Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra" Lézerspektroszkópia

„Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

Lézerspektroszkópia • Sánta Imre ‐ Márton Zsuzsanna ‐ Lombosi Csaba • Pécsi Tudományegyetem, Fizikai Intézet • Utolsó frissítés: 2014. október 30. Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

1. Előadás Mi az a Lézerspektroszkópia? • Spektroszkópia = színképelemzés – Spektroszkóp = szemmel nézzük – Spektrográf = készülék, ami „írja/rajzolja” a spektrumot – régen fotolemezre – ma CCD, CMOS detektor – a teljes spektrumot egyidőben regisztrálja – Spektrométer = „méri” a spektrális intenzitást (elektronikusan) – nem feltétlenül egyidőben, monokromátoron át

Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia

TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

2

1. Előadás Mi az a Lézerspektroszkópia? • Hagyományos spektroszkópia: • • • •

Emissziós (aktív, a minta világít) Abszorpciós ( passzív, külső fényforrás kell ) Szórási ( passzív, külső fényforrás kell ) A mintára eső fény valamely (vagy több) tulajdonsága megváltozik, a fény‐anyag kölcsönhatásból következtetünk az anyag szerkezetére.

Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia


3

Mi az a Lézerspektroszkópia? A fény‐anyag kölcsönhatás következtében a vizsgálandó mintára eső fény bármely tulajdonságában változhat : – – – – –

intenzitásában (abszorpció, telítődés, indukált emisszió), hullámhosszában (fluoreszcencia, Raman‐szórás), irányában (szórások, indukált rács), polarizációjában (anizotrópia, optikai Kerr‐effektus), időtartamában (relaxációk, oszcillációk, pumpa ‐ próba kísérletek).

Legtöbbször igen kis változást kell detektálnunk a fény egy, vagy egyszerre több jellemző paraméterében! Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia


4

Mi az a Lézerspektroszkópia? A lézer forradalmasította a spektroszkópiát! • Annál kisebb változást tudunk kimutatni, minél szabályosabb a beeső fény : a lézerfény paramétereit tudjuk legjobban kézbentartani • Hagyományos spektroszkópiai módszerekben a jobb "lámpa" 4‐6 nagyságrenddel megnövelte,"feljavította", : – érzékenységüket, – spektrális, térbeli, időbeli felbontóképességüket, – a mérési tartományt.

•

Új módszerekkel új jelenségeket ‐ az intenzitás hatványai szerint ‐ magasabbrendű folyamatokat lehetett létrehozni – a nagyobb teljesítménysűrűség, – a nagyobb térbeli és időbeli koherencia jóvoltából.

Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

5

Tartalom 1 1. A fény‐anyag kölcsönhatás általános leírása – Klasszikus leírás (Maxwell‐egyenletek, hullámegyenlet, polarizáció, időbeli és térbeli diszperzió)

– Lineáris és nemlineáris Lorentz‐modell (komplex törésmutató, frekvencia kétszerezés, összeg‐, különbségi‐frekvencia keltés)

– A nemlineáris polarizáció Bloembergen– modellje (a térerősség hatványsora, polarizációs tenzorok, egy‐ és többfotonos elektro‐ és magneto‐optikai jelenségek)

– A fény‐anyag kölcsönhatások kvantummechanikai leírásának elemei (sűrűség operátor, Fermi diagram) Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

6

Tartalom 2 2. Alapvető ismeretek: 1. 2. 3. 4. 5.

Elektromágneses hullámok leírása Fourier transzformáció Gauss nyalábok terjedése Lézerek tulajdonságai (lézertípusok, jellemzőik) Fény paramétereinek mérése (energia, teljesítmény, impulzusalak, hullámhossz)


7

Tartalom 3 3. Lézerspektroszkópiai módszerek a spektrum‐ tartományon 1. Abszorpció és fluoreszcencia (lineáris, többfotonos, telítődés, Doppler‐ mentes, Lamb‐lyuk, optoakusztikus, izotóp szeparáció)

2. Raman szórások ( lineáris, Raman‐gain, ‐loss, CARS, SRS, RIKES, parametrikus folyamatok)

3. LIDAR (rezonancia fluoreszcencia, Raman, differenciál abszorpciós) 4. Atomok lézeres hűtése (atom‐, ion csapda, Bose‐Einstein kondenzáció, atomóra, kvantum optika)

5. Plazma spektroszkópia (LIPS, optogalvanikus, Thomson– szórás), M.Zs. Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

8

Tartalom 4 4. Lézerspektroszkópiai módszerek az idő‐ tartományon 1. Időbontott (time resolved) és időtartományon (time domain) való mérés, pumpa‐próba módszer, Fourier limit. 2. Tranziens abszorpció és fluoreszcencia (continuum generálás, up‐down konverzió)

3. Optikai Kerr Effektus, időbontott Raman folyamatok (Optikai heterodin, parametrikus erősítés)

4. Koherens folyamatok a spektroszkópiában (FT IR, Ramsey, kvantum beat, FID,…)

5. TeraHz‐es spektroszkópia (L.Cs.) Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

9

Lézerek Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation


10

Lézerek Einstein (1916): •Abszorpció •Spontán emisszió •Kényszerített emisszió Ha N2>N1 (populáció inverzió), akkor B21∙N2>B12∙N1 (B21=B12), és a közegbe belépő rezonáns (h∙ν = E2‐E1) fény erősödni fog. A belépő rezonáns fényt a közeg spontán emissziójának visszacsatolásával (rezonátor) hozzuk létre.


11

Lézerek Típusok (aktív anyag halmazállapota szerint) Gáz Folyadék Szilárd He‐Ne Festék Rubin Ar ‐ ion Nd‐YAG CO2

Ti‐ Zafír

Nitrogén Excimer

Dióda


12

Lézerek Típusok (gerjesztés szerint) Elektromos

Optikai

Kémiai, egyéb

gázkisülés, (ködfény, ív) dióda áram

villanó lámpa ívlámpa (CW) másik lézer napfény

vegyi reakciók, égés (gázdinamikai) nukleáris bomba

Több, mint 1 000 féle lézer van!!!!


13

Lézerek Leggyakoribb LÉZER típusok: • • • • •

Szilárdtest :YAG (Nd, Er, Ho), Rubin, Ti‐Zafir Dióda (406‐635‐780‐810‐950‐1100‐1500 nm) Festék (300‐1100 nm, tetszőleges) He‐Ne (632 nm) Argon (465, 488, 514 nm)

• Nitrogén (337 nm) • Excimer (193, 248, 308 nm)

• Széndioxid

(10 600 nm)


14

Szilárdtest lézer YAG: • • •

Nd 1064 nm /2, /3, /4 (KTP, 532, 355, 266 nm) Er 2940 nm Ho 1510 nm

• •

Rubin 694 nm Alexandrit 755 nm

•

Ti‐Zafir

650‐ 1100 nm


15

Femtoszekundumos Ti:Zafír lézer

20 fs, 100 MHz, 2 nJ/imp, 800 nm


16

Dióda lézer

•Laterális

•Vertikális (VECSEL)

•400 ‐1500 nm

•350 ‐1500 nm

•30‐50 % hatásfok !

•50‐80 % hatásfok !

•1 mW ‐ 5 kW (array),

•1 mW ‐ 5 kW (array),

•Nagy divergencia (10‐15 ◦ nem izotróp! ),

•Kis divergencia (1‐3 ◦izotróp ),

•Rossz fókuszálhatóság

•Hangolható


17

Dióda Lézerek


18

Festék lézer


19

Gáz Lézerek

•excimer : ArF* ‐197nm, KrF * ‐ 248 nm, XeCl* ‐ 308 nm (impulzus) •nitrogén : 337 nm (impulzus) •He‐Ne : 632.8 nm (cw) •Ar ion : 488, 514 nm (cw) •CO2 : 10.6 µm (cw, impulzus) Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

20

LEG‐ek a Lézerekkel Leginkább MONOKROMATIKUS (10‐14 Hz)  atom‐, molekulaszerkezet vizsgálat  kvantummechanika ellenőrzése  lézeres hűtés  hosszúság etalon  frekvencia (idő) etalon Szélsőséges hullámhossz tartomány  mikrohullámok (MASER)  UV, Röntgen lézerek (lithográfia) Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

21

LEG‐ek a Lézerekkel Leginkább PÁRHUZAMOS    

iránykitűzés lézeres bomba (irányzás) LIDAR Határa a diffrakció


22

LEG‐ek a Lézerekkel LegRÖVIDEBB IDŐTARTAMÚ impulzus (4 fs)  folyadékok , szilárd anyagok szerkezete  kémiai reakciók befolyásolása  időkorrelált fényszórás (mammográfia)


23

LEG‐ek a Lézerekkel Legnagyobb ENERGIA‐, TELJESÍTMÉNY SŰRŰSÉG •fúziós reaktor beindítása •Anyagmegmunkálás •Fegyver •sebészeti alkalmazások •ELI („szuperlézer”)


24

Lézerek Nem‐dióda lézer eladás lézer típusok és alkalmazások szerint Alkalmazások: 60% anyag‐ megmunkálás 30 % orvosi 6 % tudományos 4 % az összes


többi

25

Kérdések 1. 1. 2. 3.

Sorolja fel a fény mérhető paramétereit! Mi a különbség a spektrográf és a spektrométer között? Mi a különbség a hagyományos spektroszkópia és lézerspektroszkópia között? 4. Sorolja fel a leggyakrabban használt 10 lézertípust! 5. Melyik lézer nyalábja abszolút párhuzamos ? 6. Melyik lézer nyalábja abszolút egyszínű ? 7. A lézernyaláb mindig polarizált? 8. Mik az előnyei és hátrányai a dióda lézereknek a többivel szemben? 9. Mi az előnye a festéklézereknek és mi veszélyezteti ezt az előnyt? 10. Milyen fizikai mennyiségek területén tartják a rekordot a lézerek? Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐ 12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

26

2. Előadás LÉZER BIZTONSÁG A lézerpiac egyre bővül, és • az egyre nagyobb számú lézert • egyre szélesebb körben, • egyre inkább nem szakemberek, • egyre csökkenő veszély‐ és felelősségérzettel használják!


27

a balesetek száma is egyre nő… • Rockwell Laser

Industry 1964‐2014 • 8000 eset, csak a jéghegy csúcsa • 95 % szem, retina sérülés • 1 haláleset (ÁRAMÜTÉS)! • Növekszik a repülőgép zavarás !


