Az elektromágneses spektrum és a lézer A fény Ujfalusi Zoltán PTE ÁOK Biofizikai Intézet 2010. szeptember Kutatók fizikusok, kémikusok, asztronómusok Sir Isaac Newton Sir William Herschel Johann Wilhelm Ritter Joseph von Fraunhofer Robert Wilhelm Bunsen Gustav Robert Kirchhoff Albert Einstein Louis-Victor de Broglie James Clerk Maxwell Heinrich Rudolf - diszperzió (1664) - IR (1800) - UV (1801) - Nap vonalas színképe (1814) - vonalak értelmezése (1861) - vonalak értelmezése (1861) - fénykvantum (foton) (1904) - anyaghullám (1924) - EM sugárzás elm. (1864) - EM sugárzás gyak. (1888) Transzverzális hullám E B x x Elektromágneses hullám elektromos térerősségvektor hullámhossz Az elektromos és a mágneses térerősség vektorai merőlegesek egymásra, valamint a haladási irányra! James Clerk Maxwell (1864) elméleti szinten igazolta létezésüket. Heinrich Rudolf (1888) létezésüket kísérletesen bizonyította. Huygens-Fresnel elv 1. Egy hullámfelület minden pontja pontforrásként működik (elemi hullámok indulnak ki belőle). 2. Ezekből induló hullámok interferenciája határozza meg a hullám további viselkedését. Fény és anyag kölcsönhatása Kvantált energia felvétel (foton) Atomi rendszerrel (anyaggal) kölcsönható elektromágneses sugárzás: visszaverődhet (reflexió) elnyelődhet (abszorpció) áthaladhat (transzmisszió) (szóródhat) 1
abszorpció Az energia felbontása E összes = E elektron + E vibrációs + E rotációs Az energiatípusok nagyságrendje: E elektron ~ 1,000 * E vibrációs ~ 1,000,000 * E rotációs Abszorpció Miért ( ) és nemcsak? I = I 0. 10 - ( ) x c Lambert-Beer törvény ( ): az extinkciós koefficiens (anyagi minőségtől függ), c: a minta koncentrációja, x: az optikai úthossz Mert az abszorpció (nm) függő, így az is az kell hogy legyen! Hogyan mérjük az abszorpciót? fotometria = abszorpciós spektroszkópia Egy fotométer egyszerű sémája: fényforrás monokromátor minta detektor Prizma vagy optikai rács + rés Folytonos fényű, pl.: halogén, deutérium, xenon, stb. lámpa műanyag, üveg, kvarc küvettákban 2
I 0 Transzmisszió I Fényszórás Tömény (nagy koncentrációjú) mintáknál jelentkezhet a stray light effect mellett! fényforrás Minta detektor T = I / I 0 Általában százalékban (%) adjuk meg. minta Fontos fizikai mennyiségek, összefüggések A fény kettős természete Frekvencia: (1/s) Hullám (terjedéskor) Részecske (kölcsönhatáskor) c Hullámhossz: (m) 1 Hullámszám: Energia: (cm -1 ) E (J) h. Einstein: foton (fénykvantum) energiája Extinkc. koeff.: (M -1 cm -1 vagy (mg/ml) -1 cm -1 ) Elhajlás (diffrakció) Interferencia Polarizáció Fotoeffektus Compton-effektus Albert Einstein (1905) : fotoelektromos hatás foton (fény kvantum), energiája: E = h (vagy E = h f) Louis-Victor de Broglie (1924) : anyaghullám elmélet (minden anyagnak van hullámtermészete) λ = h/p, ahol p az impulzus => λ = h/m v Polarizáció Síkban polarizált fény 3
abszorpció A spektrum Egy hullám, például elektromágneses hullám felhasadása alkotó frekvenciáira. Egy intenzitás-jellegű mennyiség ábrázolva egy energiajellegű mennyiség függvényében. energia és azzal arányos mennyiségek (pl. frekvencia, hullámhossz, hullámszám) A spektrumok megjelenési formái vonalas (atomok) sávos (molekulák) folytonos (hevített anyagok) I intenzitás, beütésszám (pl. radioaktivitás mérése), fotonszám, transzmittancia, abszorbancia (extinkció, OD) (nm) Folytonos emissziós Vonalas emissziós Vonalas abszorpciós Joseph von Fraunhofer (1787 1826) Néhány elem vonalas (emissziós) spektruma He Hg Na Ne Ar A lumineszcencia típusai 4
