Mézerek és lézerek Műszaki fizika alapjai Dr. Giczi Ferenc

Az előadások a következő témára: "Mézerek és lézerek Műszaki fizika alapjai Dr. Giczi Ferenc"— Előadás másolata:

1 Mézerek és lézerek Műszaki fizika alapjai Dr. Giczi Ferenc
Széchenyi István Egyetem, Fizika Tanszék Győr, Egyetem tér 1.

2 Indukált fénykibocsátás Spontán fénykibocsátás
Elemi folyamatok (3) Indukált fénykibocsátás külső energia hatására bekövetkező indukált folyamat koherens fotonok (Einstein) (1) Gerjesztés (fényelnyelés) külső energia hatására bekövetkező indukált folyamat (2) Spontán fénykibocsátás minden külső behatás nélküli folyamat nem koherens fotonok (csak az energiájuk azonos)

3 A KIVÁLTÓ FOTON ÉS A KELETKEZŐ FOTON MINDEN TULAJDONSÁ-GÁBAN AZONOS
Koherens fotonok Frekvencia Polarizáció Kezdőfázis Terjedési irány A KIVÁLTÓ FOTON ÉS A KELETKEZŐ FOTON MINDEN TULAJDONSÁ-GÁBAN AZONOS (Egymás másolatai.)

4 A folyamatok gyakorisága
Gerjesztés E2 E1 n2 atom n1 atom Indukált emisszió Spontán emisszió Einstein együtthatók:

5 Elektromágneses jelek erősítése
Az erősítendő jelet teljes mértékben elnyelik. T hőmérsékletű abszolút fekete test A bemeneti jellel koherens ERŐSÍTETT jelet generálnak

6 Hőmérsékleti egyensúlyban
gerjesztett atomok száma Boltzman-eloszlás n2 « n1 alapállapotú atomok száma Miért nem tapasztalható a koherens erősítés a gyakorlatban? Gerjesztés (fényelnyelés) sokkal gyakoribb mint az indukált (koherens) fénykibocsátás. Ezért a nyaláb nem erősödik, hanem gyengül.

7 Természetes körülmények között nem teljesül.
Koherens erősítés Koherens erősítés csak akkor jöhet létre, ha többször történik emisszió, mint abszorpció. Több elektronnak kell magasabb energia állapotban lenni. POPULÁCIÓ INVERZIÓ Természetes körülmények között nem teljesül.

8 Az indukált és a spontán emisszió aránya adott hőmérsékleten
p-arány Hőmérsékleti egyensúlyban: p=1 Boltzman-állandó: 1,38∙10-23 J/K

9 Elektromágneses jelek erősítése
Az erősítendő jelet teljes mértékben elnyelik. T hőmérsékletű abszolút fekete test A bemeneti jellel koherens ERŐSÍTETT jelet generálnak Határfrekvencia Látható tartományban reménytelennek tűnik a koherens erősítés.

10 Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (MASER)
Mézerek Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (MASER)

11 A rezgési energia szintek felhasadása A molekulák dipólmomentuma eltér
Az ammóniamézer m-es hullámhosszú EM hullámok koherens erősítése Az ammónia molekula aszimmetriája A rezgési energia szintek felhasadása A molekulák dipólmomentuma eltér (Mekkora a p-arány 24 GHz-en?) (Boltzman-állandó: 1,38∙10-23 J/K)

12 Populáció inverzió megvalósítása
A magasabb energiaszinten lévő molekulák koncentrálódnak. 24 GHz-es felerősített jel. 2,4 Hz-es frekvencia ingadozás (frekvencia standard, év alatt késik 1s-ot) Inhomogén elektromos tér

13 Külső energia betáplálásával biztosítani kell a populáció inverziót,
Lézerek Látható fény koherens erősítése Külső energia betáplálásával biztosítani kell a populáció inverziót, Biztosítani kell a indukált emisszió túlsúlyát a látható fény frekvencia tartományában. p=1

14 A populáció inverzió megvalósítása
A metastabil állapot élettartamának idejére megvalósul a populáció inverzió. Háromnívós lézer típus

15 A populáció inverzió megvalósítása
A metastabil állapot élettartamának idejére megvalósul a populáció inverzió. n2 n1=0 Négynívós lézer típus

16 Az indukált emisszió túlsúlyának biztosítása
A p-arány a spektrális energia-sűrűség növekedésével arányosan növekszik. Feladat: A megfelelő szintre kell növelni a spektrális energiasűrűséget.

