10. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIA. Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation L ASER.

Az előadások a következő témára: "10. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIA. Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation L ASER."— Előadás másolata:

1 10. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIA

2 Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation L ASER

3 Az első lézer: rubin lézer Theodore Maiman (1960)

4 Lézerek felhasználása: optika orvosi technika haditechnika informatika anyagmegmunkálás alkalmazások a kémiában: –spektroszkópia –fotokémia

5 10.1 A lézerek működési elvei Stimulált emisszió inverz populáció optikai rezonátor

6 Stimulált emisszió (áttekintés)

7 Abszorpció Sebességi egyenlet: N 1 : kisebb energiájú mol. koncentrációja : a fotonok koncentrációja A 12 : az abszorpció sebességi állandója

8 Spontán emisszió Sebességi egyenlet: B 21 : a spontán emisszió sebességi állandója

9 Stimulált emisszió Sebességi egyenlet: A 21 : a stimulált emisszió sebességi állandója A keletkező foton frekvenciája, iránya, polarizációja és fázisa megegyezik a stimulálóéval.

10 Einstein-relációk A három sebességi állandó közötti összefüggés:

11 Lézerekben a fényt stimulált emisszióval erősítik, a lézer anyagában stimulált emisszióval több foton keletkezik, mint amennyi abszorbeálódik: Stimulált emisszió: Abszorpció: Mivel A 21 =A 12 a lézer működésének feltétele, N 2 >N 1 (Spontán emissziót elhanyagoltuk.)

12 Inverz populáció Termikus egyensúlyban Boltzman-eloszlás: N 1 /N 2 =exp((E 2 -E 1 )/kT) Ha T nő, N 1 közelít N 2 -höz. De N 1 <N 2 mindig fennmarad. Lézerekben N 2 >N 1. Ezt az állapotot nevezzük inverz populációnak. Nincs termikus egyensúly! Létrehozása speciális, három vagy négy E-szintes rendszerekkel lehetséges.

13 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)

14 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.

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

16 Lézersugár spektruma

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

18 10.2 Szennyezettionkristály- lézerek Lézer közeg: ionos szigetelő, amely kis koncentrációban szennyező fémiont tartalmaz. A lézer sugárzást a szennyező fémionok emissziója adja. Pumpálás: optikailag (fehér fényű lámpa vagy félvezetőlézer) Rubinlézer Nd-YAG-lézer Titán-zafír-lézer

19 Neodímium-YAG lézer Gazdarács: Y 3 Al 5 O 12 ittrium-alumínium gránit = yttrium aluminium granet = YAG Szennyező ion: Nd 3+ (az Y 3+ ionok ~1%-a helyett)

20 A Nd a 60. elem. A Nd-atom konfigurációja: KLM4s 2 4p 6 4d 10 4f 4 5s 2 5p 6 6s 2 A Nd 3+ -ion konfigurációja: KLM4s 2 4p 6 4d 10 4f 3 5s 2 5p 6

21 Nd-YAG lézer energiaszint-diagramja

22 10.4 Gázlézerek Lézer közeg: tiszta gáz (például N 2 -lézer) gázelegy (például CO 2 -lézer) Pumpálás: elektromos energiával (gázkisülés) Hélium-neon lézer (látható fény) Argonlézer (látható fény) N 2 -lézer (UV-fény) CO 2 -lézer (IR-fény)

23 Argonlézer Lézer közeg: ~0,5 torr nyomású Ar-gáz, kisülési csőbe töltve Kisülésben- gerjesztett molekulák - alapállapotú ionok jönnek létre (plazma) - különböző gerj. áll. ionok A kisülési cső működési jellemzői: áramerősség, feszültség, nyomás, hőmérséklet - ezektől függ az Ar-ionok popuációja különböző energiaszinteken. Inverz populáció érhető el az Ar-ion egyes gerjesztett állapotaiban, náluk kisebb energiájú gerjesztett állapotokhoz képest. }

24 Az Ar a 18. elem. A Ar-atom konfigurációja: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 A Ar + -ion legkisebb energiájú konfigurációja: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

25 Argonlézer energiaszint- diagramja

26 Argon-lézer felépítése

27 CO 2 -lézer Lézer közeg: ~ 1:1 arányú CO 2 -N 2 elegy zárt változat: - ~10 torr nyomású zárt kisülési csőben nyitott változat - ~ atmoszférikus nyomású nyílt kisülési csőben A lézer átmenet a CO 2 -molekula gerjesztett rezgési állapotai között történik, ezért infravörös fényt ad. A N 2 segédanyag.

28 A CO 2 -molekula normál rezgései szimmetrikus nyújtásdeformációaszimmetrikus nyújtás v 1 v 2 v 3 A három normálrezgés gerjesztettségét jellemző kvantumszámok.

