben többletenergiáját egy foton formájában sugározza ki. 4 / 19

6 Fény és anyag kölcsönhatása Gerjesztés - az atomok elektronjai külső energiaközlésre alacsonyabb energetikai állapotukból nagyobb energiájú állapotba kerülhetnek. Ez a gerjesztési folyamat mindig külső energia hatására következik be. Spontán emisszió - az energiaminimum elvének következtében a gerjesztett elektron, minden külső behatás nélkül, alacsonyabb energetikai állapotba kerülhet miközben többletenergiáját egy foton formájában sugározza ki. Stimulált vagy indukált emisszió - ha jelen van már egy, vagy több hν = E 2 E 1 energiájú foton, és a rendszer gerjesztett állapotban van, akkor a gerjesztett elektron a már jelenlévő foton hatására az alacsonyabb energetikai állapotba kerül egy újabb ugyanolyan hν energiájú foton kisugárzásának kíséretében. 4 / 19

7 Fény és anyag kölcsönhatása Spontán emisszió - az emittált fotonok csak energiájukban egyeznek meg, más kban véletlenszerűen eltérnek. 5 / 19

8 Fény és anyag kölcsönhatása Spontán emisszió - az emittált fotonok csak energiájukban egyeznek meg, más kban véletlenszerűen eltérnek. Stimulált vagy indukált emisszió - az emittált fotonok minden tulajdonsága megegyezik, mert ugyanaz az elektromágneses mező kényszeríti ki az átmeneteket. Ezek a fotonok koherensek. 5 / 19

9 Fény és anyag kölcsönhatása Spontán emisszió - az emittált fotonok csak energiájukban egyeznek meg, más kban véletlenszerűen eltérnek. Stimulált vagy indukált emisszió - az emittált fotonok minden tulajdonsága megegyezik, mert ugyanaz az elektromágneses mező kényszeríti ki az átmeneteket. Ezek a fotonok koherensek. A koherens fotonok következő fizikai jellemzői azonosak: frekvencia polarizáció kezdőfázis terjedési irány 5 / 19

10 6 / 19

11 Erősítés csak akkor jöhet létre, ha többször történik emisszió, mint abszorpció. 7 / 19

12 Erősítés csak akkor jöhet létre, ha többször történik emisszió, mint abszorpció. Adott hőmérsékleten az alacsonyabb energiájú állapotokban több elektron van, mint a magasabb energiájúakban. 7 / 19

13 Erősítés csak akkor jöhet létre, ha többször történik emisszió, mint abszorpció. Adott hőmérsékleten az alacsonyabb energiájú állapotokban több elektron van, mint a magasabb energiájúakban. Az erősítés érdekében ezt a természetes állapotot meg kell fordítani. 7 / 19

14 Erősítés csak akkor jöhet létre, ha többször történik emisszió, mint abszorpció. Adott hőmérsékleten az alacsonyabb energiájú állapotokban több elektron van, mint a magasabb energiájúakban. Az erősítés érdekében ezt a természetes állapotot meg kell fordítani. - több a gerjesztett atom mint az alapállapotban lévő 7 / 19

15 Erősítés csak akkor jöhet létre, ha többször történik emisszió, mint abszorpció. Adott hőmérsékleten az alacsonyabb energiájú állapotokban több elektron van, mint a magasabb energiájúakban. Az erősítés érdekében ezt a természetes állapotot meg kell fordítani. - több a gerjesztett atom mint az alapállapotban lévő N m > N n Kialakításához külső energiát kell befektetni. = szivattyúzás 7 / 19

16 Ammónia-mézer 8 / 19

17 Ammónia-mézer Ammónia-mézer Az ammóniamolekulában található három hidrogénatom asszimmetrikusan helyezkedik el a térben a nitrogénatom körül. 9 / 19

18 Ammónia-mézer Ammónia-mézer Az ammóniamolekulában található három hidrogénatom asszimmetrikusan helyezkedik el a térben a nitrogénatom körül. H H H N N H H H 00 Tükör ν = 24 GHz E 2 E 1 9 / 19