28

A balesetek okai (előfordulási gyakoriságuk sorrendjében)

1. Váratlan szem expozíció optikai beállításkor 2. Rosszul beállított optika, felfelé irányított nyaláb 3. Nem használta a védőeszközt (szemüveget) 4. Berendezés hibás működése 5. A nagyfeszültség helytelen módon való kezelése 6. Védtelen személy szándékos besugárzása 7. Az operátor ellenségesen bánik a berendezéssel 8. Nem gondoskodtak a járulékos veszélyek kivédéséről 9. Szakszerűtlen javítás, szerviz 10.Helytelenül megválasztott védőszemüveg, védőeszköz 11.Véletlen szem/bőr besugárzás normál használat során 12.Lézer generált füst belélegzése, másodlagos sugárzás (X, UV) 13.Lézer keltette tűz 14.Fotoablációs szem‐ vagy bőr besugárzás Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

29

Legveszélyesebb lézertípusok


30

Legveszélyeztetebb foglalkozások


31

Legveszélyeztetebb testrész A szem


32

A retina szerkezete


33

Mi lesz a FÉNY‐nyel, ha eltűnik? •Gerjesztett állapotú atom, molekula

•Ionizáció (az elektron kiszabadul)

• A molekula kettészakad (disszociáció)

• Rezgés, forgás, (= HŐ)

transzláció


Élettani hatások A szem: Hullámhossztartomány

UV C (180 – 280 nm) UV B (280 – 315 nm) UV A (315 – 400 nm) LÁTH. (400–780 nm) IR A (780 – 1400 nm) IR B (1,4 – 3,0 μm) IR C (3,0 μm – 1 mm)

Károsodás helye

Károsodás

szaruhártya

szaruhártya, kötőhártya gyull. (keratitis és conjunctivitis)

elülső csarnokvíz

szaruhártya, kötőhártya gyull. (keratitis és conjunctivitis)

szemlencse

fotokémiai katarakta

retina

fotokémiai és termikus retinasérülés

retina

katarakta és a retina megégése

elülső csarnokvíz

üvegtesthomály, katarakta, szaruhártya megégése

szaruhártya

szaruhártya megégése


Élettani hatások A bőr: • UV C és UV B esetén a bőrpír (eritéma) a jellemző, de nem kizárt a carcinoma és a melanoma sem. • UV B és UV A esetén fokozódik a bőröregedés, megnő a pigmentáció és a pigment sötétedés. • Kb. 300 nm‐nél nagyobb hullámhosszaknál a bőr megégése (hőhatás) következhet be. • Tipikus behatolási mélységek:  CO2 (10,6 μm) ~ 0,1 mm  Ar+ (488 és 514 nm) ~ 1 mm  Nd:YAG (1,06 μm) ~4m


A bőr abszorpciója

    

Melegítés (42‐ ºC) Koaguláció ( 60‐ ºC) Vaporizáció ( 100‐ ºC) Karbonizáció (150‐ ºC) Abláció (fotokémiai, UV)


37

Biztonsági óvintézkedések Nyalábutak védelme

Optikai védelem mellett pormentes is


38

Biztonsági óvintézkedések Nyalábutak védelme 80/20 arányban zárt/nyitott, a felső lezárásba szűrt levegő előállító egységet szoktak telepíteni


39

Biztonsági óvintézkedések Nyalábutak védelme Csövekkel határolt nyalábutak


40

Biztonsági óvintézkedések Nyalábutak védelme Vízszintes nyalábmenet esetén is használhatunk szeparált blokkoló lapokat


41

Biztonsági óvintézkedések Nyalábutak védelme Függőleges blokk

• A függőleges sugármenet nagyon veszélyes !


42

Biztonsági óvintézkedések Nyalábutak védelme Szint áthelyezés (periszkóp) is tartalmaz függőleges sugármenetet


43

Biztonsági óvintézkedések Nyalábutak védelme A gerjesztő nyalábutak általában rövidek, könnyű csőbe húzni…


44


• Pumpáló nyaláb •

Látszik, de nem nyúlhatunk bele


45

Biztonsági óvintézkedések Nyalábutak védelme Járó folyosón átvezetés automatikusan záródó fényzárral


46


• Külső fényzár


47


• Függöny • •

Tűzveszélyre figyelemmel kell lenni Csökkenti a zavaró háttérfényt a kísérletnél


48

Biztonsági óvintézkedések • Tükröző visszaverődések – Tükrök, lencsék, prizmák rögzített beépítése – Fényes tárgyak (gyűrű, óra, nyaklánc, stb) használata tilos – Diffúz sötét felületű falak


49

Biztonsági óvintézkedések • Figyelmeztető jelölések – Mindenhova, ahol a figyelem felkeltés fontos • 3B és 4‐es osztálynál • Bejárati ajtóra • Nyílások mellé


50

Biztonsági óvintézkedések • Szemvédelem – A védőszemüvegek azonosítása (hullámhossz, OD) – Szükséges OD:

D=log (H0/LME) ahol H0 a nem védett szemre jutó expozíció


51

Biztonsági óvintézkedések • Szemvédelem A védőszemüvegek kiválasztásának szempontjai: • • • • • • • • • • • •

Hullámhossz Sugárzott felületi teljesítmény (besugárzottság) LME A szemüveg optikai sűrűsége (D) Látható háttér fény áteresztése Szemüveget károsító sugárzás szintje Dioptriás szemüveg használhatósága Szellőzés, kényelmes viselet Fényelnyelő anyag károsodása (fakulás, kémiai reakció) Ütésállóság Perifériás látás, besugárzás lehetősége Az oldalának akkora védelmet kell biztosítani, mint a centrális résznek


52

Kérdések 2. 1. 2.

Melyek a legveszélyesebb lézertípusok? Melyek a legveszélyesebb foglalkozások a lézeres balesetek szempontjából? 3. Hány lézeres balesetről tudunk (nagyságrendi pontossággal)? 4. Melyik a legveszélyeztetettebb testrészünk és miért? 5. Melyik a legveszélyesebb hullámhossz tartomány és miért? 6. Hogyan előzhető meg a lézeres baleset? 7. Milyen irányú fényút a legveszélyesebb, és hogyan védekezünk? 8. Mikor kell védőszemüveget viselni? 9. Milyen szempontok szerint választjuk meg a védőszemüveget? 10. Milyen feliratoknak kell lenni a lézeres munkahelyeken? Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐ 12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

53

3. előadás Fénynyalábok jellemzői és mérésük • • • • • •

Időbeli Térbeli Szögeloszlás Fókuszálás Koherencia Kvantum effektusok Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

54

Időbeli viselkedés folytonos, modulált, impulzus, impulzus sorozat • • • • • • •

Folytonos (fluktuáció) Modulációs mélység Kitöltési tényező (alak) Impulzus alak Csúcsteljesítmény Ismétlődési frekvencia Átlagteljesítmény

I(t) 100% m%

22% t

 T

I(t) Pcsúcs

Pátlag t

T I(t) Pcsúcs

90%

1/2

50% 10%

f

l

t


55

Térbeli viselkedés diffrakció, módusok, Bessel nyaláb • Diffrakció • „Nem diffraktáló” nyaláb • Transzverzális lézer módusok


56

Térbeli viselkedés divergencia, nyaláb keresztmetszet, Gauss nyaláb • • • • •

Síkhullám (2D végtelen) Gauss nyaláb Divergencia Valóságos nyaláb (M) Nyaláb profil

r 2 I(r)  I max exp 2w 2 d ( z)  d 0

 z 1    zR

  

2

  d02 zR  4

57 Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

Térbeli viselkedés térbeli koherencia • • • • • •

Yung interferométer Láthatóság Síkhullám (2D végtelen) Koherencia felület Divergencia Fókuszálhatóság

v= (Imax‐Imin)/(Imax+Imin) d min  0, 61

 n.sin 


Intenzitás = Teljesítmény sűrűség! (Power DENSITY)

Power density (W/ cm2)

100

Power density at different spot size 3 mm, 2 mm, 1 mm, at P =500 mW

80

60

total

40

20

0 -2

-1

0

1

2

X position (mm)

Az egyes atom, molekula számára NEM az össz energia, teljesítmény, hanem az INTENZITÁS (W/m2) a fontos (nm‐es skálán)!!!


Fény mérés (Detektorok) Külső fotoeffektus (Einstein 1905), fotocella, fotoelektron sokszorozó


Fény mérés (Detektorok) Fotokatódok spektrális érzékenysége


Fény mérés (Detektorok) Külső fotoeffektus: fotoelektron sokszorozó: egyfoton számlálás


62

Fény mérés (Detektorok) Belső fotoeffektus : fotodióda, fényelem vezetési sáv

foton :

tilos sáv E, eV

h >E vegyérték kötési (valencia) sáv

•Elektron‐lyuk párkeltés •Fényelem üzemmód U (φ) •Záróirányú fotodióda üzemmód I(φ) •Lavina üzemmód


Fény mérés (Detektorok) Belső fotoeffektus : CCD

•Kapuzható bemenet (ns) •Tároló réteg •Soros kiolvasás 64 Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

Fény mérés (Detektorok) Termoelektromos energia mérés

•Abszolút energia •Elektromosan kalibrálható •Átlagteljesítmény •Lassú (perc)


Fény mérés (Detektorok) Külső fotoeffektus: csatornalemezes fotoelektron sokszorozó: MCP


Fény mérés (Detektorok) Piroelektromos energia mérés

•Abszolút energia •Elektromosan kalibrálható •Csak impulzus


Fény mérés (Detektorok) Optoakusztikus energia mérés Galay‐cella •Gáz felmelegszik, kitágul •Periodikusan szaggatva hang keletkezik •Mikrofonnal detektáljuk •Rezonáns üreg •Infravörösben


Kérdések 3. 1. 2. 3. 4.

Milyen paraméterek jellemeznek egy fényimpulzust? Mi a különbség a külső és a belső fotoeffektus között? Lehet‐e mérni fényteljesítményt termikus detektorral? Mi a különbség a termolelektromos és a piroelektromos detektor között? 5. A fotoelektron sokszorozó, vagy az APD a jobb időbeli felbontású? 6. Mi az a kvantum hatásfok? 7. Melyik lézer nyaláb hullámfrontja síkhullám? 8. Mekkora a divergenciája az 1mm átmérőjű nyalábnyakkal rendelkező TEM 00 módusú He‐Ne lézernek? 9. Mekkora a jellemző felülete egy APD‐nek és a PMT‐nek? 10. Melyik lézer fajtával lehet a legnagyobb teljesítmény sűrűséget előállítani? Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐ 12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

69

4. előadás Fény‐Anyag Kölcsönhatás A spektroszkópia klasszikus modellje: 1. A FÉNY, mint elektromágneses hullám elektromos tere az ANYAG‐ban dielektromos polarizációt (oszcilláló dipólmomentum) indukál. 2. Az ANYAG‐ban indukált oszcilláló polarizáció forrása lesz egy új elektromágneses térnek, FÉNY keletkezik. 3. Az eredő elektromágneses tér az eredeti keltő és az újonnan keletkezett FÉNY szuperpozíciója lesz (interferencia). 4. Az új forrás FÉNYe is visszahat az anyag polarizációjára (pozitív visszacsatolás – nemlinearitás).