29 CO 2 -lézer energiaszintjei

30 Előny: az elektromos energiát nagy hatásfokkal infravörös fénnyé alakítja Felhasználás: fémmegmunkálás sebészet spektroszkópiában plazmák előállítása

31 10.6 Festéklézer Lézerközeg: erősen fluoreszkáló festék oldata. Pumpálás: optikailag (fehér fényű lámpa vagy másik lézer). A lézer sugárzás a festékmolekula S 1 elektronállapotának rezgési alapállapota és S 0 állapotának gerjesztett rezgési állapota között történik.

32

33 A festéklézer előnyei - hangolható

34 Festéklézer működési tartománya különböző festékekkel

35 10.7 A lézersugár tulajdonságai Sok tekintetben messze felülmúlja a hagyományos fényforrásokkal előállított fénysugarat.

36 Teljesítménysűrűség Kis keresztmetszetben nagy energiát összpontosít. Keresztmetszete tipikusan 1 mm 2. Teljesítmény mW-tól kW-ig tartományig terjed.

37 Egyenes vonalban terjed Gázlézerek keresztmetszete 100 m-es távolságban sem változik sokat. (A hosszú rezonátor miatt)

38 Spektrális sávszélesség A gázlézereké különösen kicsi, pl. az Ar-lézer 514,5 nm-es fényének sávszélessége 10 -4 nm.

39 Rövid impulzusok Impulzus üzemben működő lézerek tipikusan  s-os (rubinlézer, Nd-YAG-lézer) vagy ns-os (N 2 -lézer) tartományba eső impulzusokat adnak. Pikoszekundumos, femtoszekundumos fényimpulzusok előállítása „móduscsatolt” lézerekkel.

40 Lézersugár frekvenciájának változtatása festéklézer nem lineáris kristályok - felharmonikusok előállítása (2, 3, 4 ) - frekvencia felbontása ( = 1 + 2 )

41 10.8 Raman-szórás

42 Foton és molekula köcsönhatásai abszorpció emisszió stimulált emisszió rugalmas szórás rugalmatlan szórás ionizáció … stb.

43 Rayleigh-szórás Foton rugalmas szóródása molekulán. Mindkettő haladási iránya változik, energiájuk nem változik. Felhasználás: részecskeméret meghatározás kolloid rendszerekben.

44 Raman-szórás Foton rugalmatlan szóródása a molekulán. Mindkettő haladási iránya változik - foton energiát ad át a molekulának, vagy - a molekula energiát ad át a fotonnak. A molekula forgási, rezgési és elektrongerjesztési energiája egyaránt változhat.

45 Sir CHANDRASEKHARA VENKATA RAMAN (1888 - 1970)

46 A molekula energiaváltozása Raman-szórásban

47 Raman spektrométer felépítése

48 Kiválasztási szabályok Mások, mint az abszorpciós illetve emissziós spektrumra vonatkozóak. Raman-szórás esetében  az indukált dipólus-momentum (nem a permanens!). : polarizálhatósági tenzor : elektromos térerősség

49 Polarizálhatósági tenzor  szimmetrikus tenzor, tehát  xy =  yx,  xz =  zx és  yz =  zy

50 Forgási Raman-színkép Kiválasztási szabály: A permanens  -vel rendelkező molekulák forgási átmenetei megengedettek.

51 Rezgési Raman-színképek a.) egy foton elnyelésével csak 1 normálrezgés gerjeszthető b) A átmeneti momentum elemzésével kimutatható, hogy azok a normál rezgések gerjeszthetők, amelyek ugyanabban a szimmetria speciesbe esnek, mint az  tenzor egyik eleme. Kiválasztási szabályok:

52 A C 2v csoport karaktertáblázata

53 Az infravörös és a Raman- spektrum kiegészítik egymást Az infravörösben nem észlelhető normál rezgések megjelenhetnek Ramanban és fordítva.

54 Krotonaldehid rezgési színképe IR-színkép Raman-színkép S-transz-krotonaldehid

55 A normál rezgések besorolása

56 A Raman-spektroszkópia előnyei Vizes oldatok vizsgálhatók (A víz az IR-spektrum nagy részében erősen elnyel, viszont Raman-szórása gyenge.) Roncsolás mentes vizsgálat (Szilárd mintát nem kell őrölni és KBr-be préselni vagy feloldani, csak a lézersugár útjába helyezzük.) Rezonancia Raman-effektus (Egyes rezgési Raman-sávok annyira felerősödnek, ha a vegyület a lézerfényt elnyeli. Kis koncentrációban levő színes komponensek kimutathatók pl. biológiai mintákban.) Raman-mikroszkóp

57 10.9 Két-foton abszorpció Forgási, rezgési vagy elektronátmenet, amikor a molekula egyidejűleg két fotont nyel el. Csak akkor elegendő a valószínűsége, ha nagy a fotonok koncentrációja. Az impulzuslézerekkel tanulmányozható, hagyományos fényforrásokkal, folytonos lézerekkel nem. Legtöbbet az elektrongerjesztéshez vezető két-foton abszorpciót tanulmányozzák.

