NÁNAI László Lézerek SZTE JGYPK Ált. és Környezetfizikai Tsz Szeged www.meetthescientist.hu 1 26
Micsoda???? Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. L A S E R Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation www.meetthescientist.hu 2 26
Az első lézer: rubin lézer Theodore Maiman (1960) www.meetthescientist.hu 3 26
LÉZEREK FELHASZNÁLÁSA optika orvosi technika haditechnika informatika anyagmegmunkálás alkalmazások a kémiában: spektroszkópia fotokémia www.meetthescientist.hu 4 26
A LÉZEREK MŰKÖDÉSI ELVEI ALAPFELTÉTELEK Stimulált emisszió inverz populáció optikai rezonátor www.meetthescientist.hu 5 26
STIMULÁLT EMISSZIÓ (ÁTTEKINTÉS) www.meetthescientist.hu 6 26
ABSZORPCIÓ M + hν M 1 2 Sebességi egyenlet: dn / dt A N 1 = ρ 12 1 ν N 1 : kisebb energiájú mol. ρ ν koncentrációja : a fotonok koncentrációja A 12 : az abszorpció sebességi állandója www.meetthescientist.hu 7 26
SPONTÁN EMISSZIÓ M M + 2 1 hν Sebességi egyenlet: dn / dt = dn / dt = B N2ρ 2 1 21 ν B 21 : a spontán emisszió sebességi állandója www.meetthescientist.hu 8 26
STIMULÁLT EMISSZIÓ M + 2 + 1 hν M hν A keletkező foton frekvenciája, iránya, polarizációja és fázisa megegyezik a stimulálóéval. Sebességi egyenlet: dn2 / dt = dn1 / dt = A21N2ρ ν A 21 : a stimulált emisszió sebességi állandója www.meetthescientist.hu 9 26
EINSTEIN-RELÁCIÓK A három sebességi állandó közötti összefüggés: B 21 = 8 π h c ν 3 3 A 12 A = A 21 12 www.meetthescientist.hu 10 26
Lézerekben a fényt stimulált emisszióval erősítik, a lézer anyagában stimulált emisszióval több foton keletkezik, mint amennyi abszorbeálódik: Stimulált emisszió: Abszorpció: dn / dt = dn / dt = A N2ρ 2 1 21 ν dn 1ρ 1 / dt = A 12 N ν Mivel A 21 =A 12 a lézer működésének feltétele, N 2 >N 1 (Spontán emissziót elhanyagoltuk.) www.meetthescientist.hu 11 26
INVERZ POPULÁCIÓ Termikus egyensúlyban Boltzmann-eloszlás: N 1 /N 2 =exp((e 2 -E 1 )/kt) Ha T nő, N 1 közelít N 2 -höz. De N 1 <N 2 mindig fennmarad. Lézerekben N 2 >N 1. Ezt az állapotot nevezzük inverz populációnak. Nincs termikus egyensúly! Létrehozása speciális, három vagy négy E-szintes rendszerekkel lehetséges. www.meetthescientist.hu 12 26
LÉZEREK PUMPÁLÁSA Stimulált emisszióhoz szükséges energia közlése a lézer anyaggal. A pumpáláshoz használható: - fényenergia (villanó lámpa, másik lézer fénye) - elektromos energia (gázkisülés) - kémiai energia (kémiai reakció) www.meetthescientist.hu 13 26
OPTIKAI REZONÁTOR A lézerközeget két tükör közé helyezik. A fénysugár ide-oda verődik, így a fotonok átlagos úthossza, s vele együtt a stimulált emisszió valószínűsége nő. www.meetthescientist.hu 14 26
AZ ERŐSÍTŐ INTERFERENCIA FELTÉTELE Állóhullám kialakulása: λ L = m 2 λ hullámhossz, m nagy egész szám. A frekvencia: c ν = = λ mc 2L www.meetthescientist.hu 15 26
LÉZERSUGÁR SPEKTRUMA Max. erősítés Erősítés Erősítési görbe Lehetséges rezonátormódusok Veszteségek Módus sávszélesség Az átmenet félérték-szélessége ν 0 ν www.meetthescientist.hu 16 26
LÉZEREK TÍPUSAI (A LÉZERKÖZEG ALAPJÁN) szennyezettionkristály-lézer félvezetőlézer gázlézer festéklézer www.meetthescientist.hu 17 26
SZENNYEZETT-IONKRISTÁLY-LÉZEREK Lézerközeg: ionos szigetelő, amely kis koncentrációban szennyező fémiont tartalmaz. A lézersugárzást a szennyező fémionok emissziója adja. Pumpálás: optikailag (fehér fényű lámpa vagy félvezetőlézer) Rubinlézer Nd-YAG-lézer Titán-zafír-lézer www.meetthescientist.hu 18 26
NEODÍMIUM-YAG LÉZER Gazdarács: Y 3 Al 5 O 12 ittrium-alumínium gránit = yttrium aluminium granet = YAG Szennyező ion: Nd 3+ (az Y 3+ ionok ~1%-a helyett) www.meetthescientist.hu 19 26