Praya dubia Bathocyroë Hogyan mérünk fluoreszcenciát? ( steady-state eset) fényforrás hullámhossz választás minta Atolla vanhoeffeni hullámhossz választás detektor LÉZERTÖRTÉNET DIÓHÉJBAN Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1917 - Albert Einstein: a stimulált emisszió lehetőségének elméleti kimutatása 1946 - G. Meyer-Schwickerather: első szemműtét fénnyel 1950 - Arthur Schawlow és Charles Townes: emittált fotonok a látható tartományba eshetnek 1954 - N.G. Baszov, A.M. Prohorov, és C. Townes: ammóniamézer 1960 - Theodore Maiman: első működő lézer (rubinlézer) 1964 - Baszov, Prohorov, Townes (Nobel díj): kvantumelektronika 1970 - Arthur Ashkin: lézercsipesz 1971 - Gábor Dénes (Nobel díj): holográfia 1997 - S. Chu, W.D. Phillips és C. Cohen-Tanoudji (Nobel díj): lézeres atomhűtés A lézerműködés alapjai I. Kényszerített emisszió E 2 Elemi sugárzási folyamatok: 1. Abszorpció 2. Spontán emisszió 3. Kényszerített emisszió ( ) ( ) B 21 B 12 A 21 E 1 Átmenet gyakorisága: n 12 =N 1 B 12 ( ) E= E 2 -E 1 =h energiakvantum elnyelésekor. N 2 N 1 Magyarázat: kétállapotú atomi vagy molekuláris rendszer E 1, E 2 : energianívók, E 2>E 1 ( ) : sugárzási tér spektrális energiasűrűsége Átmenet gyakorisága: n 21 =N 2 A 21 E 2 -E 1 fotonok egymástól függetlenül a tér minden irányába. N 1, N 2 : adott energianívón levő atomok, molekulák száma B 12, A 21, B 21: energianívók közötti átmeneti valószínűségek (Einstein-féle együtthatók), B 12 = B 21 Átmenet gyakorisága: n 21 =N 2 B 21 ( ) Külső sugárzási tér hatására. Sugárzási tér energiája nő. Emittált és külső fotonok fázisa, iránya, frekvenciája megegyezik. A lézerműködés alapjai II. Populáció inverzió Fényerősítés az energianívók relatív betöltöttségétől függ F A Aktív közeg dz F+dF A lézerműködés alapjai III. Optikai rezonancia Zárótükör Pumpálás Részlegesen áteresztő tükör Aktív közeg Lézernyaláb E 1 E 1 E 0 Termikus egyensúly E 0 Populáció inverzió d=n /2 Populáció inverzió csak többállapotú rendszerben! Pumpálás: elektromos, optikai, kémiai energia E 2 Pumpálás E 0 E1 Gyors relaxáció Metastabil állapot Lézerátmenet Rezonátor: két párhuzamos sík (vagy homorú) tükör a kimenő fényteljesítmény egy részét visszacsatolja a közegbe pozitív visszacsatolás -> öngerjesztés -> rezonancia 5
A lézerfény tulajdonságai 1. Kis divergencia Párhuzamos nyaláb 2. Nagy teljesítmény Folytonos üzemmódban több tíz, akár száz W (pl. CO 2 lézer) Q-kapcsolású üzemmódban a pillanatnyi teljesítmény hatalmas (GW) Kis divergencia miatt óriási térbeli teljesítménysűrűség 3. Kis spektrális sávszélesség Monokromaticitás Nagy spektrális energiasűrűség 4. Polarizáltság 5. Rendkívül rövid impulzusok lehetősége ps, fs 6. Koherencia fázisazonosság, interferenciaképesség Időbeli koherencia (különböző időpontokban emittált fotonok fázisazonossága) Térbeli koherencia (nyalábkeresztmetszet menti fázisazonosság) Lézertípusok Fényerősítő közeg alapján: 1. Szilárdtest lézerek Kristályokba v. üveganyagokba bevitt fémszennyeződés; Rubin, Nd-YAG, Ti-zafír Vörös-infravörös spektrális tartomány; Folytonos, Q-kapcsolású üzemmód, nagy teljesítmény 2. Gázlézerek Legismertebb: He-Ne lézer (10 He/Ne). Kis energia, Széleskörű használat CO 2 lézer: CO 2 -N 2 -He keverék; ~10 µm; Óriási teljesítmény (100 W) 3. Festéklézerek Szerves festékek (pl. rodamin, kumarin) híg oldata; Pumpálásra más lézer használt Nagy teljesítmény (Q-kapcsolt módban); Hangolható 4. Félvezető lézerek Rezonátor tükrökre nincs szükség (belső visszaverődés) Vörös, IR spektrális tartomány. Nagy kontinuus üzemmódú teljesítmény (akár 100W) Nyalábkarakterisztika nem túl jó. Kis méret miatt széleskörű alkalmazás. 6