19 Ammónia-mézer Ammónia-mézer Az ammóniamolekulában található három hidrogénatom asszimmetrikusan helyezkedik el a térben a nitrogénatom körül. H H H N N H H H 00 Tükör ν = 24 GHz E 2 E 1 Két körüljárási irány = energiaszintek felhasadása 9 / 19

20 Ammónia-mézer Ammónia-mézer Az ammóniamolekulában található három hidrogénatom asszimmetrikusan helyezkedik el a térben a nitrogénatom körül. H H H N N H H H 00 Tükör ν = 24 GHz E 2 E 1 Két körüljárási irány = energiaszintek felhasadása Az NH 3 molekula dipólusnyomatéka attól függ, hogy elektronja melyik energetikai állapotban tartózkodik. = a dipólusnyomaték alapján a molekulák energetikai állapotuk szerint inhomogén elektromos térben szétválogathatók 9 / 19

21 Ammónia-mézer T = 300 K Kvadrupól lencse Üreg- rezonátor λ NH 3 p = 10 5 Pa NH 3 nyaláb NH 3 10 / 19

22 Ammónia-mézer T = 300 K Kvadrupól lencse Üreg- rezonátor λ NH 3 p = 10 5 Pa NH 3 nyaláb NH 3 Frekvenciaingadozás ±1 Hz!!! 10 / 19

23 11 / 19

24 Közös vonások külső energia betáplálásával biztosítani kell az inverz populációt, illetve 12 / 19

25 Közös vonások külső energia betáplálásával biztosítani kell az inverz populációt, illetve a látható fény frekvenciatartományában is biztosítani kell a stimulált átmenetek túlsúlyát, mivel természetes körülmények között ebben a tartományban a spontán emisszió a valószínűbb. 12 / 19

26 Közös vonások külső energia betáplálásával biztosítani kell az inverz populációt, illetve a látható fény frekvenciatartományában is biztosítani kell a stimulált átmenetek túlsúlyát, mivel természetes körülmények között ebben a tartományban a spontán emisszió a valószínűbb. Szivattyúzás metastabil állapot - viszonylag hosszú ideig létező gerjesztett állapot ( ms) 12 / 19

27 Közös vonások külső energia betáplálásával biztosítani kell az inverz populációt, illetve a látható fény frekvenciatartományában is biztosítani kell a stimulált átmenetek túlsúlyát, mivel természetes körülmények között ebben a tartományban a spontán emisszió a valószínűbb. Szivattyúzás metastabil állapot - viszonylag hosszú ideig létező gerjesztett állapot ( ms) gerjesztett állapot τ g τ m metastabil állapot τ g << τ m alapállapot 12 / 19

28 A spektrális intenzitás növelése = optikai rezonátorok, tükrök segítségével 13 / 19

29 A spektrális intenzitás növelése = optikai rezonátorok, tükrök segítségével Tükör Optikailag aktív anyag Tükör Fény Szivattyúzás 13 / 19

30 A spektrális intenzitás növelése = optikai rezonátorok, tükrök segítségével Tükör Optikailag aktív anyag Tükör Fény Szivattyúzás Egyik tükör visszaverőképessége 100% a másiké kisebb mint 100%. = lézerfény 13 / 19

31 Rubinlézer Tükör Rubin Xe lámpa Lézerfény Tükör C K U 14 / 19

32 Rubinlézer Tükör Rubin Xe lámpa Tükör Lézerfény Cr , 2 ev 1, 8 ev λ = 694 nm C K U alapállapot 0 ev 14 / 19

33 Rubinlézer Tükör Rubin Xe lámpa Tükör Lézerfény Cr , 2 ev 1, 8 ev λ = 694 nm C K U alapállapot 0 ev Xe-lámpa villog = impulzuslézer 14 / 19