70

4. előadás Fény‐Anyag Kölcsönhatás Klasszikus modell: •Maxwell‐egyenletek •Nyugvó •Töltésmentes (ρ=0) •Áramforrás mentes (E0=0) •Nem ferromágneses (μ=0)

•Hullámegyenlet közegben

B rotE  0 t B  H

rotH 

D i t

i    (E  E 0 )

2E 2D  0 2  0 2 x t

•Polarizáció vektor (lineáris): D= E + 4πP

2E 2E 2P   0 0 2  4  0 0 2 2 x t t EM hullám «» polarizáció egymást keltik


71

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Polarizáció leírása Fenomenológiai és korpuszkuláris definíció összekapcsolása • Részecske indukált dipólmomentuma: μ = α E = q x

• N részecskesűrűségű közeg térfogati polarizációja (lineáris): P = χ E = N μ • EM hullám terjedési sebessége (fázis sebesség):

v

1 1 1 1    c 0 0   0 0 

nem mágneses közegben a törésmutató:

n

c    (  1) v


72

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Az anyag szerkezetét ε, χ jellemzi : •Homogén‐inhomogén

 0 x

, ha E térben állandó

    D   0 E P   0 E •Izotróp (folyadék) , ε, χ skalár •Anizotróp   •Kristályos (főtengelyrendszerben) tenzor ˆ D  ˆ E •Köbös Egytengelyű Kéttengelyű  0   0

0  0

0 0   

  xx  0   0

0  xx 0

•Szabálytalan (üveg): ˆ (r) •Időbeli és/vagy térbeli diszperzió:

0  0   zz 

  xx  0   0

0  yy 0

0  0   zz 

 t

D(t, r)  E(t, r)  0   i,k  , r '  E(t  , r  r ') dr 'd 0 0

Legáltalánosabban adott helyen a polarizáció függhet időben egy korábbi állapotától (memória), vagy egy másik hely állapotától is. Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

73

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Lorentz ‐ modell: •Polarizálhatóság •Lineáris közelítés •Csillapított harmonikus •kényszerrezgés •A mozgásegyenlet ismert másodfokú inhomogén differenciálegyenlet •Ismert megoldás: x0 állandósult amplitúdójú kényszer rezgés


74

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Lorentz ‐ modell: •A rezgő dipól forrása egy elektromágneses síkhullámnak •hullámszám, •komplex törésmutató

•Komplex amplitúdó •Re(n) = fázissebesség •Im(n) = abszorpció (α)


75

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Lorentz ‐ modell: •Komplex törésmutató (n= n’+i n’’) •Általában nem szeparálható analitikusan Re, Im komponensekre

n2 1   

qN x E

•Gázoknál n  1 , jó közelítéssel •Re(n) a fázissebesség diszperziós görbéje •Im(n) az amplitúdó negatív logaritmusa, spektrum vonal alak, un. „Lorentz‐görbe”


76

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Nemlineáris Lorentz ‐ modell: •Anharmonikus csillapodó oszcillátor differenciál egyenlete ( a visszatérítő erő Taylor sorának 2‐od rendű tagjával)

•Két külső kényszer (kétszínű optikai tér): •Rezgő dipól amplitúdója több különböző frekvenciájú rezgés szuperpozíciója •Első tagok x(1) a lineáris komponensek (kisebb intenzitású haladó hullám ):


77

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Nemlineáris Lorentz ‐ modell: •A másodrendű (E2) komponensnek 5 tagja van 2 különböző frekvenciájú Kényszer (gerjesztés) esetén: • összeg és különbségi frekvenciák • 2 második felharmonikus • sztatikus tér (optikai egyenirányítás)

•Matematikai azonosságok: sin( )  sin() 

cos(  )  cos(  ) 2

sin 2 ( ) 

•Magasabbrendű tagok: a két frekvencia lineár kombinációi, egyre csökkenő amplitúdóval

•Teljesítmény viszonyok:

1  cos(2 ) 2 ( 3)

x i, j  n i  1  n j  2 P (2) qE   107 (1) 2 P  m  1      


78

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Nicolaas Bloenbergen, Nobel díj, 1981.

Bloenbergen modell: •P Fourier transzformáltja E vektor Taylor soraként • +Térbeli anizotrópia • +Sztatikus mágneses tér

3  1  2 3 1  2  1  2 Pi  Pi 0    ij1 E j   ijk  k E j   ijk E j E k   ijkl E j E k E l  ... b 2  1  2 ...   ijkb1 E j 1 B k 2   ijkl E j B k B l 3


79

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Bloembergen‐ modell: •0. tag: Sztatikus Polarizáció (permanens dipólmomentum) •piroelektromosság (Curie‐pont) • elektrét (befagyott domén szerkezet) • ferroelektromosság (megfordítható P0)

•Elsőfokú tag = lineáris optika átlátszó dielektrikumokra (távoli rezonancia)

•Tér‐gradiens tag = lineáris polarizációs jelenségek, kettős törés, optikai aktivitás


80

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Bloembergen‐ modell: •Másodfokú tag • ω1 optikai, ω2=0 sztatikus tér Pockels‐effektus

•ω1= ω2 egy optikai frekvencia Frekvencia kétszerezés •Diszperzió •Fázisillesztés Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

81

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Bloembergen‐ modell: •Másodfokú tag •ω1 ≠ ω2≠0 , két frekvencia •Csatolt hullám egyenletek •Egymástól függenek •Rezgő dipól a hullám forrása •Diszperzió •Fázisillesztés (3 frekvenciára !)


82

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Bloembergen‐ modell: •Harmadfokú tag ω1 ≠ 0, ω2= ω3 = 0 , egy frekvencia, két sztatikus tér Kerr‐effektus


83

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Bloembergen‐ modell: •Harmadfokú tag ω1 = ω2 = ω3 ≠ 0, egy frekvencia, Frekvencia háromszorozás, •Nemlineáris törésmutató, •Kétfotonos abszorpció ω1 ≠ ω2≠ ω3≠0 , három frekvencia •Kényszerített Raman folyamatok •Kényszerített parametrikus erősítés Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

84

Fény‐Anyag Kölcsönhatás Bloembergen‐ modell:

b 2    •Mágneses indukciót tartalmazó tagok: ...   ijkb1 E j B k   ijkl E j Bk Bl 1. Faraday‐ (lineáris magneto‐optikai ) effektus: 1

2

1

2

2. Cotton‐Mouton effektus: Mágneses kettős törés (Kerr)


85

3

Fény‐Anyag Kölcsönhatás kvantummechanikai modellje •A kvantummechanikában egy részecske klasszikus polarizációja a koherencia egy formája. •A koherencia két olyan kvantum állapot csatolásából, összefonódásából épül fel, amelyeket az elektromágneses tér perturbációja indukál. •Egy  (x, t) kvantumállapotot időfüggetlen hullámfüggvénnyel és időfüggő amplitúdóval jellemzünk. Két állapot (a és b) szuperpozíciójaként előálló rendszer megfigyelhető állapotát az alábbi módon számíthatjuk: 2

 (x, t)  ca (t) a (x)  c b (t) b (x)

2


86

Fény‐Anyag Kölcsönhatás kvantummechanikai modellje Kifejtve: 2

2

2

2

 (x, t)  ca (t)cb (t) a (x) b (x)  c b (t)ca (t) b (x) a (x)  ca (t)  a (x)  cb (t)  b (x) 2

2

ca cb • A és amplitúdó négyzetek neve populáció (betöltöttség).

ca cb c b ca • A és keresztszorzatok adják a kvantum koherencia értékét. 

• Gyakran használjuk a sűrűség mátrix formalizmust: i,j  cicj

i, j •A valós része (in‐phase) felelős a közeg fénytöréséért, a képzetes rész (out‐of‐phase) pedig az abszorpcióért (disszipáció).

•Az időfüggő kvantummechanika leírja az állapot időfejlődését, melyet a beeső elektromágneses tér által más állapotokhoz való csatolás okoz. Mérve a beeső teret, kontrollálhatjuk a populációt és a kvantum koherenciát.


87

2

Fény‐Anyag Kölcsönhatás kvantummechanikai modellje •A nemlineáris folyamatokat definició szerint úgy jellemezzük, mint a populációk és koherenciák sorozatát, amelyek folyamatos kölcsönhatásban állnak a gerjesztő térrel. • Feimann‐gráffal lehet szemléltetni: •Az idő alulról fölfele telik •A bejövő nyíl gerjesztést jelöl •Eredménye egy koherens állapot (ga) •A kifele (felfele) irányuló nyíl emisszió •A végállapotnak populációnak kell lenni (gg,aa) •Ha a vége az alapállapot, akkor a folyamat parametrikus szórás •A bra és ket egymás komplex konjugáltjai Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

88

Fény‐Anyag Kölcsönhatás kvantummechanikai modellje •A legegyszerűbb eset (single quantum coherence ) egy két energiaszintes rendszerben (pl. NMR) lejátszódó folyamat : 1.

A rezonáns külső tér kölcsönhat az alapállapot populációval (gg*) és létrehoz egy ag koherenciát az alap és gerjesztett állapot kvantum összefonódásával.

2.

Az ag koherencia (klasszikusan indukált polarizáció) kelt egy ugyanolyan frekvenciájú rezonáns elektromágneses teret, mint a külső gerjesztésé.

3.

A két tér interferál, az eredő tér amplitúdója kisebb lehet (abszorpció), mint a bejövő, és fázistolást szenvedhet (refrakció).


89

Kérdések 4. 1. 2. 3. 4.

Mi a spektroszkópia (fény‐anyag kölcsönhatás) alapfolyamata? Mi a fény‐anyag kölcsönhatás modellje a klasszikus leírásban? A Lorentz modellben mit állít az atom szerkezetéről ? Mi a Lorentz modell mozgásegyenletében a változó, és mi a tagok jelentése? 5. Mi az a komplex törésmutató és mi a fizikai tartalma a valós és képzetes résznek? 6. Lehet‐e nagyobb a fény (fázis‐)sebessége közegben, mint vákuumban? 7. Mikor keletkezik felharmonikus és összeg‐, különbségi frekvenciájú fény? 8. Hány tagból áll a polarizáció Bloembergen féle kifejtése és függenek‐e a tagok a frekvenciától? 9. Mi a közös a Pockels és a Faraday effektusban? 10. Értelmezze a Feymann diagramot a kvantummechanikai leírásmódban! Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐ 12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

90

5. előadás Lineáris spektroszkópia lézerekkel

Abszorpció

Optikai úthossz növelés (10‐100 m)


91

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Abszorpció Rezonátoron belüli abszorpciós spektroszkópia: •Megnövelt úthossz (100 m) •Kis abszorpcióra is érzékeny •Nemlineáris •Rezonancia fluoreszcencia detektálással még érzékenyebb


92

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekuláris Fluoreszcencia Molekuláris, illetve kondenzált közegekre Lézeres gerjesztés előnyei: •Nagy spektrális intenzitás •Spektrális tisztaság •Időbeli felbontás


93

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekula Fluoreszcencia Jablonsky ‐ termséma: •Molekula energiaszint modell •Szinglett és Triplett állapotok •Fluoreszcencia és foszforeszcencia •Inter‐system crossing •Gerjesztett állapot abszorpció


94

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekula Fluoreszcencia Stokes‐féle vöröseltolódás: •Vibrációs‐rotációs kölcsönhatás •Sugárzásnélküli átmenetek •Fluoreszcencia és abszorpció szimmetria •Boltzmann eloszlás •Anti‐Stokesi hatásfok •Lézer gerjesztés


95

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekuláris Fluoreszcencia LIF Mikroküvetta, nagy teljesítmény sűrűséggel gerjesztve: •Egyes molekula kimutatás


96

Lineáris spektroszkópia lézerekkel

LIF Analitikai alkalmazás: •Lézer Indukált Fluoreszcencia •Oldószer Raman színkép referencia •Abszolút fluoreszcencia spektrális intenzitás •Gerjesztési‐emissziós színkép •Jel/zaj optimalizálás S/N=1 kimutathatóság határa


97

Lineáris spektroszkópia lézerekkel

LIF Analitikai alkalmazás: •Lézer Indukált Fluoreszcencia •Szubnanoszekundumos időfelbontás • < 1 ns gerjesztő impulzus (TEA N2 lézer+ festéklézer) •Oldószer Raman színkép referencia (a szórás adiabatikus) •Többkomponensű minta •Jel/zaj optimalizálás


98

Lineáris spektroszkópia lézerekkel LIF Analóg detektálású lézer fluoreszcenciás mikroszkóp: •Szubnanoszekundumos időfelbontás •Nitrogén lézerrel pumpált hangolható festéklézer gerjesztő forrás (<1 ns)


99

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekuláris Fluoreszcencia élettartam Időkorrelált egyfoton számlálás •Módusszinkronizált lézer impulzus sorozatával (1 MHz impulzus szelektorral): •A fotodektor jittere a felbontás limit (20 ps) •Szapora adatgyűjtés •Gerjesztő felharmonikusaival tág gerjesztési lehetőségek


100

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekuláris Fluoreszcencia élettartam Időkorrelált egyfoton számlálás (TCSPC) •Time‐Amplitude‐ Converter(TAC) •Késési idő eloszlás hisztogram •Minen 100‐adik gerjesztő impulzust követi 1 detektált foton •Szapora adatgyűjtés (1 MHz)


101

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekuláris Fluoreszcencia élettartam Fázis fluoriméter módusszinkronizált lézer impulzus sorozatával (80 MHz moduláció): •Nem szinuszos moduláció •Magasabb Fourier felharmonikusok •Jobb időfelbontás •Több lecsengő komponens szétválasztása Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

102

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Esettanulmány: PART a 2. blokki üzemzavar (2003) átrakógép

fóliasátor

reaktor

tisztító technológia

szerelőakna

tisztító tartály 1. 2. 3. 4.

