4. Festéklézerek

1. 4. Festéklézerek Folyadék-lézerek előnyei: Az aktív közeg homogén - szemben a szilárd lézerrel Könnyebb hűteni Nagyobb az aktív anyag sűrűsége, mint gázlézerekben Leggyakrabban fluoreszkáló szerves színezékeket használnak aktív anyagként

2. Rodamin B + o (H C ) (C H ) N N 5 2 2 2 5 2 COOH

3. A festéklézerek hangolhatók (azaz a lézerfény hullámhossza folytonosan változtatható). Ok: a lézerátmenet alsó szintje széles (a rezgési és belső forgási energianívók összeolvadnak).

4. Jablonski-diagram

5. Egyszerűsített Jablonski-diagram S2 T2 S1 T1 S0

6. Hullámhossz / Å 7000 6000 5000 1.0 ő 80,000 ) a s z v á e l t y i á z n e I m 0.8 n é F s r t e 1 60,000 o t - s m n n ó i c i a c a 0.6 r i p 1 c m - l r n o o u 40,000 e z m m c s i l z 0.4 b x / s a a e e s r m i o r 20,000 v u á á 0.2 l l F S o ( M 0 0 14,000 16,000 18,000 20,000 22,000 -1 Hullámszám / cm Rodamin-B abszorpciós és emissziós szinképe metanolos oldatban

7. Impulzuslézer - folytonos lézer Az S1 állapot élettartama ~10 ns, ezért intenzív pumpálás kell. Pumpálás: villanólámpa impulzuslézer folytonos lézer

8. Átfolyó küvettás festéklézer

9. pumpáló tükör R = 100 % vég tükör R = 100 % festéksugár (jet) R = 85 % T = 15% kollimátor R = 100 % hangoló ék stop Folyadéksugaras festéklézer

10. pumpáló fény festéksugár (jet) T T T T „optikai dióda” hangoló elemek Gyűrűlézer (ring laser)

11. Tipikus lézersugár energia [W] Oxazine 1 R6G 1.0 Polyphenyl 1 DEOTC-P R101 Sodium HITC-P fluorescein C490 C530 Stilben C450 0.1 0.01 400 500 600 700 800 900 Hullámhossz [nm] Festéklézer működési tartománya különböző festékekkel

12. Felhasználás: ahol hangolható fényforrás kell. Spektroszkópia Fotokémia Gyógyászat Izotóp elválasztás

13. 5. A lézersugár tulajdonságai 5.1. Vonalszélesség 5.2. Polarizáció 5.3. A lézersugár fényessége, intenzitása

15. 5.1. Vonalszélesség A klasszikus optikai spektroszkópiában polikromatikus fényforrás vanmonokromátor határozza meg a felbontást. A Fourier-transzformációs spektroszkópiában a max. opt. útkülönbség határozza meg a felbontást. A lézer-spektroszkópiában a lézer vonalszélessége határozza meg a felbontást.

16. A lézer optikai rezonátor Erősítő interferencia feltétele: L = ml/2

17. c n = × m 2 L Axiális módusok L = ml/2 l = 2L / m = c/n Axiális módusok távolsága: c/2L

18. × 8 c 3 10 m / s = = = 9 10 Hz 1 GHz × 2 L 2 0 , 15 m × 8 c 3 10 m / s n = = = × 14 4 , 74 10 Hz l × - 9 632 , 8 10 m × 2 L 2 0 , 15 m = = » m 474000 - l × 9 632 , 8 10 m Példa: He-Ne lézer jellemzői l = 632,8 nm, ha L = 15 cm: A félhullámok száma a rezonátoron belül:

19. A sáv alakját és szélességét 3 tényező határozza meg 1. Ütközési kiszélesedés2. Doppler-kiszélesedés3. Heisenberg-féle határozatlansági reláció

20. 1. Ütközési kiszélesedés (nyomás-kiszélesedés) Amolekulák közötti ütközés során perturbálódik az elektron-felhője, ami az energiaszintek kismértékű eltolódásához vezet. A sáv alakját Lorentz-görbe írja le. Félérték-szélessége arányos a nyomással. tc: az ütközések közötti átlagos idő (a közepes szabad úthossz és az átlagsebesség hányadosa)

21. n0: frekvencia 0 sebesség esetén v: az atom (molekula) sebességének az optikai tengely irányába eső komponense 2. Doppler kiszélesedés Afrekvencia függ a kibocsájtó és az észlelő egymáshoz viszonyított sebességétől. A sáv alakját Gauss-görbe írja le:

22. Heisenberg: a hely és az impulzus egyidejű mérésének korlátja: 3. Heisenberg-féle határozatlansági reláció Álló helyzetű és a környezetével nem kölcsönható atom vagy molekula által kibocsájtott fény sávszélessége: természetes sávszélesség.

