Lézerspektroszkópia Előadók: Kubinyi Miklós Grofcsik András (kubinyi@mail.bme.hu, 21-37) Grofcsik András (agrofcsik@mail.bme.hu, 14-84)

1. A fény abszorpciója és emissziója Foton-molekula kölcsönhatások Energiaskála Időskála

Abszorpció

Spontán emisszió

Stimulált (indukált) emisszió

Az elektromágneses sugárzás tartományai 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1018 1020 1022 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma

OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1018 1020 1022 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása) MÖSSBAUER SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

Időskála

2. A lézerek működési elvei (ismétlés) stimulált emisszió inverz populáció optikai rezonátor

Stimulált emisszió (áttekintés)

Abszorpció Sebességi egyenlet: N1 : kisebb energiájú mol. koncentrációja : a fotonok koncentrációja A12 : az abszorpció sebességi állandója

Spontán emisszió Sebességi egyenlet: B21 : a spontán emisszió sebességi állandója

Stimulált emisszió A keletkező foton frekvenciája, iránya, polarizációja és fázisa megegyezik a stimulálóéval. Sebességi egyenlet: A21 : a stimulált emisszió sebességi állandója

Einstein-relációk A három sebességi állandó közötti összefüggés:

Lézerekben a fényt stimulált emisszióval erősítik, a lézer anyagában stimulált emisszióval több foton keletkezik, mint amennyi abszorbeálódik: Stimulált emisszió: Abszorpció: Mivel A21=A12 a lézer működésének feltétele, N2>N1 (Spontán emissziót elhanyagoltuk.)

Inverz populáció Termikus egyensúlyban Boltzman-eloszlás: N1/N2=exp((E2-E1)/kT) Ha T nő, N1 közelít N2-höz. De N1>N2 mindig fennmarad. Lézerekben N2>N1. Ezt az állapotot nevezzük inverz populációnak. Nincs termikus egyensúly! Létrehozása speciális, három vagy négy E-szintes rendszerekkel lehetséges.

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)

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

Optikai rezonátor

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

Lézersugár spektruma

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

Gyűrűs multireflexiós mérés (cavity ring down spectroscopy)

Konfokális mikroszkóp