Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Hasonló dokumentumok
Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

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

A lézer alapjairól (az iskolában)

Concursul Preolimpic de Fizică România - Ungaria - Moldova Ediţia a XVIII-a, Cluj-Napoca Proba teoretică, 1 iunie II. Feladat: Lézer (10 pont)

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

Távolságmérés hullámokkal. Sarkadi Tamás

A hőmérsékleti sugárzás

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

NAGY ENERGIA SŰRŰSÉGŰ HEGESZTÉSI ELJÁRÁSOK

Abszorpciós spektrumvonalak alakja. Vonalak eredete (ld. előző óra)

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Fizikai Kémia és Anyagtudomány Tanszék. Lézerek és mézerek

Lézerek. Extreme Light Infrastructure. Készítette : Éles Bálint

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

Rövid impulzusok esetén optikai Q-kapcsolót is találhatunk a részben áteresztő tükör és a lézer aktív anyag között.

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

A hőmérsékleti sugárzás

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Abszorpciós fotometria

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

LÉZEREK ÉS (KATONAI) ALKALMAZÁSAIK BEVEZETÉS

Abszorpció, emlékeztetõ

A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

1. Az üregsugárzás törvényei

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Abszorpciós fotometria

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Fotonikai eszközök ZH bulid10.10.sp1

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

Abszorpciós fotometria

Az elektromágneses hullámok

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Az elektromágneses spektrum és a lézer

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Szilárd testek sugárzása

2.4. ábra Alkalmazási területek

Az időtől független Schrödinger-egyenlet (energia sajátértékegyenlet), A Laplace operátor derékszögű koordinátarendszerben

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

Abszorpciós spektroszkópia

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

LÉZER: Alapok, tulajdonságok, alkalmazások

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Dr. JUVANCZ ZOLTÁN Óbudai Egyetem Dr. FENYVESI ÉVA CycloLab Kft

Elektromágneses hullámegyenlet

Hogyan bírhatjuk szóra a molekulákat, avagy mi is az a spektroszkópia?

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

Laser / lézer. Egy kis történelem. Egy kis történelem. Egy kis történelem Albert Einstein: az indukált emisszió elméleti predikciója

2, = 5221 K (7.2)

Lézerek dióhéjban az Adyban

9. Fotoelektron-spektroszkópia

Tudnivalók. Dr. Horváth András. 0.1-es változat. Kedves Hallgató!

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

Modern fizika vegyes tesztek

E (total) = E (translational) + E (rotation) + E (vibration) + E (electronic) + E (electronic

Az elektromágneses színkép és egyes tartományai

Abszorpciós fotometria

Sugárzásos hőtranszport

A lézerek működési elve, indukált emisszió, populációinverzió, tükörrezonátor A rubinlézer és a He-Ne lézer. A lézerfény tulajdonságai

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Optika Gröller BMF Kandó MTI

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Forró gázok spektruma emissziós sp. Abszorpciós spektrum: fényelnyelés

Kutatóegyetemi Kiválósági Központ 1. Szuperlézer alprogram: lézerek fejlesztése, alkalmazásai felkészülés az ELI-re Dr. Varjú Katalin egyetemi docens

Lézerek Lézer és orvosbiológiai alkalmazásaik

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

OPTIKA. Vozáry Eszter November

Ipari Lézerek és Alkalmazásaik

AZ ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS KETTŐS TERMÉSZETE

Laser / lézer. Egy kis történelem. Egy kis történelem. Egy kis történelem Albert Einstein: az indukált emisszió elméleti predikciója

NÁNAI László. Lézerek. SZTE JGYPK Ált. és Környezetfizikai Tsz Szeged

Munkagázok hatása a hegesztési technológiára és a hegesztési kötésre a CO 2 és a szilárdtest lézersugaras hegesztéseknél

A fény keletkezése. Hőmérsékleti sugárzás. Hőmérsékleti sugárzás. Lumineszcencia. Lézer. Tapasztalat: a forró testek Hőmérsékleti sugárzás

