A LÉZERSUGÁRZÁS ALAPVETŐ ISMÉRVEI SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ A FÉNYERŐSÍTÉS FELTÉTELE A POPULÁCIÓ INVERZIÓ FELTÉTELE

Átírás

1 A LÉZERSUGÁRZÁS ALAPVETŐ ISMÉRVEI Időbeli inkoherencia Térbeli inkoherencia Polikromatikus fény Kis energia sűrűség Nem poláros fény Spontán emisszió Térbeli koherencia Indukált emisszió Időbeli koherencia SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ E fény áram mozgási Einstein, 97 Monokromatikus fény (kis sávszélesség) Nagy energia sűrűség (Polarizált fény) Random folyamat. Kölcsönhatás 2. E = hf=- 3. Polaritás (p ~ cos 2 φ) A ÉNYERŐSÍTÉS ELTÉTELE A POPULÁCIÓ INVERZIÓ ELTÉTELE δ / δx = σ (N 2 -N ) N 2 N Δ~N 2 -N Abszorpció (Light Amplification LA) + Δ Erősítés Kiindulás: Boltzmann N 2 /N = e - ΔE/kT N >>N 2 Δ << 0 Abszorpció dominál Erősítés: Δ > 0 N < N 2 populáció inverzió Δ~N 2 -N + Δ Absz ~ N Em ~ N 2 Kétnívós rendszerben nem jöhet létre N >>N 2 (Boltzmann) Δ << 0 Abszorpció dominál pumpált rendszer: N 2 nő, N csökken N = N 2 Egyensúly, Δ = 0 N < N 2 (populáció inverzió) Erősítés

2 E3 POPULÁCIÓ INVERZIÓ LÉTREHOZÁSA Pumpálás * mozgási E * fény *áram Minimális feltétel: háromnívós rendszer Gyors spontán átmenet Inverzió: N 2 =N + E3 POPULÁCIÓ INVERZIÓ LÉTREHOZÁSA Pumpálás * mozgási E * fény *áram Optimális feltétel: négynívós rendszer Gyors spontán átmenet Inverzió: N 2 = P Spontán relaxáció < P Indukált emisszió E0 Gyors spontán átmenet LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR Néhány fontosabb esemény a LÉZER történetéből E3 LÉZER ANYAG 97 Einstein megjósolja az indukált emisszió jelenségét, és hogy a gerjesztés és indukált emisszió valószínűségi állandói (B 2 és B 2 ) egyenlőek 954 Az első mikrohullámú lézer (MASER) Pumpálás 960 Az első látható fényű lézer (rubin lézer) E0 966 Az első gáz lézer 984 Az első Rtg lézer Visszacsatoló tükör 99,9 % REZONÁTOR: Állóhullám, L = n λ / 2 Módusok: transzverzális és axiális Kicsatoló tükör %

3 LÉZEREK CSOPORTOSÍTÁSA Lézer anyag Lézer típusa pumplás módja λ (nm) Üzemmód E (W) t (ns) gáz He-Ne El. kisülés 633 c.w. 0. Ar++ El. kisülés 488, 54 c.w. 0 Kr++ El. kisülés 657,752 c.w. 3 CO2 El. kisülés 0600 c.w. 200 Excimer (Ar, XeCl) El. kisülés 93, 308 imp 0 MW -3 folyadék esték fény / lézer sokféle imp/c.w. 3 esték (Rh 6G) fény / lézer 600 imp 0000 fs szilárd Rubin (Cr+++ & Al2O3) villanólámpa 694 imp 200 MW 00 Nd-YAG villanólámpa 065 imp 50 MW 0 Nd-YAG / KTP villanólámpa imp 2 MW 0 Nd-YAG Xe lámpa 065 c.w. 60 Er-YAG villanólámpa 2900 imp MW 0 Dióda GaAs áram 840 c.w. / imp 5 H AlGaAs áram 760 c.w. / imp 50 GaInAsP áram 300 c.w. / imp 20 Látható lézer: Lézerfény vezetése tükrök, száloptika (becsatolás lencsékkel) ORVOSI DIAGNOSZTIKA / KUTATÁS és TERÁPIA labor diagnosztika és kutatás klinikai diagnoszt. lágy laser therapia Kis teljesítmény áramlási citometria laser nefelometria korrelációs spektr. mikroszkópiák optikai csipesz endoszkópia laser doppler fotodinamikus diag. hyperemizálás laserthermia diagnosztika terápia Nagy teljesítmény koaguláció (60-90 C) laser sebészet vágás, vaporizáció (00-50 C) excisió (300 C) fotodinamikus thr. luoreszcencia Visszaverődés, szóródás 40 o C A lézersugárzás kölcsönhatása a szövetekkel Laserthermia Melegítés - Elnyelődés Gerjesztés oc Koaguláció otokémiai reakciók oc Vaporizáció / Vágás atomizáció otodisszociáció 300 oc Karbonizáció / Excisió ionizáció Shock wave