Széttört fűtőelemekből urán oldódott be a reaktor vizébe. Ioncserélő műgyantákon átszűrve tisztítják. 100 pbb alatt nem tudják mérni ( a beindított reaktort a radiometria leállítaná) Zavaró körülmények: magas koncentrációban bórsav és egyéb adalék, erősen radioaktív 5. LIF technikával 1 ppb alatt tudtuk mérni: Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

103

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Urán szelektív komplex képző: 75000

lézer HO3S

SO3H

zavaró anyagok

OH

OH HO HO OH

HO3S

SO3H

SO3H

70000

2.76 ppb 8.30 ppb

65000 60000 55000 50000 45000 40000 35000

mért intenzitás

30000 420

440

460

480

500

520

540

wavelength (nm)

K1E1

2.76 ppb

0,20

Y Axis Title

fluoreszcencia intenzitás

OH

fluorescence intensity (cps)

SO3H

idő késleltetés

időkapu

0,15

0,10

0,05 420

440

460

480

500

520

540

X Axis Title


104

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Kalibrációs görbe a paksi 2. reaktor vizének Urán tartalma monitorozásához

LIF

500000

400000

2.76 ppb 8.30 ppb 27.48 ppb 80.86 ppb 243.94 ppb

400000

300000

ex 275 nm 200000

100000

flu.int. (cps)

•Időbeli és • spektrális szelekció •Integrálás

fluorescence intensity (cps)

500000

0 420

300000

440

460

480

500

520

540

wavelength (nm)

cps DATA10CPS UCL LCL

200000

100000

cps = 1891.5 · ppb + 36269

0 0

50

100

150

200

250

2+

UO 2 (ppb)


105

Kérdések 5. 1. 2.

Mi a különbség a multipass és a rezonátoron belüli abszorpció mérés között? Melyek a molekuláris lumineszcencia jellemző paraméterei, és melyik méréséhez előnyös a lézer használata? 3. A mikroküvetta alkalmazásához miért kell lézer? 4. A Raman referencia milyen feltételek mellett használható abszolút fluoreszcencia intenzitás méréséhez? 5. Hogyan lehet impulzus lézeres gerjesztéssel szétválasztani a Raman szórást a fluoreszcenciától ? 6. Mi a fázis fluoriméter működési elve és a módusszinkronizált lézer impulzus sorozata milyen előnyökkel jár a szinuszos modulációval szemben? 7. Mi az időkorrelált egyfoton számlálás működési elve és mi a lézeres gerjesztés előnye? 8. Mekkora és mi limitálja az időkorrelált egyfoton számlálás időfelbontását? 9. Milyen módon lehet vízben, kis koncentrációban jelen lévő urán kimutatásánál a jel/zaj viszonyt javítani ? 10. Lehet‐e egyetlen molekulát kimutatni oldatban? Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐ 12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

106

6. Előadás Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekuláris Szórások Rayleigh‐szórás •Rugalmas (energiamegmaradás) •Sűrűség fluktuáció (Einstein) •Lorentz‐modell csillapítás nélkül •Koherens •Polarizációs indikatrix •Kék ég, vörös naplemente


107

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekuláris Szórás Raman‐szórás: (சந்திரேசகர

ெவங்கட ராமன்,

Sir Chandrasekhara Venkata Raman, Nobel‐díj, 1930.) (L. L. Mandelstam –– G. G. Landsberg)

•A szuszceptibilitás (indukált dipólmomentum) függ a vibrációs, rotációs állapottól •Lorentz‐modell csillapítás nélkül, két kényszerrel •Amplitúdó moduláció •Oldalsávok (Stokesi‐, Anti‐Stokesi)

E  E 0 sin 2 0 t      A sin 2 i t

 I   E  E 0 (  A sin 2 i t ) sin 2 0 t   E 0 sin 2 0 t 

1 1 AE0 cos 2 ( 0   i )t  AE0 cos 2 ( 0   i )t 2 2


108

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekuláris Szórás Raman‐szórás: •Rugalmatlan, inkoherens •Összeg‐különbségi frekvencia •Stokesi‐, Anti‐Stokesi oldal •Virtuális energiaszint •Polarizációs indikatrix


109

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekuláris Szórás Rezonátoron belüli Raman spektroszkópia: •Megnövelt úthossz (100 m) •Nagyon érzékeny •Nemlineáris •Megnövelt multi‐pass küvettával •Transzform‐limitált hullámhossz felbontás


110

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Molekuláris Szórás Orvosi alkalmazás kilégzett levegő összetétel mérésére: •Több detektor interferenciás szűrőkkel


111

Lineáris spektroszkópia lézerekkel LIDAR

LIght Detection And Ranging = Lézer radar: •Rövid lézer impulzus repülési idejéből számított távolság •Fluoreszcencia (atomi, molekuláris, pl. Na, ózon) •Raman (molekula, CO2, CO, H2O, NO, …) •Differenciál abszorpciós Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

112

Lineáris spektroszkópia lézerekkel LIDAR LIDAR egyenlet:

•O(R) a Lézer teljesítménye R távolságban •β a Raman hatáskeresztmetszet •Kl és kR az atmoszféra extinciója a lézer és a Raman szórás hullámhosszán •C a detektor felülete •h =ΔR a besugárzott és megfigyelt tartomány mélysége


113

Lineáris spektroszkópia lézerekkel LIDAR LIDAR •földfelszíni célok •Talaj, •Vegetáció (termény érés) •Víz (szennyezés) •Fluoreszcencia detektálás


114


Raman LIDAR fotonszámlálással: •Nitrogén lézer gerjesztés (3 ns = 1m távolság felbontás •Elméleti Stokesi – Raman spektrum (a ábra) •Mért fotonszám spektrum (b ábra) Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

115

Lineáris spektroszkópia lézerekkel LIDAR LIDAR felépítése:


116

Lineáris spektroszkópia lézerekkel LIDAR LIDAR magaslégkör:


117


LIDAR magaslégkör üvegházhatású komponensek:


118


LIDAR magaslégkör

EARLINET figyelő hálózat (Magyarországon nincs)


119

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Optoakusztikus abszorpciós spektroszkópia Optoakusztikus cella: •Gázzal töltött küvetta mikrofonnal •A gáz elnyeli a fényt •A gáz felmelegszik •A melegebb gáz nyomása megnő •Impulzus vagy modulált gerjesztésnél hanghullám keletkezik •Az üreg mérete és a modulálás frekvenciája rezonanciába hozható •A mikrofon elektromos jelét mérjük (lock‐in erősítővel)


120

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Optoakusztikus abszorpciós spektroszkópia Optoakusztikus spektrum: •Gáz abszorpciós spektrumát mérhetjük •Szélessávú (bonyolult molekula, gőz) esetben a fény intenzitását is mérhetjük (energia mérő) •A spektrális felbontást a lézer sávszélessége adja meg •Hangolható dióda lézert szokás használni •Egyszerű gázok koncentrációját lehet mérni (CO2, CH4, CO, NO, stb…) •Nagyon érzékeny (ppb)


121

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Izotóp szeparáció Izotóp szeparálás elve: •Az atom elektron felhőjének energia szintjei kismértékben függenek a mag tömegétől (neutronok számától) •Molekulák vibrációs frekvenciája erősebben függ az atommagok tömegétől.


122

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Izotóp szeparáció

Izotóp szeparálás elve: •Gáz (molekula sugár) megvilágítása hangolt lézerrel (festék, vagy CO2 lézer többfotonos gerjesztéssel) •300 nm‐es ionizáló segéd fényforrás (Hg lámpa) •Elektromos eltérítés


123

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Izotóp szeparáció Szelektív gerjesztés + ionizáció: •Hangolt lézerrel a kiválasztott izotóp egy gerjesztett állapotára visszük az atomot •Másik (UV) fénnyel a gerjesztett állapotból ionizáljuk az atomot Szelektív gerjesztés predisszociációval: •Hangolt lézerrel a kiválasztott izotópot tartalmazó molekulát egy gerjesztett állapotára visszük, •Ahonnan nagy valószínűséggel disszociál •Az intermediert tömegspektrométerrel szétválasztjuk


124

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Izotóp szeparáció

Urán (USF6) szeparációja: •Gáz (molekula sugár) megvilágítása hangolt lézerrel (festék, vagy CO2 lézer többfotonos gerjesztéssel) •300 nm‐es ionizáló segéd fényforrás (Hg lámpa) •Elektromos eltérítés •Kvadrupol tömeg szűrő és gyűjtő tartály (ioncsapda) Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

125

Lineáris spektroszkópia lézerekkel Interferometrikus spektroszkópia

Mach‐Zender interferométer: •Szeparált ágak •Az egyik ágban eltérő törésmutatójú minta van •A minta okozta fázis késés számítható (a félhullámhossz n‐szerese) •Kissé divergens nyaláb interferencia csíkokat hoz létre Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

126


Mach‐Zender interferométer ben egy égő gyertya: •Kis sávszélességű lézernél (nagy koherencia hossz) nagy útkölönbségnél is jó láthatóságú az interferogram •Az egyik (függőleges) irányban kissé kifordíjuk az egyik tükröt (csíkokat kapunk) • A magasabb hőmérsékletű gáz sűrűsége kisebb, a hőmérséklettel arányos csík eltolódást mérhetünk. Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

127


Mach‐Zender interferométer spektrális bontással: •Az egyik irányban döntjük a tükröt (függőleges csíkok) •A másik irányban végzünk spektrális bontást egy spektrográffal •A minta okozta fázis késés az atom abszorpciós vonalai közelében az anomális diszperzió jelenségét mutatja, ez a horog (hook) módszer. Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

128

Kérdések 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Hogyan függ a Rayleigh szórás intenzitása a hullámhossztól? Mi a Raman szórás alapfolyamata klasszikus leírásmód szerint? Mitől függ a Stokesi‐ és az anti‐Stokesi jel intenzitásának aránya? Mi a lézeres gerjesztés előnye Raman spektrométernél? Rezonátoron belüli Raman szórás lineáris‐e? Milyen elven működnek a LIDAR berendezések? Milyen tényezők szerepelnek a LIDAR egyenletben? Mi az optoakusztikus módszer lényege, és mi az előnye a hagyományos fénydetektálással szemben? 9. A lézeres izotóp szeparáció a lézer mely tulajdonságát (‐ait) használja ki? 10. A lézeres interferométer a lézer mely tulajdonságát (‐ait) használja ki? Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐ 12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

129

7. előadás Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Telítési spektroszkópia Abszorpció telítődése: •Nagy intenzitású rezonáns gerjesztésnél az alapállapotú részecskék száma kezd csökkenni. • A részecskék jelentős számban a véges élettartamú gerjesztett állapotban vannak. •Emiatt a kényszerített átmenetek száma (vissza az alapállapotba) is nő. • Határesetben a részecskék fele alap‐, másik fele gerjesztett állapotban van. •Ugyanannyi jut föl gerjesztett állapotba abszorpcióval, mint vissza kényszerített emisszióval. •A minta ekkor szinte átlátszó