23. Mivel DE = hDn, Hasonló összefüggés írható fel az energiára és az időre: Ha a gerjesztett állapot élettartama véges, az energiája nem adható meg pontosan. Természetes sávkiszélesedésnek hívjuk (Fourier-limit). A sáv alakját Lorentz-görbe írja le.

24. Példa: tipikus He-Ne lézer Nyomás-kiszélesedés: 0,64 MHzDoppler-kiszélesedés: 1700 MHzFourier-limit: 20 MHz ( ) n n Hz ( ) ~ ~ n = n = - 1 cm × 10 3 10 cm s c ( ) ( ) ~ n = n × × - 1 10 Hz cm 3 10 cm s Átszámítás frekvencia és hullámszám között: 1cm-1 30 GHz

25. 5.2. Polarizáció A lézerek fénye általában polarizált. Ok: a rezonátorban van olyan elem, (pl. ablak) amelynek a reflexiója eltérő a kétféle (függőleges és vízszintes ) polarizációs síkú fényre nézve. Nézzük meg nem-polarizált beeső fény szétválását dielektrikum határfelületén. Ep: a beesési síkba eső komponens Es: a beesési síkra merőleges komponens

26. a) Es A beeső fény a saját rezgési síkjában indukál dipólusokat, tehát a síkra merőleges komponens (Es) megőrzi polarizációs irányát.

27. b) Ep Az Ep komponens a megtört sugár irányára merőleges dipólusokat indukál. Ebből a visszavert sugárba relatíve kisebb hányad kerül, mint Es-ből, mivel kicsi a terjedési irányra merőleges hozzájárulás.

28. c) Ep Speciális eset, ha a visszavert és megtört sugár egymásra merőleges. Ekkor a visszavert sugárnak nem marad Ep komponense. A visszavert sugár teljesen polarizált. Ha csak Ep komponense van a beeső fénynek, akkor a visszavert sugár intenzitása 0, azaz nincs reflexió Brewster-szög

29. Lézercső (v. lézerrúd) alakja: Vagy: Ilyenkor a lézerfény a papír síkjában polarizált.

30. a a b A Brewster-szög kiszámítása: Snellius-Descartes törvény: b = 900-a sinb = cosa

31. a: divergencia (széttartás) szöge r a R 5.3. A lézersugár fényessége, intenzitása Fényesség:egységnyi felületen és egységnyi térszögben kisugárzott teljesítmény: W/(m2sterad) Gömbfelület: 4R2p Körfelület:r2p = R2psin2a Kis szögek esetén:Térszög = (körfelület/ gömbfelület)*4p = (sin2a)*p

32. Példa: He-Ne lézer, teljesítmény: 3 mW , divergencia-szög: 3*10-3 fok nyalábsugár: 0,3 mm = 3*10-4 m A nap fényessége: 1,3·106 W/(m2sr)

33. r w0 w z Intenzitás-eloszlás: Ha a lézer TEM00 transzverzális módusban működik, akkor a keresztmetszet mentén a fókuszált lézernyaláb intenzitás-eloszlása Gauss-függvénnyel írható le:

34. I: felületi teljesítménysűrűség w: nyalábsugár (az a sugár, amelynél a térerősség e-ed részére csöken) w0: nyalábsugár a fókuszsíkban w és w0: kapcsolata:

35. 6. A lézersugár modulációja 6.1. Q-kapcsolás 6.2. Móduscsatolás

36. 6.1. Q-kapcsolás Q-kapcsolással rövid, intenzív lézerimpulzusokat állíthatunk elő. 1. A pumpálás folyamán megnöveljük a rezonátoron belüli veszteséget, így késleltetjük a lézereffektus létrejöttét, miközben a populáció-inverzió növekszik. 2. Hirtelen lecsökkentjük a veszteséget a rezonátorban. Ekkor az erősítés messze meghaladja a veszteségeket, nagyon gyorsan kiépül egy intenzív lézersugárzás. 3. Az intenzív lézersugárzás miatt az inverz populáció hamar lecsökken annyira, hogy a lézerküszöb alá kerül az erősítés, így a lézereffektus megszűnik.

