Lézerek
Lézerek • A lézerműködés feltételei • Lézerek osztályozása • Folytonos lézerek (He-Ne) • Impulzus üzemű lézerek (Nd-YAG, Ti:Sa) • Ultrarövid impulzusok • Extrém energiák
• Alkalmazások
A lézerműködés feltételei • Pumpálás • Populáció inverzió
• Stimulált emisszió • Erősítés
Abszorpció és emisszió
abszorpció
spontán emisszió
Stimulált emisszió
LASER = Light amplification by stimulated emission of radiation
A lézerműködés folyamata I0
R = 100%
I3
I1 Lézer aktív anyag
I2
R < 100%
A lézerben a lézeraktív anyagban kerül sor a stimulált emisszióra, a kilépő fotonok két tükör között járnak körbe újabb stimulált emissziót okozva. A kisebb reflexiójú tükrön a fotonok egy része kilép.
Populáció inverzió Miért van szükség a populáció inverzióra?
Termikus egyensúlyban
Populáció inverzió
Mire van szükség a populáció inverzióhoz?
I I0
R = 100%
I3
I1 Lézeraktív anyag
I2
R < 95%
Populáció inverzió
Két és három nívós lézerek Két nívós rendszer
Négy nívós rendszer
Három nívós
Gyors relaxáció
Gyors relaxáció Pumpa átmenet
Pumpa átmenet
Lézer átmenet Pumpa átmenet
Legjobb esetben egyenlő populáció, nincs lézer
Lézer átmenet
Erős pumpálás esetén van lézer
Lézer átmenet
Gyors relaxáció
Könnyen megvalósul a lézer
Lézerek osztályozása Energia szerint: • I. osztály (veszélytelen, lézer pointerek, CD lejátszók stb.) • II. osztály (< 1 mW, veszélytelen a pislogás miatt ), • III. osztály (veszélyes, < 500 mW), • IV. osztály (kiemelten veszélyes, égési sérüléseket
okozhat, retinakárosodás stb.)
Lézerek osztályozása Az aktív anyag szerint:
• gáz lézerek (He-Ne, Ar-ion, CO2, N2, kripton stb.) • szilárdtest lézerek (rubin, Nd-YAG, Nd-YLF, Nd-üveg, titán-zafír) • dióda lézerek • festék lézerek
• kémiai lézerek (I, HF, HBr, stb.)
Lézerek osztályozása Üzemmód szerint: • Folytonos lézerek (CW = continuous wave) • Impuzus lézerek : Q-kapcsolt lézerek, módus szinkronizált
lézerek
Rubin lézer Sugárzás nélküli ámenet
Metasabil állapotok
694,3 nm
Az első lézer (Theodore Maiman, 1960 ) Az aktív anyag krómmal szennyezett szintetikus zafír kristály
He-Ne lézer Katód
He-Ne keverék Anód
R=100%
U
R=95 %
• 7:1 – 10:1 hélium és neon gáz keverék, alacsony nyomáson (3-7 mbar) • A gerjesztett hélium atomok ütköznek a neon atomokkal • Négy nívós lézer
Impulzus lézerek
• Q-kapcsolt lézerek • Módusszinkronizált lézerek
Impulzus lézerek paraméterei • Ismétlési frekvencia: 15 Hz – 100 MHz
• Impulzushossz: ns - fs
• Energia: egy impulzusban tárolt energia nJ-kJ (1.85 MJ @ National Ignition Facility)
National Ignition Facility
Rutherford Appleton Laboratory
Central Laser Facility ASTRA
VULCAN
LSF
• Extrém energiájú impulzusok (2.6 kJ)
• Kisebb méretű lézerek
• Magfúziós kísérletek
• Rezgési spektroszkópia
• Extrém UV generálás
• Képalkotás, lézercsipeszek
• Attoszekundumos impulzusok
Extreme Light Infrastructure
Q-kapcsolt lézerek
• A módszer lényege a populáció inverzió maximalizálása, majd egy hatalmas impulzus kicsatolása • Impulzushossz: 100-200 ns
Módusszinkronizálás
Hét longitudinális módus, illetve azok szuperpozíciója látható véletlenszerű fázis (A) és azonos fázis esetében (B). (Forrás: Enoch Small,19912
Titán-zafír lézer • A legelterjedtebb femtoszekundumos lézer • Lézeraktív anyag: titánnal szennyezett zafír kristály (nagyon jó
hővezető, széles abszorpciós spektrum) • Impulzushossz 6-150 fs • Energia: nJ-mJ • Magyar kapcsolat: Femtolasers (Krausz Ferenc), R&D Ultrafast Lasers (Szipőcs Róbert)
Titán-zafír lézer
Tranziens abszorpció @ Biofizika 100 fs, ~ µJ, 1 kHz, 800 nm
100 fs, 1 nJ, 100 MHz, 800 nm
CaF2
Ch
A pumpa és próba impulzus térben (és időben) átfed a mintában!
BBO
St Fotodióda
Minta
Monokromátor
CCD
F
Alkalmazások Időkorrelált egy-foton számlálás (ns, ps, fs) Mikroszkópok : konfokális, szuper felbontás (CW), két-foton (Ti:sa) FTIR (Fourier –transformed infrared spectroscopy)
Lézer csipesz (CW) Raman spektroszkópia (CW ) Tranziens abszorpció
LIBS analízis
LIBS = Laser Induced Breakdown Spectroscopy
Az Akropolisz „megtisztítása”
Az Akropolisz „megtisztítása”
Lézeres tisztítás
Lézeres tisztítás Pécsett
http://www.physik.uni-wuerzburg.de/femto-welt/pulsstart.html https://www.youtube.com/watch?v=boiQkDon9Fs