A Nd a 60. elem. A Nd-atom konfigurációja: KLM4s 2 4p 6 4d 10 4f 4 5s 2 5p 6 6s 2 A Nd 3+ -ion konfigurációja: KLM4s 2 4p 6 4d 10 4f 3 5s 2 5p 6 www.meetthescientist.hu 20 26
ND-YAG LÉZER ENERGIASZINT-DIAGRAMJA állapotok konfiguráció 4f 3 4 F (L=6, S=3/2) 9/2 7/2 5/2 3/2 1064.3 nm 1064.8 nm vektorrmodell 4 I (L=6, S=3/2) spin-pálya csatolás 15/2 13/2 11/2 J=9/2 (alapállapot) kristálytérfelhasadás www.meetthescientist.hu 21 26
GÁZLÉZEREK Lézerközeg: tiszta gáz (például N 2 -lézer) gázelegy (például CO 2 -lézer) Pumpálás: elektromos energiával (gázkisülés) Hélium-neon lézer (látható fény) Argonlézer (látható fény) N 2 -lézer (UV-fény) CO 2 -lézer (IR-fény) www.meetthescientist.hu 22 26
ARGON-LÉZER Lézerközeg: ~0,5 torr nyomású Ar-gáz, kisülési csőbe töltve Kisülésben } - gerjesztett molekulák - alapállapotú ionok jönnek létre (plazma) - különböző gerj. áll. ionok A kisülési cső működési jellemzői: áramerősség, feszültség, nyomás, hőmérséklet - ezektől függ az Ar-ionok populációja különböző energiaszinteken. Inverz populáció érhető el az Ar-ion egyes gerjesztett állapotaiban, náluk kisebb energiájú gerjesztett állapotokhoz képest. www.meetthescientist.hu 23 26
Az Ar a 18. elem. Az Ar-atom konfigurációja: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Az Ar + -ion legkisebb energiájú konfigurációja: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 www.meetthescientist.hu 24 26
ARGON-LÉZER ENERGIASZINT-DIAGRAMJA www.meetthescientist.hu 25 26
ARGON-LÉZER FELÉPÍTÉSE diszperziós elem - + 500V, 60A végtükör R=100% katód anód kilépő tükör R=98%, T=2% www.meetthescientist.hu 26 26
CO 2 -LÉZER Lézerközeg: ~ 1:1 arányú CO 2 -N 2 elegy zárt változat: nyitott változat - ~10 torr nyomású zárt kisülési csőben - ~ atmoszférikus nyomású nyílt kisülési csőben A lézer átmenet a CO 2 -molekula gerjesztett rezgési állapotai között történik, ezért infravörös fényt ad. A N 2 segédanyag. www.meetthescientist.hu 27 26
A CO 2 -MOLEKULA NORMÁL REZGÉSEI szimmetrikus nyújtás deformáció aszimmetrikus nyújtás O C O O C O O C O v 1 v 2 v 3 A három normálrezgés gerjesztettségét jellemző kvantumszámok. www.meetthescientist.hu 28 26
CO 2 -LÉZER ENERGIASZINTJEI 0.4 Nitrogén Széndioxid 11 9 1 Energia (ev) 0.3 0.2 Pumpálás 001 P10 10 R10 10.6 µ m 100 9.6 µ m 020 0.1 010 www.meetthescientist.hu 29 26
Előny: az elektromos energiát nagy hatásfokkal infravörös fénnyé alakítja Felhasználás: fémmegmunkálás sebészet spektroszkópiában plazmák előállítása www.meetthescientist.hu 30 26
FESTÉKLÉZER Lézerközeg: erősen fluoreszkáló festék oldata. Pumpálás: optikailag (fehér fényű lámpa vagy másik lézer). A lézer sugárzás a festékmolekula S 1 elektronállapotának rezgési alapállapota és S 0 állapotának gerjesztett rezgési állapota között történik. www.meetthescientist.hu 31 26
JABLONSKY-DIAGRAMM www.meetthescientist.hu 32 26
A FESTÉKLÉZER ELŐNYEI - hangolható vég tükör R = 100% pumpáló tükör R = 100% R = 85% T = 15% festéksugár(jet) hangoló ék finom etalon kollimátor R = 100% stop www.meetthescientist.hu 33 26
FESTÉKLÉZER MŰKÖDÉSI TARTOMÁNYA KÜLÖNBÖZŐ FESTÉKEKKEL Typical output power (W) 1.0 Polyphenyl 1 Sodium fluorescein R6G R101 Oxazine 1 DEOTC-P HITC-P 0.1 Stilben C450 C490 C530 0.01 400 500 600 700 800 900 Wavelength (nm) www.meetthescientist.hu 34 26
A LÉZERSUGÁR TULAJDONSÁGAI Sok tekintetben messze felülmúlja a hagyományos fényforrásokkal előállított fénysugarat. www.meetthescientist.hu 35 26
TELJESÍTMÉNYSŰRŰSÉG Kis keresztmetszetben nagy energiát összpontosít. Keresztmetszete tipikusan 1 mm 2. Teljesítmény mw-tól kw-ig tartományig terjed. www.meetthescientist.hu 36 26
