Lézer- források Kereskedelmi forgalomban levő lézerek sugárzásának hullámhossza

Lézerforrások Gázlézerek > Monoatomos/ionos > He/Ne lézer Gerjesztés elektromos kisüléssel He-atomot He-Ne energiaátadás ütközéssel Legerjesztődés fallal való ütközéssel Négy energiaszintű lézer Több lézerátmenet, kiválasztás a rezonátorüreggel és etalonnal Folytonos (cw) üzemmód

Lézerforrások Gázlézerek > Monoatomos/ionos > He/Ne lézer Nyomás: ~ 1 mbar Sugárnyaláb átmérője: ≤ 5 mm Teljesítmény: 0-100 mW (632 nm) Koherenciahossz: 20-30 cm Vonalszélesség: ~ 0.001 cm-1 Viszonylag olcsó (legolcsóbb zöld lézerfény 543 nm) Hosszú élettartam Felhasználás: optikai beállítások, távolságmérés (pl. FT-IR készülék interferométere), vonalkód-leolvasó, nyomtatás

Lézerforrások Gázlézerek > Monoatomos/ionos > Argonion-lézer Gerjesztés elektromos kisüléssel Átmenetek: 330 – 530 nm Megfelelő lézerátmenet kiválasztása etalonnal vagy prizmával (általában 488, 514.5 nm) Három energiaszintű lézer Többnyire folytonos (cw) üzemmód, de impulzus üzem-mód is lehet (cavity dumping) Hasonló elven kriptonion- és xenonion-lézerek (és ezek keveréke)

Lézerforrások Gázlézerek > Monoatomos/ionos > Argonion-lézer Adszorpció csökkentése: fal kvarcból vagy BeO, grafit; Ar+-ok mágneses térrel gáztérben tarthatók Nyomás: ~0.05 mbar Kis hatásfok  extenzív víz- vagy léghűtés Teljesítmény: > 100 mW – 50 W Vonalszélesség: ~0.0001 cm-1

Lézerforrások Gázlézerek > Monoatomos/ionos > Argonion-lézer Felhasználás: Festéklézerek meghajtása, szemészet és egyéb orvosi, nyomdaipar, műsoros CD-k, CVD-k gyártása, litográfia, lézer show-k

Lézerforrások Gázlézerek > Fémgőz lézerek > He-Cd lézer Működési elv és felépítés: He/Ne lézerhez hasonló (gerjesztett He ionizálja a Cd-ot: Penning ionizáció) Három energiaszintű lézer Folytonos üzemmód

Lézerforrások Gázlézerek > Fémgőz lézerek > He-Cd lézer Nyomás: 2-4 mbar Teljesítmény: 10 -200 mW Keskeny vonalszélesség tiszta Cd izotópokkal Felhasználás: litográfia, nyomtatás, integrált áramkörök ellenőrzése, CD-k írása

Lézerforrások Gázlézerek > Fémgőz lézerek > Rézgőz-lézer (CVL) Három energiaszintű lézer Ne:Cu ≈ 400:1 – 40:1 Nyomás: ~ 5-10 mbar Impulzus üzemmód, 20 kHz, 30 ns Teljesítmény: 1 MW/impulzus Hasonló felépítés: Pb, Au, Mn, Ba Felhasználás: festéklézerek meghajtása, projektoros TV, gyors fotográfia, holográfia, víz alatti világítás, uránium izotóp-szeparáció

Lézerforrások Gázlézerek > Molekuláris lézerek > Nitrogénlézer Elektrongerjesztés N2 -ben elektromos kisüléssel Felső energiaszint rövid élettartamú  populáció inverzió folyamatosan nem tartható fenn   kizárólag impulzus üzemmód, 1 – 200 Hz, 1 – 10 ns  effektív spontán emisszió („szupersugárzó”)  nincs szükség rezonátorüregre Vonalszélesség: ~ 0.1 nm Teljesítmény: 0.25 – 10 mJ / impulzus ( 0.25 – 1 MW) Felhasználás: festéklézerek meghajtása (kiszorulóban)

Lézerforrások Gázlézerek > Molekuláris lézerek > CO2 lézer N2 gerjesztése elektromos kisüléssel CO2 antiszimmetrikus nyújtási rezgésének gerjesztése ütközéssel lézersugárzás a másik két rezgési módus rezgési-forgási szintjeire Átmenetek 900-1100 cm-1 között, izotópokkal szinte folytonosan hangolható Legerjesztés ütközéssel (He) Négy energiaszintű lézer Folytonos vagy impulzus ü.m.

