Lézerek. A lézerműködés feltételei. Lézerek osztályozása. Folytonos lézerek (He-Ne) Impulzus üzemű lézerek (Nd-YAG, Ti:Sa) Ultrarövid impulzusok

Átírás

1 Lézerek

2 Lézerek A lézerműködés feltételei Lézerek osztályozása Folytonos lézerek (He-Ne) Impulzus üzemű lézerek (Nd-YAG, Ti:Sa) Ultrarövid impulzusok Extrém energiák Alkalmazások

3 A lézerműködés feltételei Pumpálás Populáció inverzió Stimulált emisszió Erősítés

4 Abszorpció és emisszió abszorpció spontán emisszió Stimulált emisszió LASER = Light amplification by stimulated emission of radiation

5 A lézerműködés folyamata I 0 I 1 I 3 Lézer aktív R = 100% anyag R < 100% I 2 A lézerben a lézeraktív anyagban kerül sor a stimulált emisszióra, a kilépő fotonok két tükör között járnak körbe újabb stimulált emissziót okozva. A kisebb reflexiójú tükrön a fotonok egy része kilép.

6 Populáció inverzió Miért van szükség a populáció inverzióra? Termikus egyensúlyban Populáció inverzió

7 Mire van szükség a populáció inverzióhoz? I I 0 I 1 I 3 Lézeraktív R = 100% anyag R < 95% I 2

8 Populáció inverzió

9 Két és három nívós lézerek Két nívós rendszer Három nívós Négy nívós rendszer Gyors relaxáció Gyors relaxáció Pumpa átmenet Lézer átmenet Pumpa átmenet Lézer átmenet Pumpa átmenet Lézer átmenet Gyors relaxáció Legjobb esetben egyenlő populáció, nincs lézer Erős pumpálás esetén van lézer Könnyen megvalósul a lézer

10 Lézerek osztályozása Energia szerint: I. osztály (veszélytelen, lézer pointerek, CD lejátszók stb.) II. osztály (< 1 mw, veszélytelen a pislogás miatt ), III. osztály (veszélyes, < 500 mw), IV. osztály (kiemelten veszélyes, égési sérüléseket okozhat, retinakárosodás stb.)

11 Lézerek osztályozása Az aktív anyag szerint: gáz lézerek (He-Ne, Ar-ion, CO2, N2, kripton stb.) szilárdtest lézerek (rubin, Nd-YAG, Nd-YLF, Nd-üveg, titán-zafír) dióda lézerek festék lézerek kémiai lézerek (I, HF, HBr, stb.)

12 Lézerek osztályozása Üzemmód szerint: Folytonos lézerek (CW = continuous wave) Impuzus lézerek : Q-kapcsolt lézerek, módus szinkronizált lézerek

13 Rubin lézer Sugárzás nélküli ámenet Metasabil állapotok 694,3 nm Az első lézer (Theodore Maiman, 1960 ) Az aktív anyag krómmal szennyezett szintetikus zafír kristály

14 He-Ne lézer Katód He-Ne keverék Anód R=100% U R=95 % 7:1 10:1 hélium és neon gáz keverék, alacsony nyomáson (3-7 mbar) A gerjesztett hélium atomok ütköznek a neon atomokkal Négy nívós lézer

15

16 Impulzus lézerek Q-kapcsolt lézerek Módusszinkronizált lézerek

17 Impulzus lézerek paraméterei Ismétlési frekvencia: 15 Hz 100 MHz Impulzushossz: ns - fs Energia: egy impulzusban tárolt energia nj-kj (1.85 National Ignition Facility)

18 National Ignition Facility

19 Rutherford Appleton Laboratory

20 Central Laser Facility ASTRA VULCAN LSF Extrém energiájú impulzusok (2.6 kj) Magfúziós kísérletek Extrém UV generálás Attoszekundumos impulzusok Kisebb méretű lézerek Rezgési spektroszkópia Képalkotás, lézercsipeszek

21 Extreme Light Infrastructure

22 Q-kapcsolt lézerek A módszer lényege a populáció inverzió maximalizálása, majd egy hatalmas impulzus kicsatolása Impulzushossz: ns

23

24 Módusszinkronizálás Hét longitudinális módus, illetve azok szuperpozíciója látható véletlenszerű fázis (A) és azonos fázis esetében (B). (Forrás: Enoch Small,1991 2

25 Titán-zafír lézer A legelterjedtebb femtoszekundumos lézer Lézeraktív anyag: titánnal szennyezett zafír kristály (nagyon jó hővezető, széles abszorpciós spektrum) Impulzushossz fs Energia: nj-mj Magyar kapcsolat: Femtolasers (Krausz Ferenc), R&D Ultrafast Lasers (Szipőcs Róbert)

26 Titán-zafír lézer

27 Tranziens Biofizika 100 fs, 1 nj, 100 MHz, 800 nm 100 fs, ~ µj, 1 khz, 800 nm Ch BBO CaF 2 A pumpa és próba impulzus térben (és időben) átfed a mintában! St Fotodióda Minta Monokromátor F CCD

28 Alkalmazások Időkorrelált egy-foton számlálás (ns, ps, fs) Mikroszkópok : konfokális, szuper felbontás (CW), két-foton (Ti:sa) FTIR (Fourier transformed infrared spectroscopy) Lézer csipesz (CW) Raman spektroszkópia (CW ) Tranziens abszorpció

29 LIBS analízis LIBS = Laser Induced Breakdown Spectroscopy

30 Az Akropolisz megtisztítása

31 Az Akropolisz megtisztítása

32 Lézeres tisztítás

33

34 Lézeres tisztítás Pécsett

35