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)

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

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

Távolságmérés hullámokkal. Sarkadi Tamás

NAGY ENERGIA SŰRŰSÉGŰ HEGESZTÉSI ELJÁRÁSOK

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

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

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

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

A hőmérsékleti sugárzás

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

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Abszorpciós fotometria

Lézerek. Extreme Light Infrastructure. Készítette : Éles Bálint

Az elektromágneses hullámok

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Abszorpció, emlékeztetõ

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

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

Abszorpciós fotometria

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Fotonikai eszközök ZH bulid10.10.sp1

Abszorpciós fotometria

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

LÉZEREK ÉS (KATONAI) ALKALMAZÁSAIK BEVEZETÉS

2.4. ábra Alkalmazási területek

A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

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

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

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

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

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

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

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

Az elektromágneses spektrum és a lézer

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

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

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

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

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

Abszorpciós fotometria

Abszorpciós spektroszkópia

LÉZER: Alapok, tulajdonságok, alkalmazások

Ipari Lézerek és Alkalmazásaik

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

Színképelemzés. Romsics Imre április 11.

Lézerek dióhéjban az Adyban

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Lézerek Lézer és orvosbiológiai alkalmazásaik

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

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

Optika Gröller BMF Kandó MTI

Az elektromágneses színkép és egyes tartományai

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

Abszorpciós fotometria

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

Atomfizika I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag?

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

Röntgen. W. C. Röntgen. Fizika-Biofizika

Elektromágneses hullámegyenlet

Modern fizika vegyes tesztek

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

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

Szilárd testek sugárzása

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

Fermi Dirac statisztika elemei

Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

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

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

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

9. Fotoelektron-spektroszkópia

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

A hőmérsékleti sugárzás

2, = 5221 K (7.2)

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


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

Nanoelektronikai eszközök III.

Thomson-modell (puding-modell)

Talián Csaba Gábor Biofizikai Intézet április 17.

2.ea Fényforrások. Nagynyomású kisülő lámpák OMKTI

jelszó: geta5

LÉZERDIÓDA KARAKTERISZTIKA ÉS SUGÁRZÁSI PROFIL MÉRÉSE

Lézer. Lézerek mindenütt. Lézer: Lézer

Molekulaspektroszkópiai módszerek UV-VIS; IR

Forró gázok spektruma emissziós sp. Abszorpciós spektrum: fényelnyelés

Kimenő üzemmód ; Teljesítmény

2. A hőátadás formái és törvényei 2. A hőátadás formái Tapasztalat: tűz, füst, meleg edény füle, napozás Hőáramlás (konvekció) olyan folyamat,

Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

Biofizika tesztkérdések

Sugárzásos hőtranszport

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

AZ ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS KETTŐS TERMÉSZETE

Átírás:

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?) Inkoherens fény Atomok egymástól függetlenül sugároznak ki különböző hullámhosszon, különböző fázissal fotonokat. 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. Optikai rács 1. elhajlási rend Beérkező síkhullám d φ Integrált spektrométer CCD detektor tükrök φ λ Elhajlási rend iránya függ a hullámhossztól sin(φ)=λ/d Optikai szál bemenet Optikai rács

Atomok fénykibocsátása, fényelnyelése Bohr-modell: abszorpció emisszió foton foton E h A Bohr-féle atommodellben az elektronok meghatározott energiájú pályákon létezhetnek (keringenek) az atommag körül. A foton abszorpciója során az atom elektronja elnyel egy fotont, miközben egy magasabb energiaszintre, egy külsőbb pályára kerül. Az elnyelt foton energiája éppen az elektronnak a két pályára meghatározható energiának a különbsége: E=E2-E1=hν. Az emisszió során egy magasabb energianívójú pályáról az elektron visszaugrik egy belsőbb, azaz kisebb energiájú pályára, miközben az atom kisugároz egy, a két nívó energiakülönbségének megfelelő energiájú fotont. A Bohr-féle atommodell alkalmazásával magyarázható az emissziós és az abszorpciós spektrum vonalas szerkezete.