37. A „Q-kapcsolás” elnevezés a „jósági tényező” (quality factor) kifejezésből származik. Nagy veszteség: alacsony Q értékAmikor a veszteséget kiiktatjuk, nagy Q értékre kapcsolunk.

38. villanólámpa teljesítmény t Q t inverz populáció lézerküszöb t lézer-teljesítmény t

39. Q-kapcsolással a csúcsteljesítmény jelentősen megnő (az átlagteljesítmény nem). Pl. Nd-YAG lézer villanólámpával pumpálva. Q-kapcsolás nélkül: ~1 ms-os „tüskék” ~1 ms-onként követik egymást. A teljes időtartam ~1 ms. (Tehát kb 500 kis impulzusból áll a felvillanás.) A „tüskék” csúcsteljesítménye kW nagyságrendű. Q-kapcsolás eredménye: egyetlen ~10 ns-os impulzust kapunk MW nagyságrendű csúcs- teljesítménnyel.

40. lézerrúd A Q-kapcsolás módszerei 1. Forgó tükör (ez volt az első megvalósítás) Nagy szögsebességgel forgatjuk az egyik tükröt. Az optikai veszteség nagyon nagy (100 %), kivéve azt a rövid intervallumot, amikor a tükör síkja párhuzamos a másik tükörével.

41. Elég gyors-e ez a módszer? Pl. legyen a fordulatszám 1000/sec. legyen egy szögperc az az intervallum, amelyen belül működik a lézer. A körülfordulási időnek (10-3 s) 1/(360*60)-szorosa a működési idő: ~4,6·10-8 s = 46 ns. Az ideális Q-kapcsolási idő 1-2 ns.Tehát még nagyobb fordulatszám kell.

42. Csökkenthetjük a kapcsolási időt, ha sokszög alakú tükröt forgatunk. Pl.

43. 2. Elektrooptikai Q-kapcsolás Pockels-cella: olyan kristály, amelyre elektromos feszültséget adva megváltoztatja az áthaladó fény polarizációs állapotát. Pl. lineárisan polarizált fényből cirkulárisan polarizált fényt csinál, és fordítva.

44. Tükör Lézer-anyag Polarizátor Tükör Pockels-cella függőleges V V bekapcsolva V kikapcsolva

45. Ha tehát a Pockels-cellára feszültséget adunk, nagy a veszteség, nem működik a lézer. A feszültséget kikapcsolva lecsökken a veszteség (Q-kapcsolás) Nagyon gyors (nincs mozgó alkatrész).

46. 3. Akusztooptikai Q-kapcsolás Akusztooptikai effektus: Szilárd anyagban hanghullámok  mechanikai feszültség  törésmutató-változás A törésmutató-változás periodikus.Hullámhossza megegyezik a hanghulláméval. Optikai rács keletkezik - a fénysugár eltérítésére használható. A berendezések az ultrahang-tartományban működnek (50 kHz körül).

47. eltérítetlen sugár belépő sugár eltérített sugár Piezoelektromos rezgéskeltő Akusztikus hullám bekapcsolva:fény jelentős része elhajlik, nagy a veszteség a rezonátorban. Akusztikus hullám kikapcsolva:hirtelen megnő a rezonátor jósági tényezője

48. A három eddig tárgyalt Q-kapcsolási mód aktív Q-kapcsolás volt. 4. Passzív Q-kapcsolás A rezonátorba egy festékoldatot tartalmazó küvettát helyezünk.A festéknek a lézer működési hullámhosszán van elnyelése.

49. végtükör lézerrúd festékcella kilépő tükör A működés az ún. fakuláson (“bleaching”) alapul.Intenzív fénysugárzás hatására a festék fény-áteresztővé válik. Ok: molekulák jelentős része (kb. fele) az S0 ból az S1 állapotba kerül. Így az abszorpció és stimulált emisszió azonos valószínűséggel következik be. Nincs elnyelés. Közönséges körülmények között (pl. UV/látható spektroszkópiában) nem lép fel fakulás.

50. végtükör lézerrúd festékcella Amikor a villanólámpát bekapcsoljuk, intenzív fluoreszcencia kezdődik.Ez még nem lézerfény, mert a festék elnyelése miatt kicsi a Q-faktor. A festékoldat az S0 állapot kiürülése miatt fokozatosan átlátszóvá válik. Amikor az erősítés meghaladja a veszteségeket, beindul a lézersugárzás. Nagyon rövid és intenzív.