Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

1 10. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIA. 2 Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation L ASER.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "1 10. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIA. 2 Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation L ASER."— Előadás másolata:

1 1 10. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIA

2 2 Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation L ASER

3 3 Az első lézer: rubin lézer Theodore Maiman (1960)

4 4 Lézerek felhasználása: optika orvosi technika haditechnika informatika anyagmegmunkálás alkalmazások a kémiában: –spektroszkópia –fotokémia

5 A lézerek működési elvei Stimulált emisszió inverz populáció optikai rezonátor

6 6 Stimulált emisszió (áttekintés)

7 7 Abszorpció Sebességi egyenlet: N 1 : kisebb energiájú molekulák koncentrációja : a fotonok koncentrációja A 12 : az abszorpció sebességi állandója

8 8 Spontán emisszió Sebességi egyenlet: B 21 : a spontán emisszió sebességi állandója

9 9 Stimulált emisszió Sebességi egyenlet: A 21 : a stimulált emisszió sebességi állandója A keletkező foton frekvenciája, iránya, polarizációja és fázisa megegyezik a stimulálóéval.

10 10 Einstein-relációk A három sebességi állandó közötti összefüggés:

11 11 Lézerekben a fényt stimulált emisszióval erősítik, a lézer anyagában stimulált emisszióval több foton keletkezik, mint amennyi abszorbeálódik: Stimulált emisszió: Abszorpció: Mivel A 21 =A 12, a lézer működésének feltétele N 2 >N 1 (Spontán emissziót elhanyagoltuk.)

12 12 Inverz populáció Termikus egyensúlyban Boltzman-eloszlás: N 2 /N 1 = exp[-(E 2 -E 1 )/kT] Ha T nő, N 2 közelít N 1 -höz. De N 2 /N 1 < 1 mindig fennmarad. Lézerekben N 2 /N 1 > 1. Ezt az állapotot nevezzük inverz populációnak. Nincs termikus egyensúly! Létrehozása speciális, három vagy négy E-szintes rendszerekkel lehetséges.

13 13 Lézerek pumpálása Stimulált emisszióhoz szükséges energia közlése a lézer anyaggal: ez a lézer „pumpálása” A pumpáláshoz használható: - fényenergia (villanó lámpa, másik lézer fénye) - elektromos energia (gázkisülés) - kémiai energia (kémiai reakció)

14 14 Optikai rezonátor A lézerközeget két tükör közé helyezik. A fénysugár ide-oda verődik, így a fotonok átlagos úthossza megnő, s vele együtt a stimulált emisszió valószínűsége.

15 15 Az erősítő interferencia feltétele Állóhullám kialakulása: hullámhossz, m nagy egész szám. A frekvencia:

16 16 Lézersugár spektruma

17 17 Lézerek típusai (a lézerközeg alapján) gázlézer ionkristály-lézer félvezetőlézer festéklézer

18 Gázlézerek Lézer közeg: tiszta gáz (például N 2 -lézer) gázelegy (például CO 2 -lézer) Pumpálás: elektromos energiával (gázkisülés) Lézerátmenet: Hélium-neon lézer (látható fény) Argonlézer (látható fény) N 2 -lézer (UV-sugárzás) CO 2 -lézer (IR-sugárzás)

19 Nitrogénlézer Lézeranyag: ~0,2 bar nyomású N 2 gáz A N 2 alapállapota szingulett (S=0) A gázkisülésben ütközéssel sokféle gerjesztett elektronállapot jöhet létre: - szingulett (S=0) gerjesztett és - triplett (S=1) gerjesztett állapotú molekulák keletkeznek. A lézerátmenet a N 2 két triplett állapota között történik.

20 A molekulapályák betöltése az N 2, alapállapotában (X) és két triplett gerjesztett állapotában (B,C)

21 Az N 2 molekula lézerátmenete

22 A nitrogénlézer felépítése

23 23 Neodímium -YAG lézer Gazdarács: Y 3 Al 5 O 12 ittrium-alumínium gránát = yttrium aluminium garnet = YAG Szennyező ion: Nd 3+ (az Y 3+ ionok ~1%-a helyett)

24 Ionkristály-lézerek Lézer közeg: ionos szigetelő, amely kis koncentrációban szennyező fémiont tartalmaz. A lézer sugárzást a szennyező fémionok emissziója adja. Pumpálás: optikailag (fehér fényű lámpa vagy félvezetőlézer) Rubinlézer Nd-YAG-lézer Titán-zafír-lézer

