A lézerek működése Segédanyag a „Barangolás Tudásvárosban” élménytábor „Izgalmas modern fizikai kísérletek” előadásához Dr. Majár János

A Bohr-féle atommodell I. Rutherford atommodellje a nagy tömegű, pozitív töltéseket tartalmazó atommagot helyezi az atom közepére, a kis tömegű, negatív elektronok ekörül keringenek. A modell problémája, hogy a gyorsuló (kör- vagy ellipszis pályán mozgó) töltések egy változó elektromágneses teret kell fenntartsanak. Ezzel energiát veszítenek, pályájuk mérete csökken. Végül mindenképpen belezuhannak az atommagba. Ez ellentmond a tapasztalatnak, így a modell hibás, javítani kellett rajta.

A Bohr-féle atommodell II. Niels Bohr posztulátumai egy jobb modellt adtak az atomok működésére. Az elektronok az atommag körül csak adott energiájú (adott sugarú) pályákon mozoghatnak. Elektron ezen pályák között nem tartózkodhat. Vagy az energiaszintek szokásos jelöléseivel… Az elektronok ezen energia-szintek (pályák) között „ugrálnak”, eközben adott energiájú fotont (a fény részecskéje) bocsátanak ki, vagy nyelnek el. Tekintsük át ezt a két esetet!

Abszorpció Az alacsonyabb (E1) energiájú állapotban lévő elektron elnyeli a beérkező fotont. Akkor a magasabb, E2 energiájú pályára (vagyis gerjesztett állapotba) kerül. Ezt nevezzük abszorpciónak (magyarul elnyelés). E2 E1 Ez azonban csak akkor lehetséges, ha a foton energiája épp a két pálya energiájának különbségével egyenlő, vagyis Efoton = E2 - E1. A foton energiája egyértelmű kapcsolatban áll a νf frekvenciájával („színével”): Efoton = h· ffoton , ahol h=6,626·10-34 Js. Így az elnyeléshez szükséges foton frekvenciája ffoton = (E2 - E1)/h.

emisszió A magasabb (E2) energiájú állapotban lévő (gerjesztett) elektron az energiaminimum elvének megfelelően igyekszik a lehető legalacsonyabb energiájú állapotba kerülni. Ezért az alacsonyabb E1 energiájú állapotba kerül, miközben a pályák energia-különbségének megfelelő fotont sugároz ki. Ezt nevezzük emissziónak (magyarul kibocsátás). E2 E1 A kibocsátott foton energiája a két pálya-energia különbségével egyenlő, vagyis Efoton = E2 - E1. A korábbiakat követve így a kibocsátott foton frekvenciája ffoton = (E2 - E1)/h.

A Bohr-féle atommodell III. Az atomi átmenet során az elektron nem „átmegy” egyik energia-szintről a másikra, lévén a két energiaszint között nem lehet. Egyszerűen megjelenik a másik energiaszinten. Ezt röviden úgy szoktuk megfogalmazni, hogy „átugrik” egyik energiaszintről (pályáról) a másikra. A gerjesztett állapotban lévő elektron „leugrása” véletlenszerű (sztochasztikus) folyamat. Nem lehet előre megmondani, hogy pontosan mikor „ugrik le”, csak azt, hogy mi az átmenet valószínűsége. Ez határozza meg azt az átlagos (!) időt, amíg az elektron gerjesztett állapotban marad. Az atomoknak sok energiaszintje van. Ez nem csak a Bohr által leírt pályákat jelenti, hanem az energiaszint függ a pálya típusától (s,p,d,f), a konkrét pálya orientációjától, de még az elektron spinjétől is. Így sokféle átmenet lehetséges egy atomban. Bár Bohr feltevései akkoriban meglepőek és érthetetlenek voltak, a kvantummechanika ezeket majdnem teljes egészében visszaigazolta. Ma már fejlettebb képünk van az atomok felépítéséről és működéséről, ennek ellenére nagyon sok folyamat és jelenség megérthető a Bohr-féle atommodell segítségével.

Abszorpciós színkép I. Bohr elképzelései nagyban megkönnyítették az akkoriban tudományos vitákat okozó speciális színképek értelmezését, a mögöttük működő jelenségek megértését. Tekintsük most az abszorpciós színképet! Nézzük meg, mi történik egy folytonos spektrumú (vagyis mindenféle színt tartalmazó) fényforrás fehér fényével, ha az áthalad egy gázfelhőn! A fényforrás fényének spektruma folytonos. Az ernyőre vetülő fény spektrumában sötét vonalak jelennek meg.