34 Rubinlézer Tükör Rubin Xe lámpa Tükör Lézerfény Cr , 2 ev 1, 8 ev λ = 694 nm C K U alapállapot 0 ev Xe-lámpa villog = impulzuslézer Nagyon nagy spektrális intenzitás érhető el velük!!! 14 / 19

35 Rubinlézer Tükör Rubin Xe lámpa Tükör Lézerfény Cr , 2 ev 1, 8 ev λ = 694 nm C K U alapállapot 0 ev Xe-lámpa villog = impulzuslézer Nagyon nagy spektrális intenzitás érhető el velük!!! Szilárdtest lézer = energiasávok = frekvenciaingadozás 14 / 19

36 He-Ne lézer Tükör + Brewster ablakok He Ne 3 kv 10 W + Tükör 15 / 19

37 He-Ne lézer Tükör + Brewster ablakok He Ne 3 kv 10 W + Tükör He Ütközéses energiaátadás λ = 633 nm Ne 15 / 19

38 He-Ne lézer Tükör + Brewster ablakok He Ne 3 kv 10 W + Tükör He Ütközéses energiaátadás λ = 633 nm Ne Különálló atomok = nívók = frekvenciastabilitás 15 / 19

39 He-Ne lézer Tükör + Brewster ablakok He Ne 3 kv 10 W + Tükör He Ütközéses energiaátadás λ = 633 nm Ne Különálló atomok = nívók = frekvenciastabilitás Viszonylag nagy koherenciahossz!!! 15 / 19

40 He-Ne lézer p n + Lézerfény 16 / 19

41 He-Ne lézer E elektron GaAs p n + vezetési sáv Lézerfoton Közvetlen rekombináció vegyértéksáv Lézerfény lyuk 16 / 19

42 He-Ne lézer E elektron GaAs p n + vezetési sáv Lézerfoton Közvetlen rekombináció vegyértéksáv Lézerfény lyuk Rácsrezgések nélküli elektron-lyuk rekombináció 16 / 19

43 He-Ne lézer E elektron GaAs p n + vezetési sáv Lézerfoton Közvetlen rekombináció vegyértéksáv Lézerfény lyuk Rácsrezgések nélküli elektron-lyuk rekombináció Viszonylag nagy nyalábszéttartás és kicsi koherenciahossz, de nagyon kicsi méret!!! 16 / 19

44 Lézerfény nagy koherenciahossz (akár m) 17 / 19

45 Lézerfény nagy koherenciahossz (akár m) kicsi nyalábszéttartás = párhuzamos nyaláb 17 / 19

46 Lézerfény nagy koherenciahossz (akár m) kicsi nyalábszéttartás = párhuzamos nyaláb nagyfokú egyszínűség", monokromatikus fény 17 / 19

47 Lézerfény nagy koherenciahossz (akár m) kicsi nyalábszéttartás = párhuzamos nyaláb nagyfokú egyszínűség", monokromatikus fény nagy spektrális intenzitás 17 / 19

48 Lézerfény mutatóeszközök és iránykijelölés 18 / 19

49 Lézerfény mutatóeszközök és iránykijelölés vágás, darabolás lézerrel, lézeres műtétek 18 / 19

50 Lézerfény mutatóeszközök és iránykijelölés vágás, darabolás lézerrel, lézeres műtétek interferometria 18 / 19

51 Lézerfény mutatóeszközök és iránykijelölés vágás, darabolás lézerrel, lézeres műtétek interferometria holográfia 18 / 19

52 Lézerfény mutatóeszközök és iránykijelölés vágás, darabolás lézerrel, lézeres műtétek interferometria holográfia Interferometria Lézer I T 2 F T 1 Kis elmozdulások mérése! 18 / 19

53 Holográfia Lézer Féligáteresztőtükör Referencia nyaláb Szórt nyaláb Tárgy Hologram 19 / 19

54 Holográfia Lézer Féligáteresztőtükör Referencia nyaláb Szórt nyaláb Tárgy Hologram Referencia nyaláb Lézer Virtuális kép Valós kép Hologram 19 / 19