25 25 A Nd a 60. elem. A Nd-atom konfigurációja: KLM4s 2 4p 6 4d 10 4f 4 5s 2 5p 6 6s 2 A Nd 3+ -ion konfigurációja: KLM4s 2 4p 6 4d 10 4f 3 5s 2 5p 6

26 26 Nd-YAG lézer energiaszint- diagramja

27 27 Nd-YAG kristály abszorpciós színképe Pumpálás: Kr-lámpával, v. félvezetőlézerrel J. Lu et al., Appl. Phys. B (2000)

28 28 Nd-YAG kristály fluoreszcencia-színképe lézerátmenet

29 Festéklézer Lézerközeg: erősen fluoreszkáló festék oldata. Pumpálás: optikailag (fehér fényű lámpa vagy másik lézer). A lézer sugárzás a festékmolekula S 1 elektronállapotának rezgési alapállapota és S 0 állapotának gerjesztett rezgési állapota között történik.

30 Jablonski-diagram

31 A festéklézer előnyei - hangolható

32 32 Festéklézer működési tartománya különböző festékekkel

33 A lézersugár tulajdonságai Sok tekintetben messze felülmúlja a hagyományos fényforrásokkal előállított fénysugarat.

34 34 Teljesítménysűrűség Kis keresztmetszetben nagy energiát összpontosít. Keresztmetszete tipikusan 1 mm 2. Teljesítmény mW-tól kW-ig tartományig terjed.

35 35 Egyenes vonalban terjed Gázlézerek keresztmetszete 100 m-es távolságban sem változik sokat. (A hosszú rezonátor miatt)

36 36 Spektrális sávszélesség A gázlézereké különösen kicsi, pl. az Ar-lézer 514,5 nm-es fényének sávszélessége nm.

37 37 Rövid impulzusok Impulzus üzemben működő lézerek tipikusan  s-os (rubinlézer, Nd-YAG-lézer) vagy ns-os (N 2 -lézer) tartományba eső impulzusokat adnak. Pikoszekundumos, femtoszekundumos fényimpulzusok előállítása „móduscsatolt” lézerekkel.

38 38 Lézersugár frekvenciájának változtatása festéklézer nem lineáris kristályok - felharmonikusok előállítása (2, 3, 4 ) - frekvencia felbontása ( = )

39 Raman-szórás

40 40 Foton és molekula kölcsönhatásai abszorpció emisszió stimulált emisszió rugalmas szórás rugalmatlan szórás ionizáció … stb.

41 41 Rayleigh-szórás Foton rugalmas szóródása molekulán. Mindkettő haladási iránya változik, energiájuk nem változik. Felhasználás: részecskeméret meghatározás kolloid rendszerekben.

42 42 Raman-szórás Foton rugalmatlan szóródása a molekulán. Mindkettő haladási iránya változik - foton energiát ad át a molekulának, vagy - a molekula energiát ad át a fotonnak. A molekula forgási, rezgési és elektrongerjesztési energiája egyaránt változhat.

43 43 Sir CHANDRASEKHARA VENKATA RAMAN ( )

44 44 Raman és Budó Ágoston 1957, Szeged

45 45 A molekula energiaváltozása Raman-szórásban

46 46 Raman-spektrométer felépítése

47 47 Forgási Raman-színkép Kiválasztási szabály: A permanens  -vel rendelkező molekulák forgási átmenetei megengedettek.

48 48 Az infravörös és a rezgési Raman-spektrum kiegészítik egymást Rezgési Raman-színképek

49 49 Benzol (folyadék) infravörös és Raman-színlépe A két spektrum kiegészíti egymást!

50 50 egy foton elnyelésével csak 1 normálrezgés gerjeszthető Kiválasztási szabály (mint az IR-ben): DE:

51 51 Az infravörösben gyenge sávot adó normál rezgések erős sávot adhatnak a Ramanban és fordítva. Oka: az IR spektrum intenzitásait meghatározó átmeneti momentumban az állandó dipólus-momentum szerepel A Raman-spektruméban az indukált dipólus-momentum DE:

52 52 átmeneti momentum : polarizálhatósági tenzor : elektromos térerősség permanens dipólus indukált dipólus

53 53 Polarizálhatósági tenzor  szimmetrikus tenzor, tehát  xy =  yx,  xz =  zx és  yz =  zy