Abszorpciós színkép II. Mi is történik? A fényforrás által kibocsátott fotonok „célirányosan” elindulnak az ernyő irányába. Mivel a spektrum folytonos, mindenféle frekvenciájú foton van ebben a fénycsóvában. A fotonok közül többet is elnyel a gázfelhő, méghozzá azokat (és csak azokat), amelyeknek éppen akkora a frekvenciája, hogy a gáz atomjainak valamelyik elektronját gerjesztett állapotba tudják hozni (abszorpció). A gerjesztett állapotba került elektronok ezután visszaugranak az eredeti energia-szintre, de ez egyrészt történhet más folyamatokon keresztül, másrészt a kibocsátott fotonok mozgásának iránya össze-vissza lesz, a legtöbb nem jut el az ernyőre. Így az ernyőre érkező fényből a „megfelelő” frekvenciájú fotonokból sokkal kevesebb érkezik, mint amennyi a fényforrástól elindult. Ezt onnan látjuk, hogy ezeknél a frekvenciáknál sötét vonalak jelennek meg a színképben. Az így előálló színképet hívjuk abszorpciós (elnyelési) színképnek.

Emissziós színkép I. Vegyünk egy olyan speciális gázt, amely elektromos kisülés hatására fényt bocsát ki! Az ernyőre vetülő fény spektruma vonalas.

emissziós színkép II. Mi is történik? Az elektromos kisülés hatására sok elektron lesz gerjesztett állapotban. Ezek az energiaminimum elvének megfelelően igyekeznek alacsonyabb energiaszintre kerülni. Eközben a lehetséges „leugrásoknak” megfelelő frekvenciájú fotonokat bocsátanak ki (emisszió). Ezeket a kibocsátott fotonokat fogjuk fel az ernyőn. Lévén ezek csak meghatározott energia-átmenetekhez tartoznak, csak az ezeknek megfelelő frekvenciákat (színeket) látjuk. Az így előálló színképet hívjuk emissziós (kibocsátási) színképnek. Mind az abszorpciós, mind az emissziós színkép segítségünkre lehet ismeretlen gáz (és egyéb anyagok) összetételének megállapításakor.

Lézerek - abszorpció A lézerek speciális fényforrások, amelyek napjaink egyre szélesebb körben alkalmazott eszközeivé válnak az ipari fémmegmunkálástól a precíziós méréseken át a természet alapvető működését firtató alapkutatásokig. A lézer elnevezés alapja a LASER angol betűszó, amelynek tartalma „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. Magyarra fordítva „fényerősítés a sugárzás indukált emissziójával”. A lézerek működésének megértéséhez újra át kell tekintenünk az atomi átmenetek folyamatait. Kezdjük az Abszorpcióval! E2 E1

Lézerek – spontán emisszió A következő folyamat az emisszió, ezt azonban némileg átnevezzük. Az alábbi folyamatot „spontán emissziónak” nevezzük, mivel az elektron külső behatás nélkül ugrik az alacsonyabb energiaszintre (kibocsátva a megfelelő fotont). E2 E1

Lézerek – indukált emisszió Egy új kibocsátási (emissziós) folyamatot is bevezetünk, ez lesz a lézer működésének alapja. A gerjesztett állapotban lévő elektron kölcsön hat egy olyan fotonnal, amely pont akkora energiával rendelkezik, amekkora a leugrásra jellemző. Természetesen nem nyeli el, de a beérkező foton hatására leugrik az alacsonyabb energiaszintre. E2 E1 A folyamat során az elektron az energiaugrás energiáját egy másik foton formájában sugározza ki. Ez a foton természetesen az eredetivel megegyező frekvenciájú, de ezen felül azonos irányba halad, és még a fázisuk is azonos. Ezt a folyamatot nevezzük indukált emissziónak.

Lézerek – alapötlet A lézer működésének alapötlete, hogy az indukált emisszió során keletkező két fotont tükrök segítségével visszavezetjük az atomok közé. Így legközelebb már 4 fotonunk lesz, a következő visszaverődés után 8, és így tovább. Ennek eredményeként azonos frekvenciájú, azonos irányba haladó és azonos fázisú fotonokat kapunk nagy számban, ami a lézer, mint speciális „fényforrás” kivételes tulajdonságait adja. E2 E1 Ehhez azonban több problémát is meg kell oldani.

Lézerek – abszorpció újra Ahhoz, hogy a fenti elgondolás működjön, sok olyan atomra van szükségünk, amelyek azonos energia-szintekkel rendelkeznek. Így azonos energia-szinteken sok atomot kapunk. Egy beérkező fotonnal két dolog történhet egy ilyen rendszerben. Az egyik az abszorpció. E2 E1 Ezesetben – lévén az elektron elnyeli – csökken a számunkra „hasznos” fotonok száma.

Lézerek – indukált emisszió újra A másik, a számunkra „hasznos „ folyamat az indukált emisszió. E2 E1 Ezesetben nő a számunkra „hasznos” fotonok száma, ezt szeretnénk elérni. Viszont nem tudjuk előre megmondani, hogy a beérkező foton mit vált ki egy sok elektront tartalmazó rendszerben. Nem tudjuk, hogy egy alacsonyabb energia-szinten lévő elektron fogja abszorbeálni, vagy indukált emissziót fog okozni.