A femtoszekundumos lézerektől az attoszekundumos fizikáig

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET) Modern Biofizikai Kutatási Módszerek

A légköri sugárzás. Sugárzási törvények, légköri veszteségek, energiaháztartás

LÉZERDIÓDA KARAKTERISZTIKA ÉS SUGÁRZÁSI PROFIL MÉRÉSE

11.3. Az Achilles- ín egy olyan rugónak tekinthető, amelynek rugóállandója N/m. Mekkora erő szükséges az ín 2 mm- rel történő megnyújtásához?

Szervetlen komponensek analízise. A, Atomspektroszkópia B, Molekulaspektroszkópia C, Elektrokémia D, Egyéb (radiokémia, termikus analízis, stb.

Molekulaspektroszkópiai módszerek UV-VIS; IR

Sugárzáson, és infravörös sugárzáson alapuló hőmérséklet mérés.

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

A fény keletkezése. Hőmérsékleti sugárzás. Hőmérsékleti sugárzás. Lumineszcencia. Lézer. Tapasztalat: a forró testek Hőmérsékleti sugárzás


Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

Fermi Dirac statisztika elemei

Színképelemzés. Romsics Imre április 11.

Kémiai alapismeretek 2. hét

Newton kísérletei a fehér fénnyel. Sir Isaac Newton ( )

Lumineszcencia. Lumineszcencia. mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Alapjai, tulajdonságai, mérése. Kellermayer Miklós

Talián Csaba Gábor Biofizikai Intézet április 17.

2013. április. Tartalomjegyzék. 1. Bevezetés A koherencia Lézertípusok Ajánlott irodalom 13

Az optika tudományterületei

Lézertechnika a mérnökgeodéziában

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Hőmérsékleti sugárzás

Átírás:

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?) Inkoherens fény Atomok egymástól függetlenül sugároznak ki különböző hullámhosszon sugároznak ki elektromágneses hullámokat Pl: Termikus sugárzó Koherens fény Atomok kollektív sugárzása: az atomok azonos energiájú és azonos impulzusú fotonokat bocsátanak ki. Pl: Lézer

Spektrométer Spektrum: Elektromágneses sugárzás hullámhossz szerinti felbontása. A spektrumok mérésére szolgáló eszköz a spektrométer. A fény spektruma alapján következtethetünk arra, milyen anyag bocsátotta ki az adott elektromágneses sugárzást, vagy arra, hogy a hullám milyen anyagokkal lépett kölcsönhatásba. Spektrumok mérésével megállapíthatjuk vegyi anyagok, élelmiszerek, vagy akár távoli csillagok anyagi összetételét, tanulmányozhatjuk az atomok elektronszerkezetét. A spektrométerekben a hullámhossz szerinti felbontást prizma, vagy optikai rács valósítja meg. eérkező íkhullám Optikai rács 1. elhajlási rend Integrált spektrométer tükrök CCD detektor d φ λ φ Elhajlási rend iránya függ a hullámhossztól sin(φ)=λ/d Optikai szál bemenet Optikai rács

Termikus sugárzás Planck-féle sugárzási törvény Hullámhossz szerint: 2hc g( λ, T) = 5 λ 2 1 hc exp λkt 1 Frekvencia szerint: 8π hν g( ν, T) = 3 c hν exp 1 kt 3 Planck-állandó: h Boltzmann-állandó: k Összes kisugárzott intenzitás 8π hν I( ν, T) = 3 c hν exp 1 kt 3 Stefan-Boltzmann törvény Wien-féle eltolódási törvény Minél nagyobb a sugárzó T hőmérséklete, annál rövidebb az a λmax hullámhossz, amely hullámhosszon a sugárzás spektrális teljesítménysűrűsége a legnagyobb.

