Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg („cavity”) Tükör (100% visszaverés) Részben áteresztő tükör (~99% visszaverés) Külső gerjesztő (energia-) forrás Erősítő közeg („Amplification/Lasing medium”) Lézersugár

Lézerek alapfelépítése Erősítő közeg Anyaga: gáz (pl. Ar, Kr, He/Ne, Cd/He, CO2, N2, I2, RgX, HF, …), fémgőz (pl. Cu, Au, Ba), oldat (pl. fluoreszkáló molekulák metanolban), szennyezett kristály (pl. Nd:YAG, Cr:Alexandrite, Ti:Sapphire, Cr:Sapphire (Rubin)) félvezető (GaAs, ZnSe, ….) elektronok (szabadelektron-lézer) Követelmény: Megfelelő energiájú átmenetek (energiaszintek) Populáció inverziót lehessen létrehozni benne  általában több energiaszintnek van szerepe (lásd három és négy energiaszintű lézerek)

Lézerek alapfelépítése Külső energiaforrás „Formája”: villanófény (pl. rubin, Nd:YAG lézerek), elektromos kisülés (pl. excimer lézerek), kémiai reakció másik lézer (pl. festéklézerek), … Követelmény: Optikai forrás esetén a fotonok energiája megfeleljen az erősítő közeg gerjesztési energiájának A fluxus elég nagy legyen a populáció inverzió fenntartásához (lásd folytonos vs. impulzus lézerek) Megszabja a lézer teljesítményét (energiamegmaradás!) energiaveszteség legtöbbször hő formájában jelenik meg ( hűtés)

Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg Szerepe: kényszeríttet (stimulált) emisszió erősítése (a spontán emisszióval szemben) (a stimulált emisszió során létrejövő foton koherens a „stimuláló” fotonnal”!) állóhullámok létrehozása ml / 2 = L ! L  koherens, kollimált, monokromatikus (intenzív) sugárzás

Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg Nehézségek: Nem tökéletesen párhuzamos tükrök, anyaghibák, … Stabil Nem stabil rezonátorok Jellemzés: „Jósági hányados”: (Quality factor) Q = nyereség/ veszteség

Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg Nehézségek: egyéb rezgési módusok megj.: a) átlós módusok („transverse electromagnetic modes”, TEM) Megfigyelése:

Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg Nehézségek: egyéb rezgési módusok megjelenése a) hosszirányú módusok („longitudinal modes”) Több rezgési módus következménye: frekvencia intenzitás  = Erősítő közeg Rezonátorüreg Lézernyaláb Kihasználás: ultrarövid impulzusok, frekvencia moduláció

Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg Több rezgési módus megjelenésének kiküszöbölése: keskeny rezonátorüreg „gyűrűlézerek” (ring laser) Tükör Faraday rotátor („egyenirányító”) Részben áteresztő tükör Tükör Erősítő közeg

Lézerfolyamatok kinetikája Abszorpció Spontán emisszió Stimulált emisszió E2 E2 E2 E1 E1 E1 f(=N/V): foton-sűrűség A21, B12, B21: Einstein-féle koefficensek N1, N2: az alap és a gerjesztett állapotban levő részecskék száma rn: a sugárzás energiasűrűsége n frekvenciánál Összefüggések: g1,g2 : statisztikai súly c: fénysebesség h: Planck-állandó

Lézerfolyamatok kinetikája Mivel a spontán emisszió minden irányban történik, ezért a lézer irányába vett hozzájárulása elhanyagolható: Intenzitás: c, c’: fénysebesség, közegben mért fénysebesség n: törésmutató A: felület V: térfogat Így: Ebből:

Lézerfolyamatok kinetikája Beer-törvény: I0, I: kezdeti és „aktuális” intenzitás l: megtett úthossz a: abszorpciós koefficiens Intenzitásváltozás: A fentiekből: Az Einstein-féle koefficiensek összefüggéséből:

Lézerfolyamatok kinetikája a következmény negatív erősítés, I >I0 pozitív elnyelés, I <I0 = 0 küszöb, I =I0 Azonban termikus egyensúlyban nem fordulhat elő! két energiaszintű rendszer termikus egyensúlyban nem működhet lézerként!

Lézerfolyamatok kinetikája Populáció inverzió megvalósítása: Három energiaszintű lézerek E3 sugárzásmentes átmenet gyors E2 metastabilis állapot Lézersugárzás gerjesztés impulzusszerű Energia E1 pl.: rubinlézer Populáció

Lézerfolyamatok kinetikája Populáció inverzió megvalósítása: Négy energiaszintű lézerek E4 sugárzásmentes átmenet gyors metastabilis állapot E3 gerjesztés Lézersugárzás E2 Energia sugárzásmentes átmenet gyors E1 pl.: Nd:YAG lézer Populáció

Lézerimpulzusok létrehozása Főbb célok: rövid impulzusok, nagy teljesítmény, gyors ismétlődés Módszerek Spontán „Rezonátorüreg kiborítása” (cavity dumping) a) b) forgatható tükör Akusztooptikai csatoló Nagy Q  Kis Q

Lézerimpulzusok létrehozása Akusztooptikai csatoló Hanghullámok  törésmutató-változás ~50 kHz Piezoelektromos kristály (rezgéskeltő)

Lézerimpulzusok létrehozása Módszerek „Q-kapcsolás” (Q-switching) Kis Q  Nagy Q forgatható tükör a) Általában lassú ( többoldalú tükör alkalmazása) b) Telíthető abszorbeáló anyag Passzív (időbeállítás csak koncentrációval) c) Pockel-cella polarizátor Hasonló elven: akouszto-optikai csatoló, Kerr-cella magneto-optikai csatoló, fotodióda + -

Lézerimpulzusok létrehozása Q-kapcsolt lézerek működési elve

Lézerimpulzusok létrehozása A Pockel-cella működési elve másodrendű nemlineáris effektus Feszültség kikapcsolva: Feszültség bekapcsolva:

Lézerimpulzusok létrehozása

Lézersugarak jellemzése A nyaláb átmérője és profilja fókuszálhatóság: Gauss-eloszlásnál M=0

Lézersugarak jellemzése Impulzus hossza és alakja Intenzitás: teljesítmény [W] energia/pulzus [J] fluxus [1/(m2s)] „besugárzás” (irradiance) [W/m2] Monokromatikusság: Koherencia: koherencia-úthossz [m] koherencia-idő [s] frekvencia intenzitás Koherenciával és monokromatikussággal kapcsolatos jelenség: Lézer foltok (laser speckle)