(önindukált átlátszóság) Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

130

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Telítési spektroszkópia Abszorpció telítődése: •Az anyagra jellemző IT telítési intenzitás az abszorpciós hatáskeresztmetszettől (σ) és a gerjesztett állapot élettartamától (τ) függ. •Különböző kezdeti T0 transzmisszió (abszorbancia) esetén más az intenzitás változás menete • Ha az emissziós és abszorpciós hatáskeresztmetszetek különböznek (molekulák, kondenzált közegben), a határérték nem 1 . •A kifehéredés menete függ a gerjesztett állapot élettartamától (τ) és más nem sugárzásos átmenetek gyakoriságától is. Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

131

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Telítési spektroszkópia Abszorpció telítődése kétszintes rendszernél: indulás


132

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Telítési spektroszkópia Abszorpció telítődése kétszintes rendszernél: telítődés


133

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Telítési spektroszkópia Abszorpció telítődése kétszintes rendszernél: utána


134

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Doppler‐mentes spektroszkópia Legnagyobb mértékű spektrumvonal kiszélesedést okozó effektus

cvf D 0 cvm

D c  vf v  vf v m  vf  1  m  0 c  vm c  vm c 2

) m (  mv 2kT Pv (v)dv  e dv 2kT

Mivel nyugvó megfigyelőnél ω~ vf , a spektrumvonal alak: 2

mc PD ()d  e 2kT02



mc2 ( 0 )2 2kT02

d

Gauss‐függvény


135

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Doppler‐mentes spektroszkópia Abszorpció telítődése ritka atomgázban (Lamb‐lyuk): •Nagy intenzitású rezonáns gerjesztésnél az alapállapotú részecskék száma kezd csökkenni. • Egy szemben haladó ugyanolyan hullámhosszú, de gyengébb ( próba ) nyalábbal mérjük az abszorpciót. •A lézert hangoljuk a rezonancia körül . •Célszerűen szaggatjuk az erős gerjesztést és fázisérzékeny erősítővel mérjük a próba nyaláb intenzitását.


136

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Doppler mentes spektroszkópia Abszorpció telítődése ritka atomgázban (Lamb‐lyuk): •A kis sávszélességű rezonancia közeli frekvenciájú lézernyaláb fotonjait csak azok az atomok nyelik el, melyekre nézve a Doppler eltolódással együtt éppen rezonancia van. •A rezonancia alatti frekvencia esetén a szemben jövő atomok nyelik el a gerjesztő fényt. • A gerjesztővel szemben haladó próba nyaláb fotonjai viszont nem lépnek kölcsönhatásba azokkal az atomokkal, amelyek távolodnak tőle (amelyikkel a másik kölcsönhatott) . • Ha éppen a rezonancián van a két nyaláb, akkor csak a nyalábra merőleges sebességű részecskékkel hatnak kölcsön, de akkor mindkettő. •Ilyenkor a próba nyaláb érzékeli a gerjesztő okozta telítődést (Lamb‐lyuk). Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

137

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Telítési spektroszkópia

Abszorpció telítődése ritka atomgázban (Lamb‐erősítés): •A telítődő abszorpciójú gáz egy lézer rezonátorán belül van. •A rezonancia frekvencián a lézer rezonátor vesztesége (amit az abszorpció okoz) a lyukégetés miatt lecsökken. •Emiatt a lézer teljesítménye ezen a szűk frekvencia tartományon megnő.


138

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Telítési spektroszkópia Abszorpció telítődése ritka atomgázban (Lamb‐lyuk): A spektrum alakjának kiszámítása


139

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Telítési spektroszkópia Abszorpció telítődése ritka atomgázban (Lamb‐lyuk): •A spektrumvonalak hagyományosan kiszélesednek a Doppler eltolódás miatt (Boltzmann eloszlás) •A „lyukégetéssel” a Doppler profil alatti struktúrát, így a hiperfinom szerkezetet ( az elektronfelhő és a magspin kölcsönhatását) is fel lehet oldani (Lamb‐shift).


140

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Raby‐frekvenciával oszcilláló Dicke‐rendszer

R 

B12  E 0 

A rezonáns atomok az EM téren keresztül csatolódnak, a kényszerített emisszió miatt azonos fázisban abszorbeálnak és emittálnak. Az alsó és felső szint populációja a Raby‐frekvenciával oszcillál (a fény terjedés „lelassítása”). Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

141

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Atomok lézeres hűtése A fénykibocsájtáskor és fényelnyeléskor az atom impulzusa megváltozik, a foton  h k impulzussal visszalöki, vagy meglöki az atomot .  c k A spontán emisszió kibocsátásának iránya véletlenszerű, a 4π térszögbe egyenletesen világít az atom ( ha sokszor gerjesztjük). Az emisszió visszalökéseinek átlaga NULLA. Anti‐stokesi frekvenciájú lézer csak a szemből közeledő atomokkal hat kölcsön. Az abszorpció miatti lökés pedig mindig szemből érkezik, fékez, akár ‐1000 g gyorsulással.


142

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Atomok lézeres hűtése Azért, hogy valamennyi atomot hűthessük, •mind a 6 irányból küldjük be a lézerfényt •Az antistokesi irányból 1‐2 s alatt hangoljuk rá a rezonanciára •A lelassított atomok viszont leesnének (gravitáció!) •Anti ‐Helmhotz tekercspárral inhomogén mágneses teret hozunk létre, középen H=0 •A középponttól eltávolodó atom energiaszintje eltolódik (Zeeman effektus) •A rezonáns lézer taszító erőt jelent, visszanyomja a központba •Jellemző átlagos kinetikus energia 50 μK Magneto Optikai Csapda (MOT)


143

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Atomok lézeres hűtése Keskenysávú, stabil lézer: •Lamb‐stabilizált dióda lézer •Nagyfrekvenciás amplitúdó moduláció •Oldalsávok, frekvencia keverés


144

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Atomok lézeres hűtése További hűtés •sötétben, adiabatikus lemágnesezéssel történik •Alsó határ 25‐40 nK •H, alkáli fémek (Ce, Rb, K, Na) •Heisnberg‐féle határozatlansági reláció: Δv » 0, Δx » 1 •Távoli atomok „érzik” egymást Bose‐Einstein Kondenzáció (BEC)


145

Kérdések 7. 1. 2.

Hogyan függ az abszorpció telítődése gerjesztett állapot élettartamától? Keskenysávú vagy szélessávú lézerrel lehet kisebb teljesítménnyel telítést előidézni? 3. Szobahőmérsékletű levegőben mekkora a Doppler kiszélesedés (Δλ/λ)? 4. Mi okozza a H atom spektrumvonalainak hiperfinom felhasadását? 5. Rezonátoron belüli abszorpció telítődés mire használható ? 6. Milyen a mágneses térerősség helyszerinti eloszlása egy antiparallel Helmholtz tekercspár közepén? 7. Mekkora a gyorsulása (lassulása) egy atomnak a lézeres hűtéskor? 8. Hány foton kell egy Na atom teljes lelassításához szobahőmérsékletről indulva? 9. Hány K az alsó határa a Doppler‐ hűtésnek? 10. Mi az a frekvencia fésű? Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐ 12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

146

8. előadás Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Kényszerített Raman ‐ folyamatok


147

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel

Kényszerített Raman ‐ folyamatok Keskenysávú technika: •A gerjesztő lézer keskenysávú, •A próba lézer is keskenysávú, de hangolt •A megfigyelt válaszjel is keskenysávú, •Nincs szükség spektrográfra, csak szűrőre. •Szélessávú technika: • A gerjesztő lézer keskenysávú, •A próba lézer szélessávú, nem hangolt •A megfigyelt válaszjel is szélessávú lesz • Szükség van spektrográfra és szűrőre is.


148


Inverz Raman


149


Inverz Raman (Loss/Gain)


150


Harmadrendő nemlineáris szuszceptibilitás


151


Kényszerített Raman ‐ folyamatok


152


Rezonáns és nemrezonáns CARS


153


Rezonáns és nemrezonáns CARS


154


Coherent Anti‐Stokes Raman Scattering (CARS) Fázisillesztés kondenzált mintában:


155


CARS fázis illesztés gázban


156


CARS fázis illesztés gázban


157


Rezonáns és nemrezonáns CARS Nitrogén molekula roto‐vibrációs vonalai


158


Rezonáns és nemrezonáns CARS Levegő (78% Nitrogén) hőmérsékletének mérése CARS spektrumból

Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐ 12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

159

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Polarizált CARS


160

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Polarizált CARS


161

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Rezonáns és nemrezonáns CARS


162

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Rezonáns és Nemrezonáns Polarizált CARS


163

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Rezonáns és Nemrezonáns Polarizált CARS

Raman Indukált Kerr‐Effektus (RIKES)


164

Kérdések 8. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Két hullámhosszú gerjesztésnél egy Raman aktív anyagban milyen kényszerített folyamatok játszódnak le (energia séma, Fermi‐diagram)? Hogyan írjuk le a kényszerített Raman folyamatokat klasszikus leírásmód szerint? Mitől függ a Stokesi‐ és az anti‐Stokesi jel intenzitásának aránya kényszerített folyamatoknál? Adja meg a CARS, CSRS, RIKES, stb. folyamatok összes kombinációját (polarizáció, kimeneti intenzitás)! Hogyan hat kölcsön egymással a rezonáns és nemrezonáns CARS jel komponens? Hogyan épülnek fel a keskenysávú, illetve szélessávú CARS spektrométerek? Hogyan lehet biztosítani a fázis illesztést folyadék illetve gáz mintákban? Mi történik, ha a CARS/CSRS folyamatban egy valódi elektron energiaszint van a „virtuális” szintek közelében ? Mekkora a jellemző kontraszt (nagyságrendileg) a spontán Raman jel, illetve CARS esetén a gerjesztő lézer (‐ek) intenzitásához viszonyítva? Lehet‐e CARS LIDAR‐t csinálni?


165

9. előadás

Plazmaspektroszkópia    

A plazma definíciója, jellemzői LIBS/LIPS Optogalvanikus spektroszkópia Thomson–szórás


166

A plazma • A plazma: nagy mértékben ionizált gáz, ionokból (atomtörzsekből) és elektronokból áll. • A plazma viselkedését főleg a szabad ionokra és elektronokra ható elektromágneses erők szabják meg. Tulajdonságai jelentősen különböznek a semleges gázokétól. • Kvázineutrális: „Távolról nézve” elektromosan semleges: azonos mennyiségű pozitív és negatív töltést tartalmaz. • Plazmafrekvencia: A plazmában a könnyen mozgó elektronok és a nagy tömegű (ezért első közelítésben mozdulatlannak tekintett) ionok közt az elektronok elmozdulásával arányos visszatérítő erő hat, aminek hatására a plazma rezgéseket végez p frekvenciával.

ne e 2 p  ,  0me

ahol ne az elektronsűrűség, e az elektron töltése, 0 a vákuum permittivitása, me az elektron tömege. • Debye‐hossz: Ha a plazmába egy qT töltésű, nagy tömegű próbatestet helyezünk, akkor a könnyen mozgó elektronok úgy helyezkednek el, hogy árnyékolják a qT próbatöltést. Megmutatható, hogy D távolságon kívül a próbatöltés által létrehozott potenciál exponenciálisan csökken.

ahol k a Boltzmann‐állandó, Te az elektron hőmérséklet.

D 

 0kTe e 2ne

A plazmafrekvencia és a Debye‐hossz közt a következő összefüggés áll fenn: ahol ue az elektronok termikus sebessége.

