Vissza a tartalomhozVissza a legelső tételhezVissza az előzző tételhezUgrás a következő tételhezUgrás a legutolsó tételhez

19. tétel: A lézer: indukált emisszió, populációinverzió, tükörrezonátor, a rubinlézer és a He-Ne gázlézer

 

Előzmények:

1. Bohr-posztulátumok
2. Boltzmann-eloszlás    ()  Ei>>EF
3. Planck-féle sugárzási törvény

 

 

(a)

 


- atom gerjesztése
- foton abszorpciója

 

 


 

            (b)

 

- atom „legerjesztődése”

- foton spontán emissziója.

  (magától, külső kényszer nélkül)

 

 

 

(c)

 

- indukált emisszió

- atom legerjesztődése

- foton emissziója (indukált) egy másik u.o. foton hatására.

 

 

Einstein jött rá, hogy ezt a 3 előzményt úgy lehet összeegyeztetni, hogy van egy harmadik folyamat, az indukált emisszió.

 

(a) folyamat valószínűsége ~ I(n), N1

DN1a =  -B12 × I(n) × N1

 

(b) folyamat valószínűsége ~ N2

DN1b =  A12 × N2

 

(c) folyamat valószínűsége ~  I(n),  N2

DN1c =  B12 × I(n)× N2

 

Termikus egyensúlyban  DN1 = 0

DN1a + DN1b + DN1c  = 0

-B12 × I(n) × N1 + A21 × N2 + B21 × I(n) × N2 = 0

N1=N0 ×               N2=N0 ×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. eset: Termodinamikus egyensúlyban N1>N2 mindig (normál populáció).

 

2. eset: Inverz populáció (populáció inverzió). Minden lézer alapvető követelménye.

 

Sugárzás erősítésének feltétele a populáció inverzió.

 

LASER: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation

(fényerősítés a sugárzás indukált emissziója révén).

 

a.) Rubinlézer            (Maiman, 1960)

            Al2O3 ( + Cr szennyezés )

 

Működése:

 

 

1.)    fényimpulzus

2.)    sugárzásmentes átmenet

3.)    visszajutás alapállapotba

 

Ha (1) fényimpulzus elég nagy (villanólámpa) akkor egy pillanatra N2 > N1 lehet.

 

fényerősítő

 

Egyszeri áthaladással csak kis erősítés érhető el.

Induljon egy foton  két foton  három foton  ...

A nem irányba haladó fotonok számunkra elvesznek.

 

Visszacsatolás tükörrezonátor segítségével:

 

 

Az interferencia miatt stabil állóhullám alakul ki ha  .

 

A tükörrezonátor javítja a lézerfény teljesítményét. A rezonátor hatására a lézerfény Dn frekvencia kiszélesedése sok nagyságrenddel kisebb lehet, mint a természetes vonalszélesség.

 

természetes vonalszélesség

Dnnat »107 Hz

A Doppler-effektus hatására ez kiszélesedik

 DnDoppler »109 Hz

a longitudinális lézermódusok frekvencia távolsága

Dnlong »108 Hz

egy módus kiszélesedése tipikusan

Dnlézer »106 Hz

 

 

 

 

        megfelelnek az  feltételnek

 

A jó lézernek csak egyetlen módusa van. Az egyetlen keresztirányú (transzverzális) módus alapkövetelmény a jó fókuszálhatósághoz, az egyetlen hosszirányú (longitudinális) módus a nagy koherenciahosszhoz.

 

A tükörrezonátor nem elengedhetetlen feltétel. Vannak olyan lézerek, amelyek nem tartalmazzák (pl. röntgen-lézer).

 

A teljesítmény kicsatolása például a bal oldali tükrön keresztül.

 

A reflexiós tényező:  R ~ 0.9

            (Általában 9 visszaverődés után átjut rajta a foton. )

 

Ez a lézer impulzus üzemű lézer. ( Újabb lézervillanás újabb lámpavillanást igényel. )

Egy villanólámpa villanás egyetlen lézerimpulzust kelt.