54 54 A Raman-spektroszkópia előnyei Vizes oldatok vizsgálhatók (A víz az IR-spektrum nagy részében erősen elnyel, viszont Raman-szórása gyenge.) Roncsolás mentes vizsgálat (Szilárd mintát nem kell őrölni és KBr-be préselni vagy feloldani, csak a lézersugár útjába helyezzük.) Rezonancia Raman-effektus (Egyes rezgési Raman-sávok annyira felerősödnek, ha a vegyület a lézerfényt elnyeli. Kis koncentrációban levő színes komponensek kimutathatók pl. biológiai mintákban.) Raman-mikroszkóp

55 Két-foton abszorpció Forgási, rezgési vagy elektronátmenet, amikor a molekula egyidejűleg két fotont nyel el. Csak akkor elegendő a valószínűsége, ha nagy a fotonok koncentrációja. Az impulzuslézerekkel tanulmányozható, hagyományos fényforrásokkal, folytonos lézerekkel nem. Legtöbbet az elektrongerjesztéshez vezető két-foton abszorpciót tanulmányozzák.

56 56 A molekula energiaváltozása két- foton abszorpcióban

57 57 A két-foton abszorpció detektálási módszerei

58 58 Felhasználások I. 1. Az elektrongerjesztési színképben a 200 nm alatti tartományban levő átmenetek megfigyelhetők, például a 150 nm- es egy-foton abszorpció helyett 300 nm-es két-foton abszorpciót mérünk.

59 59 Felhasználások II. 2. Nagyfelbontású spektroszkópia: Doppler-effektus miatti sáv kiszélesedés kiküszöbölése. Doppler effektus hatása a spektrumra:

60 60 Doppler-kiszélesedés megszűntetése

61 61 Az 1,4-difluorbenzol két-foton spektruma

62 62 Felhasználások III. 3. Két-foton mikroszkópia Elv: Lézer fényt fókuszáljuk a mintára, ahol nagy a fotonsűrűség, két-foton abszorpció történik, amit fluoreszcencia jelez. Ezt detektáljuk. Előny: olyan hullámhosszú fényt használunk, amit a minta (egy- foton abszorpcióban) nem nyel el, ezért - vastag réteg vizsgálható mélységi felbontásban, - a fény okozta károsodás kicsi

63 63 Példa: hangyasejtek két-foton mikroszkópos felvétele

64 Villanófény-fotolízis A gerjesztett állapotú molekulák koncentrációja egyszerű esetben I. r. kinetika szerint csökken: [M * ] = [M*] 0 exp(-kt)  = 1/k lecsengési idő

65 65 Triplett állapot  T s kémiai reakcióra van idő Készülék egyszerű impulzuslézer + fotodióda v. fotoelektronsokszorozó + elektronika (oszcilloszkóp) Kísérleti módszer: villanófény- fotolízis S0S0 S1S1 T1T1

66 66 Szingulett állapot  S s kémiai reakcióra nincs idő Készülék impulzus lézer (félvezető) + gyors fotoelektronsokszorozó + elektronika (idő-amplitúdó átalakító) Kísérleti módszer: időkorrelált egyfoton-számlálás S0S0 S1S1 T1T1

67 67 Villanófény-fotolízis I.

68 68 Villanófény-fotolízis II.

69 69 Triplett antracén abszorpciós spektruma A: hexánban, B: DMPC vezikulában 25 o C-on, C: DMPC vezikulában 18 o C-on.

70 70 Szingulett oxigénnel reagáló akceptor fogyása az akceptor abszorbanciájának mérésével.

71 71 A szingulett oxigén IR emissziós jele hematoporfirin szenzibilizátor jelenlétében. A megvastagított vonal extrapoláció.

72 A pumpa-próba kísérlet

73 Szingulett állapot  S s kémiai reakcióra nincs idő Készülék móduscsatolt lézer + gyors fotodióda v. fotoelektronsokszorozó + elektronika (lock-in) Kísérleti módszer: pumpa-próba kísérlet S0S0 S1S1 T1T1

74 Móduscsatolt lézer L  2L elektrooptikus móduscsatoló

75 Példa L  elektrooptikus móduscsatoló

76 Szinkron pumpálás A móduscsatolt nem-hangolható lézer fényével ugyanolyan rezonátor hosszú festéklézert pumpálnak. Előnye: - hangolható fényforrás - impulzushossz rövidebb Például: Móduscsatolt argonlézer 300ps-os impulzusa a szinkron pumpált festéklézer 10 ps-os impulzusává alakul.

77 Pumpa-próba kísérlet

78 Níluskék tranziens abszorpciójának időbeli lecsengése oldószer: etilénglikol hőmérséklet:  20  C  40  C  60 °C


Letölteni ppt "1 10. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIA. 2 Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation L ASER."

Hasonló előadás


Google Hirdetések