,

p 


ue

D

, 167

A plazma termodinamikai egyensúlya • TE: az adott térfogatban minden fajta részecske (semleges atom, molekula, ion, elektron) azonos hőmérsékletű, azaz a sebesség‐eloszlásuk egy adott T hőmérséklethez tartozó görbével írható le. • A Maxwell‐eloszlás  M   dN (u )  N  2  k T B  

3/ 2

 Mu 2  2 4v du exp  2 k T B  

ahol dN a részecskék száma u és u+du sebességek között, N a részecskeszám‐sűrűség, T az abszolút hőmérséklet, M a részecskék tömege kB a Boltzmann‐állandó. • A Boltzmann‐eloszlás

 g   E  N i  N  i  exp  i   k BT  U i (T )  ahol Ni az i‐edik energiaszinten lévő részecskék (ionok) száma, Ei a részecskék gerjesztési energiája, E pedig a partíciós függvény



U i (T )   g i exp 

i

k BT



• A Saha‐egyenlet megadja az i‐edik ionizációs állapotban lévő részecskék relatív számát a semleges atomok számához képest.

 2 m k BT Ne Ni  2  N0 h 

3

 U i (T )  E   exp     U 0 (T )  k BT  

ahol Ne az elektronok, Ni az ionok, N0 a semleges atomok részecskeszám‐sűrűsége, m az elektron tömege, E∞ az atom ionizációs energiája. Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

168

A teljes termodinamikai egyensúly • Teljes termodinamikai egyensúlyban (TE) a plazma egyensúlyi sugárzást, úgynevezett fekete test sugárzást bocsát ki. TE esetén a direkt folyamatok egyensúlyban vannak a nekik megfelelő inverz folyamattal.


169

A lokális termodinamikai egyensúly • A plazmadiagnosztikai módszerek a plazma által kibocsátott sugárzás detektálásán alapulnak. Emiatt tehát nyilvánvaló, hogy ezekben az esetekben nem tekinthetünk el a sugárzás miatti energiaveszteségtől, és a plazma termodinamikai egyensúlyának feltételei nem teljesülnek. • Mégis feltételezzük, hogy a plazma egy adott térbeli pont körüli kis térfogatban, egy adott időpont körüli rövid időintervallumban úgy viselkedik, hogy ott teljesülnek a TE feltételei. Az energia felszabadulással és elnyeléssel kapcsolatos folyamatok egyensúlyban vannak, és a különböző részecskék eloszlásfüggvényeihez ugyanaz a hőmérséklet érték tartozik. • Az LTE egy tömör definíciója: Ütközési egyensúly a plazmában, amit az elektron és ion populációk Bolztmann – eloszlása jellemez, míg a fotonsugárzás eloszlása jóval a fekete test sugárzás szintje alatt marad. (H.R. Griem, Principles of Plasma Spectroscopy, Cambridge Univ. Press 1997) • Az LTE feltétel teljesülése fontos szerepet játszik a kalibráció mentes kvantitatív LIBS technika alkalmazhatósága szempontjából.


170

A lézer-indukált plazma emissziója Az emissziós vonal integrált intenzitása i és j szintek közti átmenet esetén:

8hc N j g j (1  e k ( ) l )d , ahol I ij   3  ij N i gi

 a készülékre jellemző konstans h, c a Planck állandó és a fénysebesség

ij az átmeneti hullámhossz N i , N j és gi , g j az i és j állapotok betöltöttsége és degeneráció foka l az abszorpciós úthossz

Az opacitás (k(ν() a Voight profilt követi : 

2

e t dt , ahol k ( )  k0    (t  x ) 2  a 2 a

e2 N i f k0  2 mc b  D b ln 2  L ln 2 a  D 3 2

x

2(   0 ) ln 2 ,  D

ahol e és m az elektron töltése és tömege  D 

 0  8k BT 

1 2

 ln 2  c  M   D Gauss félérték szélesség  L Lorentz félérték szélesség


171 171

A lézer-indukált plazma emissziója II. Az i‐edik szint populációjának kiszámolásához a Saha‐Boltzmann egyenletet használjuk.

 2 m k BT Ne Ni  2  N0 h 

3

 U i (T )  E   exp     U 0 (T )  k BT  

Az emisszióra korábban felírt összefüggések érvényesek a plazma‐beli abszorpcióra is. Definiáljuk a totális abszorpciót A‐t a következő módon, és homogén plazmát feltételezve helyettesítsük az exponensben szereplő integrált k()l-lel. Az emissziós vonal intenzitása arányos A‐val.

 D A  2 ln 2

  l   d   1 exp k ( x ,  ) 0      0  



A réz 324,7 nm‐es vonalán mért, és különböző önabszorpcióval szimulált emissziós vonalak.


172

A lézer-indukált plazma spektroszkópia LIPS/LIBS Laser Induced Breakdown Spectroscopy Egy tipikus kísérleti elrendezés: 1. Indító jel 2. Indító jel 3. Lézer impulzus 4. Optikai szál


173

A LIBS meghatározó paraméterei A lézer-anyag kölcsönhatást meghatározó tényezők •

A lézer paraméterei – Hullámhossz/frekvencia – Felületi energiasűrűség (fluence) [J/cm2] – Impulzus hossz pl: [ns] [ms] – Egy vagy több lézer impulzus – Nyaláb minőség

•

Az anyag paraméterei – Abszorpciós együttható – Hőkapacitás – Hővezetési együttható – Stb.

•

A környezet paraméterei Levegő / inert gáz / vákuum/folyadék nyomás

A mérőeszköz paraméterei •

A spektrográf paraméterei – Felbontás  – Optikai szál becsatolás – Bontóelem minősége – Kalibrálás hullámhossz és intenzitás szerint

•

A detektor paraméterei – diódasor – CCD – iCCD – Időbeli kapuzás


174

A LIBS analitika „jósági tényezői” „figures of merit” • Ismételhetőség Mértéke a relatív szórás (relative standard deviation: %RSD) Csak akkor értelmezhető, ha lehetőség van több mintavételre. • Kalibrálás: kalibráló görbék/ standard kalibráló minták • Detektálási határ • Pontosság Megmutatja, hogy a mért érték mennyire közelíti meg az „elfogadott valódi értéket”.

A LIPS analitikai jellemzőit jelentősen javíthatja, ha egy lézerimpulzus helyett kettő vagy több impulzust használunk. Ilyenkor az első impulzus létrehozza a plazmát, majd a második, harmadik, stb. tovább gerjeszti azt.


175

Intenzitás (rel. egys.)

Kvalitatív LIPS analízis Fe

Fe Tisztított minta

Mg

Si

Al

Ca

Római kori freskótöredék Szabadbattyán

Tisztítatlan minta

260

Rétegvizsgálatok LIBS segítségével

280

300

320

Hullámhossz (nm)

Rézgyöngyök Borjád, neolitikum

LIBS spektrumok megkülönböztetése főkomponens analízissel Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

176

Kvantitatív LIBS analízis CF-LIBS az önabszorpció korrekciójával Bemenő paraméterek: a plazma mérete (l), feltételezett plazmasűrűség (N)

A hőmérséklet (T) és az elektronsűrűség (Ne) kiszámolása a Saha-Boltzmann-plot alapján

A minta összetételének kiszámolása a CF-LIBS eljárással

Az iteráció vége

Az abszolút plazmasűrűség kiszámolása (N)

Az önabszorpciós együttható kiszámolása

A vonalszélesség kiszámolása

Marsi kőzetek gyors analízise a ChemCam nevű LIBS eszközzel

Az önabszorpciós hatás korrekciója 1.

D. Bulajic, M. Corsi, G. Cristoforetti, S. Legnaioli, V. Palleschi, A. Salvetti, E. Tognoni: A procedure for correcting self-absorption in calibration free-laser induced breakdown spectroscopy ,Spectrochimica Acta Part B 57 (2002) 339–353

http://www.msl‐ chemcam.com/index.php?menu=inc&page_consult=textes&rubrique=64&sousrubri que=223&soussousrubrique=0&titre_url=ChemCam#.Us_mStLuKFs


177

LIBS – előnyök és hátrányok Előnyök • Szilárd, folyadék és gáz halmazállapotú mintákon is működik • Nem szükséges mintaelőkészítés. • Gyakorlatilag nem roncsoló technika: csak ~0.1µg to 1mg anyag eltávolításával jár. • Kemény anyagokat is lehet vele vizsgálni, mint pl. kerámiák, szupravezetők (ezekből nehéz pl. oldatot készíteni) • Lokális analízis ~1-100 µm laterális felbontással • Több elem szimultán vizsgálata a mintában • Gyors és egyszerű, non-kontakt módszer Hátrányok • A széles hullámhossz tartományon működő spektrográf és az erősített, kapuzható CCD kamera komplex és drága rendszer • Szemi-kvantitatív módszer, nehéz standard mintákat előállítani/beszerezni • Interferencia hatások (mátrix-hatás, részecskeméret-hatás) • A detektálási határok nem olyan jók, mint a nedves technikáknál • Rossz ismételhetőség (5-10%), a minta homogenitásától és a lézerimpulzusok stabilitásától függően


178

Optogalvanikus spektroszkópia Optogalvanikus effektus:

egy gázkisülés impedanciájának megváltozása a plazmát alkotó részecskék rezonáns fényabszorpciója miatt.

Optogalvanikus mérési elrendezés:

Pumpáló lézer

Változtatható hullámhosszú festéklézer

HV

Modulátor (szaggató)

Optogalvanikus jel

Ref. Lock‐in erősítő

Kimenő jel


179

Optogalvanikus (elektromos) jel:

Ytterbium optogalvanikus jele http://terpconnect.umd.edu/~sdebnath/Yb‐OGE.htm Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

180

Mintatér: Üreges katódú lámpa katód

üveg

puffer gáz +

áramforrás

anód

kvarc belépő ablak

http://www.hamamatsu.com/eu/en/product /category/1001/3014/L233‐11NB/index.html

• Az üregkatód lámpa (hollow cathode lamp) bekapcsolásakor a katódból elektronok lépnek ki, amelyek nagy sebességgel az adód felé tartanak. • Az útjukba kerülő nemesgáz atomokat ionizálják. • A keletkező pozitív töltésű nemesgázionok viszont a katód irányába mozogva felgyorsulnak és a katódüregbe csapódva, annak falából a katód anyagának atomjait teszik szabaddá. A katód vagy a vizsgálni kívánt anyagból készül vagy azzal van bevonva. • A nemesgázionok a továbbiakban már az üregben felhalmozódó alapállapotú atomokkal ütköznek. Az ionok kinetikus energiájukat az atomoknak átadva gerjesztik azokat. • Az üregben keletkező gerjesztett atomok relaxációja következtében a katód anyagára jellemző fénykibocsátás történik. (Vonalas színkép.) Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

181

Optogalvanikus spektroszkópia • Egyszerű és olcsó módszer, kényelmesen alkalmazható elektromos és rádiófrekvenciás és mikrohullámú plazmakisülésekben, lángokban jelenlévő atomok, ionok, molekulák és gyökök spektroszkópiai vizsgálatára az UV/VIS/IR tartományban. • Érzékeny módszer. Olyan gyengén abszorbeáló átmenetek detektálását is lehetővé teszi, amelyek abszorpciós vagy fluoreszcencia spektroszkópiával nem mérhetők. • Nem kell optikai detektort alkalmazni. • S/N=103-105 • Két különböző mechanizmussal lehet kvalitatíve megmagyarázni az optogalvanikus effektust: 1. A lézerfény elnyelődése a kisülési plazmában változást eredményez az atomi vagy molekuláris nívók populációjában. Mivel a különböző nívókhoz különböző ionizációs hatáskeresztmetszet tartozik, a populációk megváltozása a kisülés áramának megváltozását okozza, amit a kisülés impedanciájának változásaként érzékelünk. 2. Az atomok és molekulák lézer által történő gerjesztése perturbálja az elektronhőmérséklet és az atomok gerjesztési hőmérséklete közti egyensúlyt, de az elektronok és a gerjesztett atomok közti ütközések során az egyensúly azonnal elkezd helyreállni, és ez a folyamat az elektronhőmérséklet megemelkedésével jár. Mindezek miatt megnő az elektromos vezetőképesség, azaz csökken a kisülés impedanciája.