Az Einstein együtthatók 1. gáz Abszorpció (fényelnyelés) Fényforrás Spektrométer Spektrum : Kétnívós atom modell: Az atomot kétnívós rendszernek tekintjük. Az egységnyi térfogatban található alapállapotú atomok száma:. Abszorpciós vonalak gerjesztett állapot E h E Az egységnyi térfogatban található gerjesztett (magasabb energiájú) atomok száma:. + = N = állandó. d2 adja meg a dt időtartam alatt gerjesztett (alapállapotból gerjesztett állapotba jutó) atomok számát. B12 az abszorpcióra jellemző Einstein együttható. g a fekete test sugárzás leírásából ismert fotonsűrűség frekvencia szerinti eloszlása. alapállapot abszorpció d2 B12 g dt Einstein együttható Foton sűrűség

Az Einstein együtthatók 2. Spektrométer Spontán emisszió Gázkisülés Spektrum : gerjesztett állapot alapállapot E h Emissziós vonalak spontán emisszió A12 N 2 dt dn 21 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 E hv alapállapot E hv E hv indukált emisszió B21g N 2 dt dn 21 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 E hv E d2 B12 g dt E hv E hv E hv abszorpció spontán emisszió A12 N 2 dt dn 21 pl: légkörön áthaladt napfény spektruma indukált emisszió B21g N 2 dt dn 21 pl: kisülő lámpák spektruma Honnan tudta Einstein, hogy létezik indukált emisszió? Spektrum: Abszorpciós vonalak Spektrum: 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. d2 B12 g dt A12 N 2 dt spontán emisszió dn 21 indukált emisszió dn 21 B21g N 2 dt abszorpció dn 21 d2 dn 21 Kifejezve a A12 / B12 g fotonsűrűséget: B21 B12 Termodinamikai egyensúlyban a fotonsűrűség: h 3 g 3 h c exp 1 k BT 8 Lásd: (hőmérsékleti sugárzás) g A12 / B12 h B21 exp kt B12 A két kifejezés csak akkor lehet egyenlő, ha: 1) B12 B21 Vagyis az indukált emisszió Einstein együtthatója nem nulla! 2) A21 8h 3 B12 c3 A spontán emisszió és az indukált emisszió gyakoriságának aránya: ( =10µm, T=300K) A21 Szobahőmérsékleten, közeli infravörös 125 tartományban a spontán emisszió 125x gb12 gyakoribb, mint az indukált emisszió! Termodinamikai egyensúlyban lévő rendszerben az energiaeloszlás Boltzmann-statisztikát mutat: E E exp 1 N 2 exp 2 kt kt E E2 E1 h E2 E1 N Kétnívós, termodinamikai egyensúlyban lévő rendszerre : h exp kt

Indukált emisszió valószínűségének növelése Populáció inverzió megvalósításával: Termikus egyensúlyban E a betöltöttség: E2 E2 E1 kt e N 1 E1 N Populáció inverzió esetén: E N 2 E2 E1 N A populáció inverzió megvalósításához legalább 3 nívó szükséges: 1. 2. 3. 4. E3 E3 E3 E3 E2 E2 E2 E2 E1 E1 E1 E1 A rendszer Pumpálás hvp energiájú fotonokkal (külső fényforrás) Az E3 nívó élettartama rövid, (t3~10-9s) az elektronok az E2 nívóra kerülnek (nem sugárzó átmenet) Az E2 nívó élettartama hosszú, (t2~10-3s) így az E1 és az E2 nívó populációja inverz

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

Optikai rezonátor Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Pumpáló fényforrás tükör Nyitótükör Erősítő közeg Lézerfény L Rezonátor módusok távolsága: f c 2L A rezonátor egyrészt elősegíti, hogy a fotonnyaláb többször áthaladva a lézeraktív anyagon az indukált emisszióval felerősödjön, másrészt növeli a fény koherenciáját A rezonátor által meghatározott frekvenciák és a lézeraktív anyag erősítési görbéje együttesen határozzák meg a lézer fényének spektrumát.

A lézerműködés feltételei, lézerfény tulajdonságai Lézerműködés feltételei - Populáció inverzió Megvalósítható Alkalmasan megválasztott erősítő közeggel és pumpálással - Indukált emisszió - Optikai erősítés Rezonátor tükrök 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.

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. =632,8 nm P=1-10 mw - Jellemző koherencia hossz: l~30 cm - Hatásfok ~5% - Felhasználása: laboratóriumi eszközök, interferométerek

Gázlézer (CO2) =10,6 µm Megmunkálófej Tükör (Au) P=10-10000 W CO2 molekula rezgési módusai közti átmenetek - Gerjesztése: elektromos kisüléssel CO2 lézer nyaláb - Hatásfok ~10-20% - Nagy teljesítmény - Felhasználása: ipari megmunkálás, sebészet Gáz befúvás Fókusz szabályzó ZnSe fókuszáló lencse Fókusztávolság: 4060 mm Fúvóka Fókuszfolt mérete: ~0,02-0,3 mm

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

Szilárdtest lézer (Nd:YAG) =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 CO2) 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: =~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