Lézerek
• A lézerműködés feltételei
• Lézerek osztályozása
• Folytonos lézerek (He-Ne)
• Impulzus üzemű lézerek (Nd-YAG, Ti:Sa)
• Ultrarövid impulzusok
• Extrém energiák
• Alkalmazások
Lézerek
• Pumpálás
• Populáció inverzió
• Stimulált emisszió
• Erősítés
A lézerműködés feltételei
abszorpció spontán emisszió Stimulált emisszió
Abszorpció és emisszió
LASER = Light amplification by stimulated emission of radiation
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.
R = 100% R < 100%
I0 I1
I2 I3 Lézer aktív
anyag
A lézerműködés folyamata
Populáció inverzió
Miért van szükség a populáció inverzióra?
Termikus
egyensúlyban Populáció inverzió
R = 100% R < 95%
I0 I1
I2 I3 Lézeraktív
anyag
I
Mire van szükség a populáció inverzióhoz?
Populáció inverzió
Két nívós
rendszer
Lézer
átmenet
Pumpa
átmenet
Legjobb esetben
egyenlő populáció,
nincs lézer
Négy nívós
rendszer
Könnyen megvalósul
a lézer
Lézer
átmenet
Pumpa
átmenet
Gyors relaxáció
Három nívós
Erős pumpálás
esetén van lézer
Gyors relaxáció
Két és három nívós lézerek
Pumpa
átmenet
Lézer
átmenet
Gyors relaxáció
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
Lézerek osztályozása
Sugárzás nélküli ámenet
Metasabil
állapotok
694,3 nm
Rubin lézer
Az első lézer (Theodore Maiman, 1960 )
Az aktív anyag krómmal szennyezett szintetikus zafír kristály
Anód
Katód He-Ne keverék
R=95 %
R=100%
U
He-Ne lézer
• 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
• Q-kapcsolt lézerek
• Módusszinkronizált lézerek
Impulzus lézerek
• Ismétlési frekvencia: 15 Hz – 100 MHz
Impulzus lézerek paraméterei
• 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
• Extrém energiájú impulzusok (2.6 kJ)
• Magfúziós kísérletek
• Extrém UV generálás
• Attoszekundumos impulzusok
• Kisebb méretű lézerek
• Rezgési spektroszkópia
• Képalkotás,
lézercsipeszek
VULCAN LSF
Extreme Light Infrastructure
Q-kapcsolt lézerek
• A módszer lényege a populáció inverzió maximalizálása, majd
egy hatalmas impulzus kicsatolása
• Impulzushossz: 100-200 ns
Hét longitudinális módus, illetve azok szuperpozíciója látható
véletlenszerű fázis (A) és azonos fázis esetében (B). (Forrás:
Enoch Small,19912
Módusszinkronizálás
• 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
Titán-zafír lézer
Tranziens abszorpció @ Biofizika
BBO
CaF2
Minta
Foto-
dióda
Ch
Monokromátor
St
F
100 fs, 1 nJ,
100 MHz, 800
nm
100 fs, ~ µJ,
1 kHz, 800
nm
A pumpa és próba
impulzus térben (és
időben) átfed a
mintában!
CCD
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
Alkalmazások
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