58 A molekula energiaváltozása két- foton abszorpcióban

59 A két-foton abszorpció detektálási módszerei

60 Kiválasztási szabályok Mások, mint az egy-foton abszorpciós spektrumban. Raman-szórásra vonatkozó szabályokhoz hasonlítanak. A végállapot hullámfüggvénye olyan szimmetriaspeciesbe tartozik, mint  egyik eleme. Magyarázat: Raman-szórás Két-foton abszorpció Egy-foton abszorpció Spontán-emisszió Két-foton folyamat Egy-foton folyamat } }

61 Felhasználások 1. Olyan átmeneteket vizsgálunk, amelyek az egy-foton abszorpcióban tiltottak (az eltérő kiválasztási szabályok miatt) 2. Az elektrongerjesztési színképben a 200 nm alatti tartományban levő átmenetek megfigyelhetők, például a 150 nm- es egy-foton abszorpció helyett 300 nm-es két-foton abszorpciót mérünk. 3. Két-foton abszorpciós fluoreszcencia mikroszkóp. 4. Nagyfelbontású spektroszkópia: Doppler-effektus miatti sáv kiszélesedés kiküszöbölése. Doppler effektus hatása a spektrumra:

62 Doppler-kiszélesedés megszűntetése

63 Az 1,4-difluorbenzol két-foton spektruma

64 10.10 Gerjesztett elektronállapotok élettartamának mérése

65 Impulzus lézerek villanásának időtartama: 10 -6 -10 -15 s.  s ns ps fs Ultragyors folyamatok: fotofizika fotokémia fotobiológia } Időskálán lejátszódó folyamatok vizsgálatát teszik lehetővé

66

67 Fotofizika: molekulák gerjesztése és az azt követő sugárzásos és sugárzásmentes energiaváltozásai Gerjesztett molekulák koncentrációjának csökkenése (dezaktiváció): Differenciálegyenlet: Magyarázat: : a gerjesztett állapotú molekulák koncentrációja : a gerjesztett állapotú molekulák koncentrációja a lézer villanás után közvetlenül k : a dezaktiváció sebességi állandója

68 Dezaktiváció sebességének jellemzése k : sebességi állandó  = 1/k : lecsengési idő (gerjesztett állapot élettartama)  idő alatt

69

70 T 1 állapotok lecsengése:  s-os rendszerek S 1 állapotok lecsengése: ns-os, ps-os, fs-os rendszerek

71 Kísérleti berendezések típusai Mért jel:- tranziens abszorpció - tranziens emisszió  s-os és ns-os folyamatokhoz: egyszerű impulzuslézerek, elektronikus jelfeldolgozó készülékek ps-os és fs-os folyamatokhoz: „móduscsatolt lézerek” Pumpa-próba kísérletek

72 Pumpa-próba kísérlet

73 Kísérleti lehetőségek Lecsengési görbe mérése: a hullámhossz állandó, a tranziens abszorpciót az idő függvényében mérjük. Időfelbontásos spektroszkópia: késleltetési időt rögzítjük, hullámhossz függvényében mérjük a tranziens abszorpciót

74 Níluskék tranziens abszorpciójának lecsengése

75 Tranziens abszorpciós jel értelmezése - S o ->S 1 átmenet: próbasugár erősödése az S o állapot kiürülési miatt - S 1 ->S 2 átmenet: próbasugár gyengülése az S 1 állapot feltöltődése miatt - S 1 -> S o átmenet: próbasugár erősödése stimulált emisszió miatt

76 Femtoszekundumos lézerspektroszkópia Ahmed Zewail és munkatársai California Institute of Technology

77

78

79 11. AZ ATOMMAG ELEKTRONÁLLAPOTAI

80 Maghéj modell

81 Nukleonok spinből származó impulzusmomentuma (A proton és a neutron 1/2 spinű részecske, mint az elektron.)

82 Maghéj modell Az atommag kvantumállapotainak leírására használt modell Hasonlít a többelektronos atomok szerkezetének tárgyalásánál használt modellre, amelyekből az elektronhéjak adódnak. (Bonyolultabb annál, mivel nukleonból kétféle van.)

83 Atommagok kvantumállapotának jellemzése (A maghéj modell szerinti tárgyalás eredménye) A magok állapotát két kvantumszám jellemzi: - I : magspin-kvantumszám - M I : mag mágneses kvantumszám

84 I: magspin-kvantumszám attól függ, hogy a mag rendszáma és tömegszáma páros vagy páratlan. M I : mag mágneses kvantumszám : M I = I, I-1, …, -I. rendszámtömegszámI lehetséges értékei párospároscsak 0 lehet párospáratlan“félegész” számok (1/2, 3/2, 5/2…) páratlanpárosegész számok (1,2,3…) páratlanpáratlan“félegész” számok (1/2, 3/2, 5/2…) A magkvantumszámok lehetséges értékei

85 Az atommag energiája Mágneses tér távollétében: csak I-től függ, M I szerint degenerált Mágneses térben: a degenerált szintek M I szerint felhasadnak.

86 Atommagok gerjesztése Mössbauer effektus: I változik, gerjesztés gamma-fotonnal Mágneses magrezonancia: M I változik (mágneses térben!), gerjesztés rádióhullámú fotonnal