Lézerforrások Gázlézerek > Molekuláris lézerek > CO2 lézer CO2: N2: He ≈ 1: 4: 5 Nyomás: 50 mbar – 1-2 bar nyomnyi H2O gőz, nikkel elektród elbomlott CO2 (CO) regenerálására gázkeverék áramoltatása Nagy nyomású, nagy teljesítményű típusok: TEA (transverse excitation atmospheric) és dinamikus gázlézerek Teljesítmény: 1 – 100 000 W Felhasználás: legelterjedtebben használt infravörös lézer (spektroszkópia), fémmegmunkálás (fúrás, vágás), orvosi alkalmazás (rákos, beteg sejtek „elpárologtatása”), párologtatás, plazmák létrehozása

Lézerforrások Gázlézerek > Molekuláris lézerek > Távoli-IR gázlézerek Elv és felépítés megegyezik a CO2 lézerekkel Lehetséges anyagok: CO, N2O, HCN, CH3OH, C2H2F2, CH3F, CH3NH2, ezek deuterált származékai, … Általában inert gázokkal keverik (N2, He, Ne), ~ 1 mbar össznyomás 30 – 2000 mm-es energiatartomány (kvázi-folytonosan hangolható) Folytonos és impulzus üzemmód egyaránt lehetséges Teljesítmény: néhány mW (cW) – 30 kW (impulzus) Felhasználás: infravörös lézer (spektroszkópia), plazma diagnosztika, légkörvizsgálatok, félvezetők spektroszkópiai vizsgálata

Lézerforrások Gázlézerek > Molekuláris lézerek > Kémiai lézerek HCl és HF (HX) lézerek: X2 + hnpump  2X X + H2  HX* + H H + X2  HX* + X HX*  HX + hnlaser (HF esetben SF6/O2/He/H2 keverék) NO/F2/CO2 lézer: NO + F2  ONF + F F + D2  DF* + D DF* + CO2  DF + CO2* CO2*  CO2 + hnlaser (CO2 lézerrel azonos energiatartomány) Energiát irreverzibilis kémiai reakció szolgáltatja Láncinicializálás spontán, villanófénnyel vagy kisüléssel Gázok effektív keverése, áramoltatása Felhasználás: elsősorban lézerfegyverek

Lézerforrások Gázlézerek > Molekuláris lézerek > Jódlézer C3F7I + hnpump  C3F7 + I* I*  I + hnlaser C3F7 + I + M  C3F7I + M Gerjesztés villanófénnyel  atomi jód gerjesztett elektronállapotba Láncletörések  ciklusonként ~ 10 % veszteség  anyagutánpótlás Mellékreakcióban keletkező I2 csökkenti a hatékonyságot  keringetés szűréssel Impulzus üzemmód ~ 1 ms, 1 – 10 J (Q-kapcsolt ~ ns) Négy energiaszintű lézer Felhasználás: hirtelen melegítés (kémia, biológiai vizsgálatok), LIDAR, száloptika

Lézerforrások Gázlézerek > Molekuláris lézerek > Excimer lézerek Csak gerjesztett állapotban stabilis komplexek vagy dimerek (excimer: EXCIted diMER; exciplex: EXCIted comPLEX)  alapállapot „nem betöltött” (nem kötött) Leginkább nemesgáz és halogén keveréke XeF: 353 nm, XeCl: 308 nm, KrF: 248 nm, KrCl: 222 nm, ArF: 193 nm Gerjesztés elektromos kisütéssel Két (pszeudo-három) energiaszintű lézer Impulzus üzemmód, 10 – 50 ns, 1 – 500 Hz

Lézerforrások Gázlézerek > Molekuláris lézerek > Excimer lézerek Rg:X2:He ≈ 10: 1: 500 Időnkénti utántöltés, folyamatos szűrés Nyomás: 1- 2.5 bar Teljesítmény: ~ 1J /impulzus (MW-os csúcsteljesítmény, 20 – 100 W átlag) Felhasználás: festéklézerek meghajtása, fotokémia, elpárologtatás (abláció), anyagfeldolgozás, orvosi alkalmazások

Lézerforrások Röntgen (plazma) lézerek Erősítő közeg: sokszorosan ionizált atomok Gerjesztés: Nagy energiájú lézer (pl. Nd:YAG)  plazmát hoz létre Impulzus üzemmód ((as) – 500 ps – 10 ns) Teljesítmény: 10 nJ – 1 mJ (1 – 2 MW csúcsteljesítmény az impulzusra) Felhasználás: alapkutatás (Röntgen mikroszkópia, krisztallográfia, atomfizika, plazmák fizikája)

Lézerforrások Röntgen (plazma) lézerek

Lézerforrások Optikailag pumpált szilárdtest lézerek > Fix energiájú > Nd lézerek Nd-mal szennyezett ittrium-alumínium gránát (Nd:YAG, 1.5% Nd) üveg (Nd:glass, 6% Nd) ittrium-litiumoxide (Nd:YLF) Gerjesztés villanófénnyel Sugárzásmentes átmeneteknél energiaátadás a kristálynak Négy energiaszintű lézer 1064 nm-es sugárzást gyakran többszörözik (532 nm, 355 nm, 266 nm) Tipikusan Q-kapcsolt impulzus üzemmód, ritkán cw