182

Thomson-szórás • Thomson‐szórásnak (TS) az elektromágneses tér fotonjainak a plazmában levő szabad elektronokon való szóródását nevezzük. • Mivel az egységnyi térfogatban szóródó fotonok száma és spektrális eloszlása közvetlen kapcsolatban áll a plazma olyan fontos tulajdonságaival mint az elektron sűrűség (ne) és az elektron hőmérséklet (Te), ezért ez az egyik legfontosabb plazmadiagnosztikai technika. • Figyelembe kell viszont venni azt is, hogy a beérkező fény a kötött elektronokkal is kölcsönhatásba lép, és ekkor Rayleigh‐ vagy Raman‐szórás is történik. Nagyon fontos követelmény, hogy a Raman‐ vagy Rayleigh‐ szórás által keletkező fotonokat meg tudjuk különböztetni a Thomson‐szórásból származóktól. • A TS egy aktív diagnosztikai módszer, ami azt jelenti, hogy a vizsgálat céljára használt lézernyaláb befolyásolja a vizsgálni kívánt plazma állapotát. Ezért a pontos mérésekhez ismerni kell a plazma és a lézer kölcsönhatásának részleteit is. • A mintatérben reflektálódó és (nem Thomson‐) szóródó lézerfény (stray light) erős hátteret és zajt jelent, ami miatt a Thomson‐szórás vizsgálata rendkívül nehéz kísérleti technika. • A fentiek ellenére a TS óriási előnye, hogy nem tételezi fel a plazma egyensúlyi állapotát. Közvetlenül méri az elektronsűrűséget és az elektron hőmérsékletet.


183

A Thomson-szórás elméleti alapjai • Ha E0 amplitúdóval, k0 hullámszám vektorral és 0 körfrekvenciával jellemezhető elektromágneses hullám esik be a plazmába, akkor az elektron által érzékelt térerősség:

E  E0 cosk0  rj  0t 

d

• Az elektron gyorsulása a Maxwell egyenletek alapján:

e rj  E0 cosk0  rj  0t  m

Scattering

E0

ahol e az elektron töltése, m a tömege.



Szóró Electron elektron

 rj

• A gyorsuló elektron által kibocsátott dipól sugárzás:

ks

k

R

k0

Origin

Origó

r02 E0 sin  E s R, t   cosk  rj  0t  R ahol

e2 15 r0   2 . 82  10 m 4 0 mc 2

,

a töltött részecske tömegével fordítottan arányos, ezért ionokra elhanyagolható. Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

184

A Thomson-szórás elméleti alapjai II. • Az összes szórt teljesítmény:

Ps  P0 ahol

P0 : ne: L: S(k,w):

d T ne LS k ,  sin 2  d

a beeső (lézer) teljesítmény elektronsűrűség a plazmában a szóró közeg hossza szórási alaktényező, ami az elektron mozgásából származó eltolódást és az elektronok közti korrelációt írja le.

• A szórt fény arányos az elektronsűrűséggel!

 

  • Az alaktényező: S k ,    f vk  0   S v dvk 

ahol f(sebességeloszlás, és

S v   0  k  v

A sebességeloszlásban szereplő delta függvény a doppler‐eltolódásról ad számot. • Ha a sebesség a Maxwell‐eloszlást követi (kis sűrűség, nincs kölcsönhatás)   vk  2  2k BT2 1 a f vk   exp     ahol , me a    a     S  0  2  1 akkor az alaktényező a hullámhossz függvényében S S   exp     ahol

  20

 2  a sin  0 sin c 2 c 2

2k BTe me

 

  

 


185

A mérés elve Lézer

Az ábrán nem szereplő fontos technikai részletek: • A lézerfényt és a szórt fényt leképező optika • Időzítő elemek • Szűrők a Rayleigh és Raman‐szórásból származó fény kiszűrésére • Spektrográf / polikromátor • Jelfeldolgozó egységek

Detektor/ok Spektrális vagy időbeli és térbeli bontás

Fénygyűjtő optika

Detektorok: • PMT

Lézerfény blokkoló

• Gyors fotodióda

Több csatorna

• ICCD kamera: térbeli és spektrális felbontás egyszerre


186

Kérdések 9. 1. 2. 3.

Mi a plazma? Melyek a jellemző fajtái? Mi az abláció? Miből áll az ablációs felhő? Mekkora a jellemző küszöb teljesítmény sűrűség, és hogyan függ a lerepülő anyagmennyiség a lézer teljesítményétől? 4. Milyen komponensekből áll a LIPS plazma spektruma? 5. Hogyan változik időben a spektrum és miért? 6. Mennyire roncsolásmantes ez a fajta anyagvizsgálati módszer? 7. Hogyan lehet kvantitatív eredményt kapni LIPS elemanalízis során? 8. Mi az optogalvanikus spektroszkópiai módszer lényege, és mi az előnye a hagyományos fénydetektálással szemben? 9. Mi a Thomson szórás? A plazma mely komponense szórja a fényt? 10. Milyen kísérleti nehézségek lépnek föl a Thomson szórás mérésekor? Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐ 12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

187

10. előadás Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Spektroszkópia az idő tartományon


188

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Spektroszkópia az idő tartományon


189

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Spektroszkópia az idő tartományon Michelson‐interferométer kimenetén kapott jel az elektromos tér elsőrendű autokorrelációs függvénye:


190

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Spektroszkópia az idő tartományon


191

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Spektroszkópia az idő tartományon A Michelson interferométerrel kapott autokorrelációs függvény interferencia tagjának Fourier transzformáltja arányos a hagyományos spektrométerrel mérhető teljesítmény spektrummal:


192

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Spektroszkópia az idő tartományon A Michelson interferométerrel működő FTIR fotométerek előnyei: •nem kell spektrális bontás, sok fényünk marad, •széles nyalábbal dolgozhatunk, nem kell fókuszálni kis helyre, •gyorsan lehet mérni. Cserébe: •az optika (tükrök, féligáteresztő nyalábosztó) interferometrikus minőségű, azaz a szokásos λ/10 felületi minőség helyett minimum 1 nagyságrenddel jobb kell, •a mechanikai rendszer (tükör mozgatás) is hullámhossz nagyságrendű precizitást kíván. Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

193

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Spektroszkópia az idő tartományon Időbontott, heterodyn Optikai Kerr‐Effektus


194

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Spektroszkópia az idő tartományon Optikai Kerr‐Effektus (OKE‐RIKES)


195



196



197



198



199


Spektroszkópia az idő tartományon Optikai Kerr‐Effektus (OKE‐RIKES)


200


Kétfotonos Molekuláris Fluoreszcencia Kétfotonos fluoreszcencia: •Gerjesztett állapotú abszorpció •Időbontás •Telítődés •Konformáció változás •Cis‐Trans átmenet


201

Kérdések 10. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Hogyan írhatjuk le a Michelson interferométer ernyőjén mérhető intenzitást a karhossz különbség függvényében? Mi a kapcsolat a spektrum, a koherencia és az interferométerrel kapott autokorrelációs függvény között? A Fourier transzformációs IR és RAMAN spektrométereknek milyen előnyük van a hagyományos szögdiszperziós spektrométerekhez képest? Mi a különbség az időbontott és az időtartományon végzett spektroszkópiai módszerek között? Mi az alsó határa a spektrométerekben az elektronikus időbeli feloldásnak? Mi a pumpa‐próba módszer a spektroszkópiában? Mi határozza meg az időbeli feloldóképesség alsó határát? Mi az Optikai Kerr Effektus, mi köze van a Raman szóráshoz? Mi a heterodyn detektálás lényege? Hogyan mérhetjük vele a fényben rezgő elektromos térerősség amplitúdóját? Milyen jelenségek játszódnak le jellemzően a femtoszekundumos időskálán? Mi köze van egy időbontással kapott mért OKE válaszfüggvénynek és egy folytonos lézerekkel felvett CARS/RIKES spektrumnak egymáshoz?


202

11. előadás Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel Többfotonos folyamatok:

•4‐hullám keverés •Tranziens Indukált rács • Ramsay spektroszkópia •Tranzien abszorpció


203

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel •4‐hullám keverés


204



205

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel •Degenerált 4‐hullám keverés


206

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel •Nem degenerált 4‐hullám keverés


207

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel •Frekvencia fésű •T. Hansch, Nobel díj, 2005


208



209

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel •Tranziens abszorpció •Szélessávú, fs kontinuum generálással


210

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel •Tranziens abszorpció •Keskenysávú, mintavételezés OPO‐val


211

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel •Tranziens abszorpció •Kettős gerjesztéssel


212

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel •Tranziens abszorpció


213

Nem‐Lineáris spektroszkópia lézerekkel •Tranziens rács


214



215



216

Kérdések 11. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Hogyan függ a Rayleigh szórás intenzitása a hullámhossztól? Mi a Raman szórás alapfolyamata klasszikus leírásmód szerint? Mitől függ a Stokesi‐ és az anti‐Stokesi jel intenzitásának aránya? Mi a lézeres gerjesztés előnye Raman spektrométernél? Rezonátoron belüli Raman szórás lineáris‐e? Milyen elven működnek a LIDAR berendezések? Milyen tényezők szerepelnek a LIDAR egyenletben? Mi az optoakusztikus módszer lényege, és mi az előnye a hagyományos fénydetektálással szemben? 9. A lézeres izotóp szeparáció a lézer mely tulajdonságát (‐ait) használja ki? 10. A lézeres interferométer a lézer mely tulajdonságát (‐ait) használja ki? Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐ 12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

217

12. előadás Terahertzes spektroszkópia 1.0

E(t)

2.0

E(w)

Amplitudó

0.8

Feszültség (V)

1.5

1.0

0.6 0.4 0.2 0.0 0

0.5

1

2

3

Frekvencia (THz) 0.0

-0.5 0

10

20

30

Idõ (ps)

40

50

60

Célkitűzés • Elektromágneses sugárzások, terahertz • THz keltési módszerek – Fotokonduktív antennák – Rövid impulzusok optikai egyenirányítása

• Nagyenergiájú THz‐es források – Keltés és detektálás

• Anyagvizsgálat – Időbontott spektroszkópia – Anyagi tulajdonságok meghatározása

Bevezetés Az elektromágneses sugárzás egy speciális, az infravörös távoli tartományába eső sugárzás a terahertzes (THz) sugárzás

 frekvencia: ν= 1012 Hz = 1THz  körfrekvencia: ω= 2πν= 6,28 1/s  periódusidő: T= 1/ν= 10‐12 s = 1ps  hullámhossz: λ= c/ν = 0,3 mm= 300 μm

Bevezetés Az elektromágneses sugárzás egy speciális, az infravörös távoli tartományába eső sugárzás a terahertzes (THz) sugárzás

Biztonságtechnika Emax ≈ 100 V/cm → 10 fJ energia

Anyagvizsgálat Emax ≈ 100 kV/cm → µJ energia

Részecske manipuláció Emax ≈ 100 MV/cm → 10 mJ energia

• • •

Ruhák, csomagolások átvilágítása Veszélyes anyagok azonosítása Orvosi alkalmazások

• •

Transzmissziós spektroszkópia Pumpa‐próba módszer

• •

Részecske gyorsítás Molekula orientáció

Bevezetés Biztonságtech nika

Részecske manipuláció

Anyagvizsgálat 50 45 40

A b s z o rp c ió (1 /c m )

35 30 25 20 15 10 5 0

3.4

T ö ré s m u ta tó

3.2

3.0

2.8

2.6 0.0

http://www.ska‐polska.pl/en/lab/thz‐see‐invisible

0.5

1.0

1.5

2.0

Frekvencia (THz)

2.5

3.0

Pálfalvi et al, Phys. Rev. ST Accel. Beams, 2014

THz‐es antennák • Optikailag kapuzott fotokonduktív antennák • Közeli infra pumpa • Félvezető alapú antennák • Emittáló és detektáló impulzusok

http://fir.u‐ fukui.ac.jp/thzlab/index_files/Eng_THz_TDS.h tm

Nagyenergiájú THz‐es impulzusok keltése Nemlineáris optikai folyamatok Nagy intenzitású fény hatására (lézer) bizonyos anyagi tulajdonságok megváltoznak. Ilyenkor az anyagok válasza az elektromos térerősség nemlineáris (NL) függvénye lesz.

