Fényforrások és lézerek működésének alapjai

Az előadások a következő témára: "Fényforrások és lézerek működésének alapjai"— Előadás másolata:

1 Fényforrások és lézerek működésének alapjai
Kocsányi László Dobos Gábor Kovács Péter Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

2 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Célkitűzés a fény és anyag kölcsönhatás azon törvényeinek megismerése, melyek a termikus és a lumineszcens inkoherens fényforrások és lézerek működését leírják napjaink inkoherens fényforrásai csoportosításuk felépítésük, működésük általuk kibocsátott fény jellemzése főbb alkalmazási területeik fejlődésük iránya lézerek működésének felépítésének alapelvei fajtáik és alkalmazásterületeik fejlődési irányuk fény detektálásának alapjai Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

3 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
FOTONIKA VILÁGÍTÁSTECHNIKA ADATTÁROLÁS TÁVKÖZLÉS SPEKTROSZKÓPIA, ANALITIKA MÉRÉSTECHNIKA, DIAGNOSZTIKA LITOGRÁFIA ANYAGMEGMUNKÁLÁS (VÁGÁS, TISZTÍTÁS) FÉNYFORRÁSOK KOHERENS INKOHERENS Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

4 Az elektromágneses hullámok spektruma
UVA: UVB: UVC: Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

5 Fényforrások a természetben
NAP 5770K CSILLAGOK K METEORITESŐ LÁVA HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÓK Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

6 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
AURORA POLARIS (sarki fény) Északi sarkhoz közel Magyarországról Magasság: km (tipikus:100km) Oxigén: zöld, vörös Nitrogén: kékesibolya Űrből Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

7 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Villámok (elektromos kisülések) Ahogy a negatív töltések gyülekeznek a felhők aljában, úgy szorítják lefelé a földből a negatívakat. Ezáltal a föld pozitív töltésű lesz. A negatív töltések eltaszítják maguktól a földben lévő szintén negatív töltéseket. Az ezután pozitívan maradt föld vonzza a felhők aljába gyűlt negatív ionokat. Amikor a negatív töltésű áramlat eléri a földet, akkor a pozitív töltéseket elkezdi taszítani a föld a negatívak hatására. Amikor a két ellentétes töltésű áramlat találkozik, egy nagy vezetőképességű csatornát nyitnak az elektronok számára, amelyek ezen keresztül leugrálnak a földre. Ez a villámlás.   A sebesen áramló elektronok fényjelenséget vonzanak, és akkora hőt termelnek, hogy a levegőt felmelegítve maga körül, dörejt hallunk. Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

8 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
szentjánosbogár és tánca Biolumineszcencia luciferin + luciferáz halak pl. „fénylő szemhéjú” (Photoblepharon) (lumineszcens baktériumok) nappal éjjel Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

9 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Technikai hőmérsékleti sugárzások Izzó vas gyertyaláng Hősugárzás + Égő gázmolekulák molekulaszínképe Izzólámpák Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

10 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
parázsfény (glimm) lámpa (alacsony nyomás Kisülőlámpák vonalas színkép pl. Hg, Ne, Na P: Hgmm ívlámpa („nagynyomású”) Pl. Xe, fémhalogén „kisnyomású” 5-20bar ( Hgmm) Igen kis nyomású levegõben, adott gyújtófeszültségen lép fel a ködfénykisülés, más néven parázsfénykisülés vagy glimmkisülés. Ködfénykisülés esetén az elektródköz bizonyos tartományai sötétek, nagyobb részén azonban rózsaszínû fény, az úgynevezett pozitív oszlop látható. A fényt a lavinajelenség során végbe menõ ütközések során gerjesztett gázmolekulák kisebb energiaszintû állapotba történõ visszatérésükkor kisugárzott fénye okozza. Ezt a kisülési fajtát használják ki például a parázsfénylámpák vagy glimmlámpák, amelyek kis fogyasztású jelzõlámpákként, egyenirányítóként és feszültségstabilizátorként, vagy feszültségkorlátozóként is felhasználhatók. A parázsfénylámpa gyújtófeszültsége alatti feszültségen mûködõ villamos berendezés üzemét az azzal párhuzamosan kapcsolt parázsfénylámpa csaknem tökéletes szigetelõ tulajdonsága miatt nem befolyásolja. A berendezés kikapcsolásakor azonban annak induktivitásán fellépõ feszültségcsúcs kialakulását begyújtásával, felvillanásával, tehát idõleges áramvezetésével megakadályozza. fénycsö: kisülés + fluorszcencia Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