Atomok fénykibocsátása, fényelnyelése Bohr-modell: foton ΔE abszorpció = hν =!ω Bohr-modell: emisszió foton ΔE = hν =!ω 2. 2. 2. 2. 1. + 1. + 1. + 1. + alapállapot gerjesztett állapot alapállapot gerjesztett állapot Schrödinger-modell: Megtalálási valószínűség sűrűség-függvénye foton r [pm] r [pm] A foton abszorpciója során az atom elektronja elnyel egy fotont, miközben egy magasabb energiaszintre kerül. Az elnyelt foton energiája megegyezik az elektron két állapota közti energiakülönbséggel: ΔE=E2-E1=hν. Megtalálási valószínűség sűrűség-függvénye Schrödinger-modell: r [pm] foton r [pm] Az emisszió során az elektron egy magasabb energiájú állapotból alacsonyabb energiájú állapotba kerül, miközben kisugároz egy, a két állapot energiakülönbségének megfelelő energiájú fotont.

Az Einstein együtthatók 1. Abszorpció (fényelnyelés) Fényforrás gáz Spektrométer Spektrum : Kétnívós atom modell: Az atomot kétnívós rendszernek tekintjük. Abszorpciós vonalak Az egységnyi térfogatban található alapállapotú atomok száma: N 1. Az egységnyi térfogatban található gerjesztett (magasabb energiájú) atomok száma: N 2. gerjesztett állapot alapállapot E = hν N 2 ΔE N 1 N 1 + N 2 = N = állandó. abszorpció dn 12 adja meg a dt időtartam alatt gerjesztett (alapállapotból gerjesztett állapotba jutó) atomok számát. dn12 = B12gν N1dt B 12 az abszorpcióra jellemző Einstein együttható. g ν a fekete test sugárzás leírásából ismert fotonsűrűség frekvencia szerinti eloszlása. Einstein együttható Foton sűrűség

Az Einstein együtthatók 2. Spontán emisszió Gázkisülés Spektrum : Spektrométer gerjesztett állapot N 2 E = hν Emissziós vonalak alapállapot N 1 spontán emisszió dn21 ʹ = A12N2dt Einstein együttható dn 21 adja meg a dt időtartam alatt a spontán folyamattal gerjesztettségét elvesztő (alapállapotba jutó) atomok számát. A spontán emisszió alatt az atom egy hν energiájú foton kisugárzásával csökkenti energiáját. A spontán emisszió külső behatás nélkül jön létre (hasonló a bomlási folyamatokhoz): a gerjesztett állapotnak van egy átlagos élettartama. A sugárzás iránya nem meghatározott, fázisa véletlen.

Az Einstein együtthatók 3. Indukált emisszió Az indukált emisszió modelljét Einstein javasolta 1917-ben. gerjesztett állapot alapállapot E = hv N 2 E = hv E = hv N 1 indukált emisszió dn21 ʹʹ = B21gν N2dt Einstein együttható Foton sűrűség: Külső behatásra jön létre: Egy külső foton kölcsönhatásba lép az atommal. Az indukált emisszió során a beeső fotonnal azonos energiájú (hullámhosszú), azonos irányú és fázisú foton kibocsájtásával gerjesztődik le az atom. A folyamat fényerősítésre használható. (Pl: Erbiummal adalékolt optikai szálak a távközlésben) dn 21 adja meg a dt időtartam alatt indukált emisszióval legerjesztődő (alapállapotba jutó) atomok számát. Ez értelemszerűen arányos a gerjesztett atomok számával és a fotonok számával (sűrűségével) is.