Többféle NL optikai kristály, félvezető alkamas! Szélessávú impulzusok keltésére alkalmas Tipikusan egyciklusú impulzusok

A kölcsönhatás eredménye: új, a bemenő fényben nem jelen levő frekvenciakomponensek keletkezése

P(t) 0  () E0  exp(jt) E(t) SHG, DFG, OR, …

E(w)

A m p litu d ó

0.8 1.5

F e s z ü lts é g (V )

Nemlineáris polarizációs effektusok

1.0

E(t)

2.0

1.0

0.6 0.4 0.2 0.0 0

0.5

1

2

3

Frekvencia (THz) 0.0

-0.5 0

10

20

30

Idõ (ps)

40

50

60

Optikai egyenirányítás Szélessávú THz‐es impulzusok keltésére széles körben elterjedt módszer • Másodrendű nemlineáris optikai folyamat • Különbségi frekvenciakeltés egyik speciális esete • Ultrarövid impulzusok frekvenciakomponensei közötti különbségifrekvencia keltése

Diszperzió optikai és THz frekvenciákon Az optikai pumpa csoportsebessége és THz hullám fázissebessége különböző frekvenciákon nem azonos! Adott anyagra a csoport‐törésmutató Csoportsebesség:

λ

0

λ

λ

0

λ

Fázissebesség:

Effektív kölcsönhatási hossz az a távolság, ameddig az optikai imp hogy nem előzi le vagy hagyja le a THz‐es hullámot /2‐nél nag

l

|

|

Sebességillesztés FOM for L = 2 mm [pm2cm2 /V2]

deff [pm/ V]

ng @ 800 nm (1.55 µm)

CdTe

81.8

(2.81)

3.2 4

4.8

11.0

GaAs

65.6

4.18 (3.56)

3.5 9

0.5

4.21

GaP

24.8

3.67 (3.16)

3.3 4

0.2

0.72

ZnTe

68.5

3.13 (2.81)

3.1 7

1.3

7.27

GaSe

28.0

3.13 (2.82)

3.2 7

0.5

1.18

sLiNbO3@ 300 K @ 100 K

168

2.25 (2.18)

4.9 6

17 4.8

18.2 48.6

DAST

615

3.39 (2.25)

2.5 8

50

41.5

Material

αTHz nTH [cm‐ z 1]

Sebességillesztési feltétel: vglaser cos   vpTHz Hebling et al., Opt. Express, 2002

Hebling et al., JOSA B, 2008

Döntött impulzusfrontú elrendezés Szükséges impulzusfront dőlés szöget: 

n d tan    ng d

Döntött impulzusfrontú elrendezés

Leképezési sémák és aberrációk LN x [m m] crystal

THz 4 2

1.0

0

(a) (b) (c)

-2

(c)

-4

pump

TH z in te n sity [a rb . u .]

Lencsés elrendezés Teleszókos leképezés Szférikus tükör Tükrös teleszkóp

THz

LN crystal

pump

0.5

0.0

(a)

8

4

0

-4

x [mm] x [m m]

2

pump

THz

THz generation efficiency [arb. u.]

4

1E-3

2  [m m ]

• • • •

8E-4

0

0

6E-4

-2

4E-4

-4

LN crystal

(b) Kunitski et al., Opt. Express, 2013

2E-4 0

-2 -4

-2

0  [mm]

2

4

Fülöp et al., Opt. Express, 2010

-8

Detektálás Elektro‐optikai mintavételezés

THz

Pockels‐effektus :

 (n1 n2)

L L c0



c0

 no3r41ETHz

Elektro‐optikai mintavételezés Detektáljuk a mintavételező impulzus polarizációjának változását

I0 I0 I0 I0 I2  1sin  1, I1  1sin  1 2 2 2 2 A THz‐es impulzus térerősségének időbeli lefutása megegyezik a detektorokon mér intenzitások különbségével!

I0L 3 I jel  I2 I1  I0  no r41ETHzETHz c0

Időbontott THz‐es spektroszkópia • Tipikusan optikailag kapuzott fotokonduktív antennás THz keltés és detektálás • Pumpa nyaláb szétválasztása, az egyik késleltetése • Emitter oldalon THz‐es impulzusok keltése • Fókuszt tartalmazó leképezése a keltett forrásnak – mintatér tervezése • THz‐es sugárzás abszorpciója a detektor oldalon a pumpa impulzus segítségével kiolvasható

Lineáris spektroszkópia

Menlo Systems, Tera K-8

Pumpa‐próba módszer Nemlineáris spektroszkópia

• Két forrás szükséges (pumpa‐próba) • Pumpa nyaláb nemlineáris változást hoz létre a mintában • Próba nyaláb áthalad a mintán, figyeljük a változását • Pumpa és próba késleltetve van egymáshoz képest • Próba nyaláb detektálása különböző módszerekkel

Adatok elemzése ~



E(t) Elektromos térerõsség idõbeli lefutása ~

2.0

~

FT(E(t)) E() THz-es térerõsség idõbeli lefutása és az impulzus spekturma 1

Referencia Minta

ER(t)

~

1.5

0.5

3

0.1

2 1 J e l (V )

ES (t)

1.0

A m p lu tu d ó

F e s z ü lts é g (V )

~

0.0

0

-1

0.01 -0.5 0

10

20

30

Idõ (ps)

40

50

60

0.0

-2 -75 -80 -85 -90 -95 -100 -105 -110 Time (ps)

0.5

1.0

Frekvencia (THz)

1.5

2.0

Komplex dielektromos állandó Időbontott THz‐es spektroszkópiával a komplex dielektromos állandó meghatározható: ~

()  ()  j  () 1

2

Ezzel analóg: komplex törésmutató: ~

ns () ns () j  ks ()

Törésmutató és abszorpció meghatározása Komplex törésmutató:

c0 ns() () 1 wd

~

ns () ns () j  ks () ~

Referencia spektrum: Minta spektrum:

SR() ~

 4ns()   s() ln 2  ()(ns() 1) 

Ss ()

Minta átviteli függvény:

Ss() ()exp(j ()) Sr()

Abszorpciós koefficiens:

 2s 2  4ns()  s()   ln 2 c0 d  ()(ns() 1) 

Félvezetők THz‐es spektroszkópiája ZnTe törésmutatója THz-es tartományon

ZnTe THz-es abszorpciója 50 45

3.4

40 35

A b s z o rp c ió (1 /c m )

T ö ré s m u ta tó

3.2

3.0

2.8

30 25 20 15 10 5

2.6 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Frekvencia (THz)

2.5

3.0

0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Frekvencia (THz)

2.5

3.0

Kérdések 12. 1.

Miért különleges tartománya az elektromágneses spektrumnak a Thz környéke? 2. Hogyan lehet előállítani és mérni THz‐es sugárzást? 3. Hogyan működik a femtoszekundumos lézereken alapuló THz‐es fényforrás? 4. Melyek a THz‐es sugárzás előállítás fő nehézségei, és hogyan lehet ezeket leküzdeni? 5. Mi az döntött impulzusfront? 6. Milyen anyagokat lehet használni ezen a tartományon lencsének, tükörnek, ablaknak, küvetta anyagának? 7. Milyen mozgások, szabadsági fokok, rezonanciák vannak az anyagokban a THz‐e tartományban ? 8. Mi az a sebesség illesztés, mi a viszonya a csoportsebességnek a fázis sebességhez? 9. Mi az az egyciklusú impulzus? 10. Hogyan kaphatunk információt a minta abszorpciós spektrumáról a pumpa‐ próba mérésből? Sánta‐Márton‐Lombosi: Lézerspektroszkópia TÁMOP‐4.1.1.C‐ 12/1/KONV‐2012‐0005 projekt

239

Hivatkozások 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

http://www.ska‐polska.pl/en/lab/thz‐see‐invisible http://www.nature.com/nphoton/journal/v1/n2/fig_tab/nphoton.2007.3_F7.html Principles of Terahertz Science and Tech ‐ Yun‐Shik Lee Sánta I.: "Femtochemistry, femtophysics", Ligth‐material interactions, quantumoptics, book, Pécs 6‐9 April. 1999, pp. 181‐192. Sánta I.: Photophysics of light and biological matter , book, ed.: Horváth Z.Gy., Pécs 2001, ISBN: 963‐00‐6985‐7 P. Bartolini, M. Ricci, R.Torre, R.Righini, I.Sánta: Diffusive and Oscillatory dynamics of Liquid Iod‐benzene Measured by Femtosecond Optical Kerr Effect Journal of Chemical Physics, 110, 1‐10 (1999) B. Német, K. Musiol, I. Sánta, J. Zachorowski: “Time‐Resolved Vibrational and Rotational Emission Analysis of Laser‐ Produced Plasma of Carbon and Polymers”, Journal of Molecular Structure, 512, 259‐270 (1999) Foggi, L.Pettini, I. Sánta, R.Righini, S.Califano : Transient Absorption and Vibrational Relaxation Dynamics of the Lowest Excited Singlet State of Pyrene in Solution Journal of Physical Chemistry, 99, 7439‐46 (1995) Sánta I., P. Foggi, R.Righini, J.H.Williams:Time‐Resolved Optical Kerr Effect measurements in aqueous ionic solutions Journal of Physical Chemistry, 98, 7692‐7701 (1994) Torre R., I.Santa, R.Righini : Pre‐transitional effect in the Liquid‐Plastic phase transition of p‐Therphenil Chemical Physics Letters 212, 90 ‐ 95, (1993) Banfi, G.P., P.Di Trapani, R.Danielius, A.Piskarskas, R.Righini, I.Santa :Tunable femtosecond pulses, close to transform limit, from traveling‐wave parametric conversion Optics Letters 18, 1547‐9 (1993) Czopf, J., I. Sánta ,T. Rédei, L. Kellényi, L.Kozma: Human neurogram and cortical potencials evoked by laser impulses. Lasers in Life Sciences 3, (2), 71‐82 (1989). Sánta,I., B. Német, J. Hebling, L.Kozma, M.R. Gorbal: Experimental and theoretical investigations of C‐C transfer discharge TEA N2 laser. IEEE J. of Quantum Electronics, QE‐22 2147‐2180 (1986)

Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra" Lézerspektroszkópia

Recommend Documents