EGYENES VONALBAN TERJED Gázlézerek keresztmetszete 100 m-es távolságban sem változik sokat. (A hosszú rezonátor miatt) www.meetthescientist.hu 37 26
SPEKTRÁLIS SÁVSZÉLESSÉG A gázlézereké különösen kicsi, pl. az Ar-lézer 514,5 nm-es fényének sávszélessége 10-4 nm. www.meetthescientist.hu 38 26
RÖVID IMPULZUSOK Impulzus üzemben működő lézerek tipikusan µs-os (rubinlézer, Nd-YAG-lézer) vagy ns-os (N 2 -lézer) tartományba eső impulzusokat adnak. Pikoszekundumos, femtoszekundumos fényimpulzusok előállítása móduscsatolt lézerekkel. www.meetthescientist.hu 39 26
LÉZERSUGÁR FREKVENCIÁJÁNAK VÁLTOZTATÁSA festéklézer nem lineáris kristályok - felharmonikusok előállítása (2n, 3n, 4n) - frekvencia felbontása (n = n 1 + n 2 ) www.meetthescientist.hu 40 26
RAMAN SPEKTROMÉTER FELÉPÍTÉSE Folytonos lézer Minta Stop Jelfeldolgozó elektronika Kétrácsos monokromátor Fotoelektronsokszorozó www.meetthescientist.hu 41 26
KÉT-FOTON ABSZORPCIÓ Forgási, rezgési vagy elektronátmenet, amikor a molekula egyidejűleg két fotont nyel el. Csak akkor elegendő a valószínűsége, ha nagy a fotonok koncentrációja. Az impulzuslézerekkel tanulmányozható, hagyományos fényforrásokkal, folytonos lézerekkel nem. Legtöbbet az elektrongerjesztéshez vezető két-foton abszorpciót tanulmányozzák. www.meetthescientist.hu 42 26
A MOLEKULA ENERGIAVÁLTOZÁSA KÉT-FOTON ABSZORPCIÓBAN www.meetthescientist.hu 43 26
IDŐSKÁLA Elektronmozgás, magmozgás Krisztus születése A Föld kora Az Univerzum kora Állapotok Reakciók Emberöltõ 10-15 fs ps ns µs ms 10 0 10 15 s Ks Ms Gs Ts Ps www.meetthescientist.hu 44 26
SPEKTROSZKÓPIA FEMTOSZEKUNDUM IDŐFELBONTÁSSAL: AZ IDŐBELI KÉSLELTETÉS gerjesztés mérés intenzitás τ késleltetés idő www.meetthescientist.hu 45 26
PUMPA-PRÓBA-KÍSÉRLET 10000 ps 10-20 ps λ/2 lemez Polarizátor Detektor Saroktükör Festéklézer Polarizátor kocka Pockelscella Polarizátor Sugárzáró Festéklézer Argonlézer Dikroikus tükör Minta Rács www.meetthescientist.hu 46 26
HILL SZEGED www.meetthescientist.hu 47 26
VANÁDIUM-PENTOXID www.meetthescientist.hu 48 26
Elektron- és fonon-hőmérséklet vs idő www.meetthescientist.hu 49 26
MAJOR MISSIONS OF ELI-ALPS 1) To generate X-UV and X-ray fs and atto pulses, for temporal investigation at the attosecond scale of electron dynamics in atoms, molecules, plasmas and solids. ATTOSECOND Beamline & User Facility 2) To contribute to the technological development towards 200PW HIGH INTENSITY beamline www.meetthescientist.hu 50 26
SCHEMATICS OF ELI-ALPS www.meetthescientist.hu 51 26
LOCATION OF ELI-ALPS AND A PLANNED SCIENTIFIC PARK ELI-ALPS Planned Science Park www.meetthescientist.hu 52 26
REGION OF ELI-ALPS: SZEGED 163 000 inhabitants 30 000 students (10% forigners) 2600 researchers at - Uni Szeged - Biological Research Cntr - Inst. for Cereal Research Confucius Institute in Szeged University of Szeged: World ranking: <500 (!) The highest ranked Uni from underdeveloped regions. www.meetthescientist.hu 53 26
MAJOR PROJECT:: TWO IMPLEMENTATION PHASES Major project Implementation phase I: 2013-2015 Planned maximum budget: 120 M Non-refundable grant from GOP 1. priority EU funding: 85% Application submission to EU by May, 2013 Implementation phase II Planned maximum budget: 86M Government decision and commitment done EU funding: 85% (expected) Preparatory period: Q2-Q4 2015 Implementation period: 2016-2017 www.meetthescientist.hu 54 26
FURTHER INFORMATIONS B2B: lorant.lehrner@eli-alps.hu Scientific matters: karoly.osvay@eli-alps.hu Job matters: monika.barany@eli-alps.hu General inquery: info@eli-alps.hu www.meetthescientist.hu 55 26
www.meetthescientist.hu 56 26
Köszönöm a figyelmet! www.meetthescientist.hu 57 26