Két állapotú atom és foton kölcsönhatásai E = hv N 2 N 2 ΔE E = hv E = hv N 2 E = hv E = hv N 1 N 1 abszorpció spontán emisszió dn12 = B12gν N1dt Nʹ A N dt d 21 = 12 2 indukált emisszió N 1 dn21 ʹʹ = B21gν N2dt pl: légkörön áthaladt napfény spektruma pl: kisülő lámpák spektruma Honnan tudta Einstein, hogy létezik indukált emisszió? Spektrum: Spektrum: Abszorpciós vonalak Emissziós vonalak

Einstein együtthatók meghatározása termodinamikai egyensúlyban Ha a rendszer termodinamikai egyensúlyban van, akkor az időegység alatt gerjesztődő és a foton-emisszióval alapállapotba jutó atomok száma megegyezik. dn abszorpció: spontán emisszió: indukált emisszió: g ν ʹ 12 = dn21 + dn21 dn12 = B12gν N1dt Nʹ A N Kifejezve a fotonsűrűséget: g ν = A N N 12 / 1 2 B B B 12 21 12 A12 / B12 = hν B exp kt B ʹʹ d 21 = 12 2dt dn21 ʹʹ = B21gν N2 21 12 A két kifejezés csak akkor lehet egyenlő, ha: 3 1) B A12 8hν 12 = B 2) 21 = B 3 12 c Vagyis az indukált emisszió Einstein együtthatója nem nulla! π dt Termodinamikai egyensúlyban lévő rendszerben az energiaeloszlás Boltzmann-statisztikát mutat: E 1 exp kt E kt N 1 2 exp N 2 Kétnívós, termodinamikai egyensúlyban lévő rendszerre : N1 E2 E1 hν = exp = exp E 2 E 1 = hν N kt kt 2 Termodinamikai egyensúlyban a fotonsűrűség: 3 g Lásd: (hőmérsékleti ν sugárzás) 8π hν = 3 c hν exp 1 kt E E 1 E 2 N 2 N 1 A spontán emisszió és az indukált emisszió gyakoriságának aránya: (λ=10µm, T=300K) dn' dn" 21 12 = 21 = gb A 12 125 Szobahőmérsékleten, közeli infravörös tartományban a spontán emisszió 125x gyakoribb, mint az indukált emisszió! N

Indukált emisszió valószínűségének növelése Populáció inverzió megvalósításával: Termikus egyensúlyban E a betöltöttség: Populáció inverzió esetén: E E 2 N 2 N N 2 1 = e E E 2 kt 1 E 2 N 2 > N 1 N 2 E 1 N 1 N E 1 N 1 N A populáció inverzió megvalósításához legalább 3 nívó szükséges: 1. 2. 3. 4. E 3 E 3 E 3 E 3 E 2 E 2 E 2 E 2 E 1 E 1 E 1 E 1 Alapállapotú rendszer Pumpálás hv p energiájú fotonokkal (külső fényforrás) Az E 3 nívó élettartama rövid, (t 3 ~10-9 s) az elektronok az E 2 nívóra kerülnek Az E 2 nívó élettartama hosszú, (t 2 ~10-3 s) így az E 1 és az E 2 nívó populációja inverz

Fényerősítés indukált emisszióval Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Indukált emisszó inverz populációjú közegben: hv 2 x hv 4 x hv 8 x hv Folytonos erősítés fenntartása pumpálással: hv Erősítő közeg Az erősítés impulzus-szerű, hiszen az indukált emissziót követően az elektronok alapállapotba kerülnek Pumpálás (abszorpció) és erősítés (indukált emisszió) ciklikus ismétlődése Pumpáló fényforrás Pumpálás hv 2 x hv Erősítő közeg Visszacsatolás tükrökkel: optikai rezonátor tükör Pumpáló fényforrás Erősítő közeg Nyitótükör transzmisszió ~5% Lézerfény

Optikai rezonátor Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation tükör Pumpáló fényforrás Erősítő közeg Nyitótükör Lézerfény A rezonátor által meghatározott frekvenciák és a lézeraktív anyag erősítési görbéje együttesen határozzák meg a lézer fényének spektrumát. Elektromágneses tér módusai L Rezonátor módusok távolsága: Δf = c 2L A rezonátor elősegíti, hogy az elektromágneses térnek csak egy (vagy csak néhány) módusa gerjesztődjön, miáltal a rezonátorból kilépő fény koherens lesz.