Lézerek – populáció inverzió I. Azt nem tudjuk elérni, hogy kizárólag az egyik történjen. Azt viszont igen, hogy a számunkra „hasznos” indukált emisszió valószínűsége nagyobb legyen, mint az abszorpcióé. Ennek szerencsére egyszerű feltétele van (elvben egyszerű, gyakorlatban komoly kihívás a megvalósítása), több elektronnak kell a magasabb energia-szinten lennie, mint az alacsonyabbon. ? E2 E2 E1 E1 Mivel az elektronok az alacsonyabb elérhető energia-szinten szeretnek lenni (energia-minimum elve), ezért a fenti helyzet a természetessel ellentétes, ezért azt „inverz”-nek hívjuk. Szaknyelven ezt populáció inverzónak hívjuk. Ha ez megvalósul, akkor nagyobb valószínűséggel fog indukált emisszió létrejönni, mint abszorpció, vagyis a szükséges fotonok száma nőni fog. De hogyan tudjuk ezt megvalósítani?

Lézerek – populáció inverzió II. A probléma az, hogy az elektronokat az E1 energiájú állapotból az E2 energiájúba juttatni olyan folyamattal tudjuk, aminek az energiája éppen E = E2 - E1 . Ez éppen az alábbi abszorpciót jelenti, aminek a valószínűségét szeretnénk minél kisebbre szorítani az indukált emisszióval szemben. E2 E1 De ha minden indukált emisszióhoz szükség van egy abszorpcióra, plusz számolnunk kell azzal is, hogy spontán emisszióval is leugranak elektronok E1 - re, akkor látszik, hogy több abszorpcióra lenne szükségünk, mint amennyi indukált emissziót el tudunk érni. Ez tehát így, önmagában nem megoldás. Egy összetettebb rendszerre van szükségünk!

Lézerek – populáció inverzió III. Tekintsük az alábbi három-lépéses folyamatot! E3 Az elektront egy folyamattal (mondjuk abszorpcióval) az E3 energiájú állapotra gerjesztjük. E2 Az elektront E3 - ról E2 - re ugrik sugárzásmentes átmenettel. Majd létrejöhet a már ismert indukált emisszió E2 - ről E1 - re. E1 Így a folyamatban nem szerepel az E1  E2 abszorpció, mégis sikerül megvalósítanunk a populáció inverziót. Természetesen ez a folyamat nem így játszódik le valójában, hiszen nem csak egy elektron lépked az energia-szintek között. Sok elektron esetén az első szakasszal folyamatosan juttatjuk fel az elektronokat a 3-as szintre (ezt nevezzük pumpálásnak), onnan egyenként „potyognak” le az elektronok a 2-es szintre, ahol némelyeknél a beérkező foton indukált emissziót hoz létre.

Lézerek működése, típusai A megvalósított lézerek esetén ezek a folyamatok jóval bonyolultabbak. A fizikájukat tekintve legegyszerűbb (ettől még az eszközök lehetnek bonyolultak) lézerek tipikusan 4 energia-szintet használnak, ezek közül egy átmenet biztosítja a lézerfényt. Sokféle anyag (és fizikai jelenség) alkalmas arra, hogy lézerfény keltésének alapja legyen. Néhány példa: Gázlézerek (legismertebbek a He-Ne és a CO2 lézerek, ismert még az Ar-ion lézer) Speciális esetet jelentenek a gázzal működő kémiai- és excimer lézerek. Szilárd anyagban létrejövő lézerek (Nd, Titán-zafír, rubin) Félvezető lézerek Szabad-elektron lézer Stb. Impulzus-üzemű és folytonos üzemű lézerek (ultrarövid impulzusok) Nagy energiás, vagy alacsony energiájú, de precíziós lézerek „Szín”, vagyis inkább frekvencia Egy, vagy több átmenet ad lézerfényt Stb.

A Lézerfény tulajdonságai és felhasználása Időben és térben koherens A nyaláb keskeny, a széttartása nagyon kicsi Nagy energia kis térrészben (nagy energia-sűrűség) Egy átmenet lényegében egy frekvencián sugároz (egyszínű) A mágneses mező iránya állandó A felhasználási körök száma igen magas Kommunikáció Orvostudomány Ipari anyagmegmunkálás Tudományos kutatások Extrém alacsony hőmérséklet elérése Jogi alkalmazások (ujjlenyomat-leolvasás, sebesség-mérés, stb.) Szórakoztató-elektronika A mindennapi élet eszközei (nyomtatók, pointer-ek, hologramok, lézeres leolvasó-eszközök, navigáció, stb.) Katonai alkalmazások Stb.

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!