Lézerforrások Optikailag pumpált szilárdtest lézerek > Fix energiájú > Nd lézerek Effektív víz- (ritkábban lég-)hűtés Teljesítmény: Nd:YAG ~ 1J/ impulzus Nd:glass lézer: akár 10 kJ/impulzus, de néhány impulzus/nap Nyaláb átmérője: 0.5-1 cm, de akár 1 m is! Hosszú élettartam 1 XY beállítás 2 Expander 4 Nd:YAG rúd és villanófény lámpa 7 polarizátor 8 He/Ne lézer (beállítás) 9 Q-kapcsoló akuszto-optikai/Pockels-cella/…) Hűtővíz cirkuláció

Lézerforrások Optikailag pumpált szilárdtest lézerek > Fix energiájú > Nd lézerek Felhasználás: festéklézerek és egyéb lézerek meghajtása, Raman fényforrás, anyagmegmunkálás, orvosi alkalmazás, száloptika, katonai távolságmérők és célkijelölők, …

Lézerforrások Optikailag pumpált szilárdtest lézerek > Fix energiájú > Rubinlézer Cr3+:Al2O3 Három energiaszintű lézer Folytonos és impulzus üzemmód Teljesítmény: akár 100 J/ pulzus Felhasználás: holográfia, bőrgyógyászat, tetoválás eltávolítása

Lézerforrások Optikailag pumpált szilárdtest lézerek > Állítható energiájú lézerek > Vibronikus lézerek> Ti:sapphire lézer Ti3+:Al2O3 (~0.1%) Gerjesztés cw argonion- vagy duplázott Nd:YAG lézerrel (ritkán villanófény) Elektronállapotok csatolnak a rácsrezgésekkel  diszkrét átmenetek helyett széles sávok Hangolás prizmával és rezonátorüreggel 660 – 900 (– 1180) nm Négy energiaszintű lézer

Lézerforrások Optikailag pumpált szilárdtest lézerek > Állítható energiájú lézerek > Vibronikus lézerek> Ti:sapphire lézer Teljesítmény: < 50 W (cw) 1012 W (100 fs) Felhasználás: nagyfelbontású spektroszkópia, fs-os impulzusok, lézer radar, távolság mérés, röntgen fény generálása

Lézerforrások Optikailag pumpált szilárdtest lézerek > Állítható energiájú lézerek > Vibronikus lézerek> Cr:alexandrite lézer Cr3+:BeAl2O4 (0.01– 0.4%) Elv megegyezik a Ti:sapphire lézerrel 700 – 825 nm között hangolható Általában villanófény gerjesztés Teljesítmény: <1.2 J/impulzus További vibronikus lézerek: Cr:LiSAF (Li-Sr-Al-F) Cr:LiCAF (Li-Ca-Al-F)

Lézerforrások Optikailag pumpált szilárdtest lézerek > Állítható energiájú lézerek > Színcentrumos lézerek („Color centre lasers”) Alkáli-halogenid kristály rácshibákkal (F-centrumok) Argonion- vagy Nd:YAG lézer gerjesztés Kriogénes hűtés Négy energiaszintű Teljesítmény: < 500 mW Felhasználás: rezgési spektroszkópia

Lézerforrások Félvezető lézerek n és p- típusú félvezető illesztése Gerjesztés elektromosan Teljesítmény: mW – W Változtatható energiájú félvezető lézerek („Pb só” diódák): energiatartomány: ~ 300 – 6000 cm-1, de egy adott dióda csak kb. 100 cm-1-es tartományban Rosszul kollimált, gyenge nyalábprofil, kicsi koherenciahossz, de olcsó Felhasználás: CD, DVD, lézernyomtatók, lézerceruza, száloptika, a He/Ne egyes alkalmazásait kiváltja, spektroszkópia

Lézerforrások Festéklézerek Oldott szerves molekulák elektronátmenetei Gerjesztés más lézerrel (argonion-, nitrogén-, excimer, vagy Nd:YAG lézer), ritkán villanófény Négy energiaszintű Energiaátadás az oldószernek Energiaátadás gyorsítására „triplet quencher” (pl. O2, DMSO) Degradáció csökkentése: keringetés Festékek élettartama: pár óra – 1-2 hét Hangolás: prizma/rács, rezonátorüreg és etalon cw és impulzus üzemmód egyaránt lehetséges

Lézerforrások Festéklézerek Festék kiválasztása: meghajtó lézer fotonenergiája + pásztázni kívánt energiatartomány

Lézerforrások Festéklézerek

Lézerforrások Festéklézerek Hatásfok: 5 – 10 % Felhasználás: alapkutatásban főleg spektroszkópia

Lézerforrások Szabadelektron lézer Sugárzás elektronok lassításával gyorsításával mágneses tér segítségével (Bremsstrahlung) Elvileg bármilyen energiatartományban változtatható, gyakorlatban 248 nm – 8 mm cw és impulzus mód (akár 2 ps!) Teljesítmény: akár 1 GW (impulzus ü.m.) Felhasználás: alapkutatás, pl. spektroszkópia FELIX (Hollandia): Free Electron Laser for Infrared eXperiment