17 A spektrális energiasűrűség növelése optikai rezonátorral
Az abszolút fekete testnek tekinthető lézert tükrök közé helyezzük. EM állóhullám alakul ki. Az optikai rezonátor sajátfrekvenciái Longitudinális módusok Csak az ilyen frekvenciájú EM hullám erősítésére alkalmas.

18 Keresztirányú (transzverzális) módusok
TEM00 A TEM00-nak legkisebb a divergenciája. Ideális lézertulajdonságok csak egyetlen transzverzális, ill. longitudinális módusban működő lézernél várhatók.

19 Lézertípusok Szilárdtest- és folyadéklézerek Gázlézerek Félvezető lézerek Kémiai lézerek

20 A rubinlézer (T. H. Maiman 1960.)
Mindkét végén polírozott, hengeres rubin kristály, Optikai pumpálás, (1 ms alatt 5000 J) Kb. 10 kW impulzus teljesítmény, Speciális módszerekkel 10 ps impulzus idő, 10 GW teljesítmény, Óriási hő terhelés, impulzus üzem, Bonyolult módus szerkezet, rossz koherencia,

21 A rubinlézer Három nívós lézertípus.
A lézerfény nem lesz monokromatikus.

22 Szilárdtest- és folyadéklézerek
Fényerősítő közeg: optikailag jó minőségű kristály, üveg vagy folyadék, Gerjesztés fénybesugárzással, A nagy sűrűség miatt nagy erősítés és teljesítmény érhető el, Többnyire impulzusüzem, Rendszerint sok módus működik egyidejűleg, Hangolhatóság,

23 Inverz populáció létrehozása
A hélium-neon lézer Inverz populáció létrehozása Lézer átmenet Négynívós lézer típus

24 A hélium-neon lézer Néhány mm átmérőjű, 30 – 120 cm hosszú üveg kapilláris, Speciális, kis veszteségű záró tükrök, Különálló atomok, monokromatikus, lineárisan polarizált lézerfény, 1-2 mm-es nyaláb, 10-3 radián széttartás, Elérhető lézerteljesítmény 1 – 50 mW a kapilláris hosszától függően, Egy transzverzális és longitudinális módusú lézer koherenciája tökéletes, Széleskörű felhasználás.

25 Gázlézerek Fényerősítő közeg: gáz vagy gőz,
Gerjesztés elektromos gázkisülésben, Kis atomsűrűség miatt a fényerősítés és a teljesítmény nem túl nagy, Folyamatos és impulzusüzem, Kedvező lézer sajátságok.

26 Félvezető lézerek Fényerősítő közeg: nyitó irányú p-n átmenet,
Igen kis méret (mm alatt), Árammal való közvetlen vezérelhetőség,

27 A GaAs félvezető-lézerek
Tellúrral (n) és cinkkel (p) szennyezett GaAs kristály, Rezonátor a kristály polírozott véglapjai, Közeli infravörös (kb. 900 nm), Magas áramküszöb, nagy hő terhelés, Folyamatos üzem csak cseppfolyós nitrogén hűtéssel, Nagy divergencia és sávszélesség, Optikai hírközlésben alkalmazzák, kis méret, árammal való közvetlen modulálhatóság,

28 Lézeralkalmazások Lézeres méréstechnika, Lézer spektroszkópia, Anyagmegmunkálás lézerrel, Magfúzió lézerrel, Gyógyítás lézerrel, Fényképezés lézerrel,

29 Lézeres méréstechnika Irányzás, vízszintezés
Legolcsóbb He-Ne gázlézer, Kicsi nyalábszéttartás, Foto-elektromos érzékelés, kvadráns detektor

30 Lézeres méréstechnika Távolságmérés (100 m- 106 km)
Fényimpulzus futásidő mérés Föld-Hold távolság mérése, ± 3 m pontosság, 1020 kisugárzott fotonból kb. 20 ér vissza a detektorhoz, Távolságmérés geodéziai műholdakkal, Műholdak mozgásának megismerése, Kontinensek távolságai, lassú mozgásuk kimérése, Katonai alkalmazások, 0,1-10 km távolságban 1 m-es pontosság.

31 Lézeres méréstechnika Távolságmérés (100 m alatt)
Hosszmérés fényinterferenciával 10 m-es távolságnál 0,1μm pontosság, Automatikus csíkszámlálás, korrekciók, Gépipar, Talajmozgások, földrengés jelzés, Nehézségi gyorsulás mérése hét jegy pontossággal.

32 Lézeres méréstechnika Sebességmérés
Doppler-hatás

33 Lézeres méréstechnika Forgásmérés
Lézer giroszkóp

34 A holográfia