11 Mesterségesen lumineszcenkáló források
Fotolumineszcencia fluoreszcencia foszforeszcencia gerjesztés közben világít gerjesztés után „sokáig” világít Elektrolumineszcencia Pl. LED, lézerdióda UV(385 nm) - IR Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

12 Lézerek (koherens, fluoreszcens)
tisztítás (Nd-YAG) megmunkálás(CO2) kompaktdiszk (CD), félvezető Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

13 A fény kettős természete
Mi a fény? A fény egy olyan sugárzás, mely szemünkbe jutva, bennünk látási érzetet kelt, és így – segítségével – látjuk a környező világot. Ez a meghatározás a fény HATÁSÁT jellemzi, de nem fizikailag definiálja a fényt. egyrészt a fény vákuumban és közegekben egyaránt képes terjedni képes interferenciára, elhajlásra (Young, Huygens-Fresnel) az elektromágnesség Maxwell-féle alapegyenleteiből főbb terjedési jellemzői, így vákuumbeli sebessége meghatározható a fény vákuumban inerciarendszertől függetlenül km/sec sebességgel terjed A fény elektromágneses hullám ! Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

14 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
A fényt, mint elektromágneses hullámot leírják a Maxwell egyenletek, melyekből az alábbi telegráfegyenlet (hullámegyenlet származtatható Síkhullám megoldást feltételezve:  jE-2 E+k2E = 0 -k2 E = (j - 2) E k2 komplex. Komplex dielektromos permittivitás Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

15 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
A komplex terjedési tényezőt figyelembe véve a fényt az alábbi síkhullámmal Jellemezhetjük: A komplex törésmutató valós része a fáziskésést, képzetes része az abszorpciót írja le, kapcsolata az abszorpciós tényezővel (β, Lambert-Beer): A fény polarizálja a közeget, és ha frekvenciája rezonál a polarizációs mechanizmus saját frekvenciájával, - elnyelődik(abszorpció). Ha nem rezonál, akkor fáziskésést szenvedve „továbbszóródik” (törésmutató). Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

16 Pl. ionkristályok és kovalensek
Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

17 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Diszperzió A törésmutató hullámhossz-(frekvencia) függő: vagy Ez a jelenség a diszperzió. Pl. szivárvány Pl. prizma Spektrográfok Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

18 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Az abszorpció Bizonyos közegekben a fény többé kevésbé elnyelődik, az amplitúdó exponenciálisan csökken. Az ilyen hullámok által szállított energia szintén csökken. Az egységnyi felületen egységnyi idő által szállított energia az intenzitás: I. Sík, harmonikus hullámokra: Lambert-Beer törvénye szerint: - ahol β a közeg abszorpciós tényezője - Δx a szakasz, melyen az intenzitás csökkenését vizsgáltuk - az 1/β mennyiség az abszorpciós úthossz A β szintén hullámhossz-(frekvencia)függő: Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

19 A fény, mint kvázirészecske (foton)
Külső fényelektromos hatás (Einstein) Fény K A + R U0 U Ahhoz, hogy áram induljon meg a csőben: Kilépési munka Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

20 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Energia megmaradás: A foton impulzusa: (Compton effektus) Megjegyzés: az elektron is kettős természetű, azaz hozzárendelhető egy síkhullám, melyre: De Broglie: Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

21 A fény abszorpció és a fény emisszió
Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

22 Frauenhofer sötét vonalai a Nap spektrumában
Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

23 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Molekulaszínképek Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

24 Szilárd anyagok optikai tulajdonságai Felosztás kötéstípus alapján
Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

25 Ionkristályok és kovalensek
Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

26 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Fémek Fémes reflexió Ok: szabad elektronok Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

27 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

28 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

29 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)

30 Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)
Lambert sugárzó Fényforrások (BME Atomfizika tsz.)