 

b) Hélium-neon gázlézer (folytonos üzemű)

p»1 mbar, a nyomás a csőben

He:Ne=7:1, a gázok aránya

 

Az ablakok Brewster-szöget zárnak be a fotonok haladási irányával, így lineárisan poláros lézerfényt állíthatunk elő. Általában jelen van a tükörrezonátor.

 

(1) a hélium gerjesztése elektron ütközéssel

A 2s®1s átmenet fotonkibocsátással "tiltott" (azaz nagyon kicsi a valószínűsége, illetve nincs is idő rá sűrűbb gázokban). A hélium 1s2s állapota metastabil.

Metastabil®alapállapot átmenetek igen ritka gázokban végbemehetnek, mert ott ritkák az ütközések, így van idő kivárni ezt az átmenetet. (Erre utalnak például az északi fény, vagy a napkorona fényének elemzései.)

(2) másodfajú ütközés: a gerjesztett He atom átadja a gerjesztési energiát a Ne atomnak (mert pontosan abban a "magasságban" van egy gerjesztett állapota a neonnak is). (A valóságban áthidalható különbség van köztük.)

 

He* + Ne ® He + Ne*

 

(3) E2 ® E1 átmenet lézerátmenet, mert N2 > N1 (populáció-inverzió).

           A kibocsátott fény vörös: n21=633 nm.

          Az E2 nívón sokáig tartózkodnak az elektronok, míg az E1 szint

(4) igen gyorsan kiürül az alacsonyabb szintek felé.

 

A populáció-inverzió tartósan fennáll, tehát folytonos üzemű lézerről van szó.

 

A lézerfény tulajdonságai

 

A lézer összes fotonja ugyanabban a kvantumállapotban van (koherensek) - ugyanaz a frekvenciájuk (n), és a terjedési irányuk ().

 

a) Nagy spektrális teljesítménysűrűség

Nem önmagában a teljesítmény a nagy (bár a CO2 lézer 1000W-os teljesítménye azért jelentős), hanem az adott frekvencián kibocsátott energia adott térszögben nagy:

                         nagy, (nl=nlézer)

Kb. 106-szor nagyobb, mint a Nap felszínén, mert egy szűk (néhány 100 Hz-es) frekvenciatartományban (-ablakban) bocsát ki fényt, szemben a Nap kb. 1015 Hz-es frekvenciatartományával.

Felhasználása: lézeres megmunkálások, műtétek.

b) Nagyfokú párhuzamosság, azaz kis nyalábdivergencia : a lézerfény igen kis foltra fókuszálható

 

Elvi határok:              D2 = f q1

            ahol D2 a fókuszált lézernyaláb minimális átmérője, f a lencse fókusztávolsága, q1 a nyalábdivergencia

A nyalábdivergencia elvi minimuma a fizikai optika szerint: q1=  l/( pD1) ahol D1 a lézernyaláb eredeti átmérője, l a hullámhossz

 

            Összességében: D2 = f l /( pD1)

 

            azaz realisztikus f és D1 adatokkal a fókuszált lézernyaláb minimális átmérője kb. a      hullámhosszal egyezik, tehát 1 mm körüli érték.

 

            Használata : iránykitűzés , anyagmegmunkálás, CD, printer

 

c) Nagy koherenciahossz : kis tartományon belüli a frekvenciája , ezért a koherenciahossza nagy

Lkoh= c Dt = c/(4pDn) » 107/Dn = 10 m  (felhasználva a határozatlansági relációt és a Dn = 106 Hz értéket)

            Használata: precíziós távolság és sebességmérés ( az interferencia révén ) , holográfia.

 

A lézerek mérete erősen változó , vannak köztük gombostűfejnyi (optikai rendszerekben erősítésként), vagy egészen nagy ( pl.: több km-es szabadelektronlézer - harcaszati célokra ) alkotások is .

 

 

 

Vissza a tartalomhozVissza a legelső tételhezVissza az előzző tételhezUgrás a következő tételhezUgrás a legutolsó tételhez