4 SHOCK WAVE (Lökéshullám) OTODINAMIKUS DIAGNÓZIS luoreszcens festék Daganat a festéket szelektíven felveszi Ar laser Száloptika /endoszkóp Kr laser OTODINAMIKUS TERÁPIA luoreszcencia korrelációs spektroszkópia (CS) A gerjesztett festék O radikálokat hoz létre Daganatsejtek A festékkel esték laser Száloptika Ar laser emtoliteres (konfokális) térfogat 0,3 μm,5 μm G(τ ) (t) fluoreszcenciaingadozás A vizsgálandó molekula (fehérje, lipid, stb.) fluoreszcens jelölése Kicsiny, <μm3-es térfogat megvilágítása fókuszált lézernyalábbal A fluoreszcencia időbeli változásának detektálása érzékeny fotodetektorral A jelenlévő molekulák száma kicsi az ingadozás relatív értéke jelentős t Autokorrelációs függvény δ ( t) δ ( t + τ ) G ( τ ) = 2 G diff δ ( t) = ( t) τ ( τ) = N + τ τ D + τ 2 S τ D

5 Milyen kölcsönhatások vizsgálhatók? Többkomponensű rendszerek I ehérje - DNS Nukleinsavak hibridizációja Szabad és kötött állapotban lévő molekulák mennyiségének és diffúziós állandójának meghatározása,9,7 /N,5 Antigén - Antitest Receptor Ligandum kötődés G(τ),3, 0,9 0,0 0, τ szabad τ kötött τ (ms) Többkomponensű rendszerek II - Keresztkorreláció Plazma (Cu, Cd) Rtg lézerek Két spektrálisan különböző festék fluoreszcenciájának ingadozása hogyan korrelál egymással: Molekuláris asszociáció kimutatása olyan esetben is, amikor nem változik jelentősen a diffúziós állandó az asszociáció következtében Rtg emisszió mindkét irányba elhasználások: Bio-holográfia Nanoelektronika Nano (robot) technika a + b ab G ( τ ) = V eff G c ab ( τ ) = δ ( t) δ ( t + τ ) a a b ( ca tot )( c ) τ, b, tot γ xy γ + z γ xy τ τ + 2 ab γ zsa τ ab b Lézerimpulzus (GW) NOVA (LLNL) 053 nm Nd-üveg 20 TW 0 db 70 cm-es sugár 00 KJ 20 ps 0 ns Nano-áramlásmérő

6 A lézercsipesz Holográfia P test P foton P foton Az alkamazott fény számára transzparens test A fotonok törés miatti irányváltoztatása impulzusváltozással jár, ami a nagyobb fotonsűrűség (optikai tengely) felé tereli a testet A fény-nyomás egyensúlyt tart a gravitációval lézer otolemez, melyen a hologram képződik interferencia Hologram lézer Megfigyelő Divergens nyaláb Eredeti nyaláb Konvergens nyaláb oton sűrűség Optikai tengely Távolság Mikromanipuláció Szelekció, sejtfúzió, megtermékenyítés pn nagyságú molekuláris erők és nm-es távolságok mérése tárgy Tárgyról szórt fotonok Virtuális 3D kép Valódi 3D kép