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 1 /N 2 =exp((E 2 -E 1 )/kT) Ha T nő, N 1 közelít N 2 -höz. De N 1 N 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. 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) ionkristály-lézer félvezetőlézer gázlézer festéklézer

18 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

19 19 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)

20 20 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

21 21 Nd-YAG lézer energiaszint- diagramja

22 22 Nd-YAG kristály abszorpciós színképe Pumpálás: Kr-lámpával, v. félvezetőlézerrel J. Lu et al., Appl. Phys. B (2000)

23 23 Nd-YAG kristály fluoreszcencia-színképe lézerátmenet

24 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)

25 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.

26 26 Festéklézer működési tartománya különböző festékekkel

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

28 28 Teljesítménysűrűség Kis keresztmetszetben nagy energiát összpontosít. Keresztmetszete tipikusan 1 mm 2. Teljesítmény mW-tól kW-ig tartományig terjed.

29 29 Egyenes vonalban terjed Gázlézerek keresztmetszete 100 m-es távolságban sem változik sokat. (A hosszú rezonátor miatt)

30 30 Spektrális sávszélesség A gázlézereké különösen kicsi, pl. az Ar-lézer 514,5 nm-es fényének sávszélessége nm.

31 31 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.

32 32 Lézersugár frekvenciájának változtatása festéklézer nem lineáris kristályok - felharmonikusok előállítása (2, 3, 4 ) - frekvencia felbontása ( = )

33 Raman-szórás

34 34 Foton és molekula kölcsönhatásai abszorpció emisszió stimulált emisszió rugalmas szórás rugalmatlan szórás ionizáció … stb.

35 35 Rayleigh-szórás Foton rugalmas szóródása molekulán. Mindkettő haladási iránya változik, energiájuk nem változik. Felhasználás: részecskeméret meghatározás kolloid rendszerekben.

36 36 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.

37 37 Sir CHANDRASEKHARA VENKATA RAMAN ( )

38 38 A molekula energiaváltozása Raman-szórásban

39 39 Raman-spektrométer felépítése

40 40 Forgási Raman-színkép Kiválasztási szabály: A permanens  -vel rendelkező molekulák forgási átmenetei megengedettek.

41 41 Az infravörös és a rezgési Raman-spektrum kiegészítik egymást Rezgési Raman-színképek

42 42 Benzol (folyadék) infravörös és Raman-színlépe A két spektrum kiegészíti egymást!

43 43 egy foton elnyelésével csak 1 normálrezgés gerjeszthető Kiválasztási szabály (mint az IR-ben): DE:

44 44 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:

45 45 átmeneti momentum : polarizálhatósági tenzor : elektromos térerősség permanens dipólus indukált dipólus

46 46 Polarizálhatósági tenzor  szimmetrikus tenzor, tehát  xy =  yx,  xz =  zx és  yz =  zy

47 47 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

48 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.

49 49 A molekula energiaváltozása két- foton abszorpcióban

50 50 A két-foton abszorpció detektálási módszerei

51 51 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.

52 52 Felhasználások II. 2. Nagyfelbontású spektroszkópia: Doppler-effektus miatti sáv kiszélesedés kiküszöbölése. Doppler effektus hatása a spektrumra:

53 53 Doppler-kiszélesedés megszűntetése

54 54 Az 1,4-difluorbenzol két-foton spektruma

55 55 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

56 56 Példa: hangyasejtek két-foton mikroszkópos felvétele

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

58 58 Triplett állapot  T s kémiai reakcióra van idő Készülék egyszerű impulzuslézer + fotodióda v. fotoelektronsokszorozó + elektronika (oszcilloszkóp) Kísérleti módszer: villanófény- fotolízis S0S0 S1S1 T1T1

59 59 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

60 60 Villanófény-fotolízis I.

61 61 Villanófény-fotolízis II.

62 62 Triplett antracén abszorpciós spektruma A: hexánban, B: DMPC vezikulában 25 o C-on, C: DMPC vezikulában 18 o C-on.

63 63 Szingulett oxigénnel reagáló akceptor fogyása az akceptor abszorbanciájának mérésével.

64 64 A szingulett oxigén IR emissziós jele hematoporfirin szenzibilizátor jelenlétében. A megvastagított vonal extrapoláció.

65 65 10.X. Időkorrelált egyfotonszámlálás (Time Correlated Single Photon Counting) 10 ps – 1  s gerjesztett állapotok mérésére szolgál. A fluoreszcencia időbeli lecsengését mérjük!

66 66 idő-ampl. átalakító analóg-digitál átalakító számítógép impulzuslézer minta monokromátor trigger PMT START STOP

67 67  A fényforrás impulzuslézer  START jel – lézernek és elektronikának triggerrel  Az indítóimpulzus az idő-amplitúdó átalakítón feszültség-növekedést indít el.

68 68 U t STOP START Idő-amplitúdó átalakító

69 69 A mintából eredő lumineszcencia PMT-re kerül Úgy állítjuk be a gerj. fény intenzitását, hogy egyetlen foton váltson ki áramot a fotokatódon. Amikor a PMT-ből származó impulzus eléri az idő-amplitúdó átalakítót, megáll U növekedése. A kialakult jel arányos az eltelt idővel (a fluoreszc. időkésésével). Sok ezer, vagy 10ezer fényimpulzus után mérjük az első foton érkezési idejét Többcsatornás analizátorral dolgozzuk fel.

70 70 gyakoriság csatornaszám (idő)

71 71 Níluskék festék fluoreszcencia-lecsengése toluolban Standard minta jele (nem fl.) fluoreszk. minta jele illesztési maradék


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