A lézerműködés feltételei, lézerfény tulajdonságai Lézerműködés feltételei Megvalósítható: - Populáció inverzió -Alkalmasan megválasztott erősítő közeggel - Indukált emisszió -Pumpálással - Optikai erősítés -Rezonátor tükrök segítségével Lézerfény tulajdonságai: - Monokromatikus (egyszínű; jellemző, stabil hullámhossza van) - Kollimált (a nyalábnak kis nyílásszöge van) - Koherens (a hullámtér két eltérő pontjában az elektromágneses rezgés fázisa időben állandó.) (A koherencia csak egy bizonyos távolságtartományon belül igaz, ezt a távolságtartományt koherencia hossznak nevezzük. Néhány mm-től akár km-ig terjedhet) Ezen tulajdonságok közös oka, hogy a lézerben indukált emisszió segítségével keltjük a fényt, ellentétben más fényforrásokkal, ahol a fény spontán emisszió útján jön létre.

Fókuszálhatóság Kollimált lézernyaláb A lézerfény veszélyei Nagy fénysűrűség Hagyományos fényforrás fénye lézerfény Ha P<1mW és Δt<0,25s, nem történik maradandó károsodás

Gázlézer (He-Ne) A gáztérben lévő plazmában (amelyben szabad elektronok és pozitív ionok is vannak) a hélium atomok a rugalmatlan ütközések során gerjesztődhetnek. Egy gerjesztett hélium atom - ütközve egy neon atommal - átadhatja annak gerjesztési energiáját. A lézerműködés (indukált emisszió) a rezonátor tükreinek reflexiójától függően a neon atom két megengedett nívója között jöhet létre. λ=632,8 nm P=1-10 mw - Jellemző koherencia hossz: l~30 cm - Hatásfok ~5% - Felhasználása: laboratóriumi eszközök, interferométerek

Gázlézer (CO 2 ) λ=10,6 µm P=10-10000 W -CO 2 molekula rezgési módusai közti átmenetek - Gerjesztése: elektromos kisüléssel - Hatásfok ~10-20% - Nagy teljesítmény - Felhasználása: ipari megmunkálás, sebészet CO 2 lézer forrás Gázbeáramlás Fúvóka Tükör (Au) Fókusz szabályzó Fókuszáló lencse (ZnSe) Fókusztávolság 40-60 mm, fókuszfolt: 0,02-0,3 mm

Szilárdtest lézer (rubin) Rubin lézer: 1960. Nobel-díj 1964-ben. (N. G. Basov, A. Prokhorov, C. H. Townes) λ=694,3 nm P=1-2 mw impulzus üzemű Felhasználása: laboratóriumi eszközök, lézeres radar Jellemző koherencia-hossz: néhány mm

Szilárdtest lézer (Nd:YAG) λ=1064 nm, 532 nm (frekvencia kétszerezve) P=1 mw-5000 W - Gerjesztése: kisülőlámpával, LED-del, lézerdiódával - Felhasználása: laboratóriumi eszközök, lézer pointer, ipari megmunkálás, sebészet (finomabb megmunkálást tesz lehetővé, mint a CO 2 ) Neodímium atomok Ittrium-alumínium-gránát kristályban

Festék lézer Lézeraktív anyag: szerves fluoreszcens festékek Rezonátorban elhelyezett diszperzív optikai elem segítségével a lézer hullámhossza széles (~100 nm-es) tartományban hangoltató: λ=~1000 nm - 400 nm (festéktől függően P=1 mw-5000 W - Gerjesztése: kisülőlámpával, másik lézerrel - Felhasználása: spektroszkópia, ipari megmunkálás, sebészet, bőrgyógyászat.

További alkalmazások Vágás, hegesztés, forrasztás, felületkezelés Hologram készítés Traffipax Áramlástani vizsgálatok Anyagvizsgálati módszerek Interferometria, alakmérés