NÁNAI László. Lézerek. SZTE JGYPK Ált. és Környezetfizikai Tsz Szeged. www.meetthescientist.hu 1 26

Hasonló dokumentumok
9. Fotoelektron-spektroszkópia

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

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

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

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Lézerek. Extreme Light Infrastructure. Készítette : Éles Bálint

A lézer alapjairól (az iskolában)

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Abszorpció, emlékeztetõ

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

NAGY ENERGIA SŰRŰSÉGŰ HEGESZTÉSI ELJÁRÁSOK

2.4. ábra Alkalmazási területek

Abszorpciós fotometria

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

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

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

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

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

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

Abszorpciós fotometria

A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

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

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Fotonikai eszközök ZH bulid10.10.sp1

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

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

Reakciókinetika és katalízis

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

Az elektromágneses színkép és egyes tartományai

Szerves oldott anyagok molekuláris spektroszkópiájának alapjai

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

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

ATTOSZEKUNDUMOS IMPULZUSOK

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

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

Távolságmérés hullámokkal. Sarkadi Tamás

A femtoszekundumos lézerektől az attoszekundumos fizikáig

RAJZOLATI ÉS MÉLYSÉGI MINTÁZATKIALAKÍTÁS II:

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

Abszorpciós fotometria

Abszorpciós spektroszkópia

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

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

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Az elektromágneses spektrum és a lézer

Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

Fény kölcsönhatása az anyaggal:

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

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

Abszorpciós fotometria

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

Rövid ismertető. Modern mikroszkópiai módszerek. A mikroszkóp. A mikroszkóp. Az optikai mikroszkópia áttekintése

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Az időmérés felbontásának. tíz milliárdszoros növekedése (mindössze) 36 év alatt

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

Modern fizika vegyes tesztek

Modern Fizika Labor. 12. Infravörös spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 04. A mérés száma és címe: Értékelés:

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

Optika Gröller BMF Kandó MTI

2. ZH IV I.

Femtokémia: a pikoszekundumnál rövidebb reakciók kinetikája. Keszei Ernő, ELTE Fizikai Kémiai Tanszék

Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai

Molekulaspektroszkópiai módszerek UV-VIS; IR

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Lézersugár-vezetés Kreisz, István

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

A hőmérsékleti sugárzás

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

Szalay Péter (ELTE, Kémia Intézet) Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

OPTIKA. Vozáry Eszter November

LÉZER: Alapok, tulajdonságok, alkalmazások

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

Az elektromágneses hullámok

A fény tulajdonságai

A LUFFT GYÁRTMÁNYÚ FELHŐALAPMÉRŐ FELÉPÍTÉSE ÉS MŰKÖDÉSE

Gamma-röntgen spektrométer és eljárás kifejlesztése anyagok elemi összetétele és izotópszelektív radioaktivitása egyidejű elemzésére

ATOMEMISSZIÓS SPEKTROSZKÓPIA

2.ea Fényforrások. Nagynyomású kisülő lámpák OMKTI

Ipari Lézerek és Alkalmazásaik

Elektromos áram, egyenáram

Programozható vezérlő rendszerek. Elektromágneses kompatibilitás II.

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

Mit értünk a termikus neutronok fogalma alatt? Becsüljük meg a sebességüket 27 o C hőmérsékleten!

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

Mérés és adatgyűjtés

Kimenő üzemmód ; Teljesítmény

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

1. mérés: Benzolszármazékok UV spektrofotometriás vizsgálata

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM. Oxidkristályok lineáris terahertzes spektroszkópiai vizsgálata. Unferdorben Márta

-A homogén detektorok közül a gyakorlatban a Si és a Ge egykristályból készültek a legelterjedtebbek.

2, = 5221 K (7.2)

Az ELI projekt ( szuperlézer ) Dombi Péter

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

A nanotechnológia mikroszkópja

Röntgen. W. C. Röntgen. Fizika-Biofizika

Lézerek Lézer és orvosbiológiai alkalmazásaik

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

OH ionok LiNbO 3 kristályban (HPC felhasználás) 1/16

Átírás:

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