Az elektromágneses spektrum és a lézer - Biofizikai Intézet
Az elektromágneses spektrum és a lézer - Biofizikai Intézet
Az elektromágneses spektrum és a lézer - Biofizikai Intézet
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Az</strong> <strong>elektromágneses</strong><br />
<strong>spektrum</strong> <strong>és</strong> a <strong>lézer</strong><br />
2010. szeptember<br />
Ujfalusi Zoltán<br />
PTE ÁOK <strong>Biofizikai</strong> <strong>Intézet</strong><br />
Kutatók<br />
fizikusok, kémikusok, asztronómusok<br />
• Sir Isaac Newton<br />
• Sir William Herschel<br />
• Johann Wilhelm Ritter<br />
• Joseph von Fraunhofer<br />
• Robert Wilhelm Bunsen<br />
• Gustav Robert Kirchhoff<br />
• Albert Einstein<br />
• Louis-Victor de Broglie<br />
• James Clerk Maxwell<br />
• Heinrich Rudolf<br />
Huygens-Fresnel elv<br />
- diszperzió (1664)<br />
- IR (1800)<br />
- UV (1801)<br />
- Nap vonalas színképe (1814)<br />
- vonalak értelmez<strong>és</strong>e (1861)<br />
- vonalak értelmez<strong>és</strong>e (1861)<br />
- fénykvantum (foton) (1904)<br />
- anyaghullám (1924)<br />
- EM sugárzás elm. (1864)<br />
- EM sugárzás gyak. (1888)<br />
1. Egy hullámfelület minden pontja pontforrásként<br />
működik (elemi hullámok indulnak ki belőle).<br />
2. Ezekből induló hullámok interferenciája<br />
határozza meg a hullám további viselked<strong>és</strong>ét.<br />
Transzverzális<br />
hullám<br />
E<br />
B<br />
x<br />
x<br />
A fény<br />
Elektromágneses hullám<br />
elektromos térerősségvektor<br />
hullámhossz<br />
<strong>Az</strong> elektromos <strong>és</strong> a mágneses térerősség vektorai<br />
merőlegesek egymásra, valamint a haladási irányra!<br />
• James Clerk Maxwell (1864)<br />
elméleti szinten igazolta létez<strong>és</strong>üket.<br />
• Heinrich Rudolf (1888)<br />
létez<strong>és</strong>üket kísérletesen bizonyította.<br />
Fény <strong>és</strong> anyag kölcsönhatása<br />
• Kvantált energia felvétel (foton)<br />
• Atomi rendszerrel (anyaggal)<br />
kölcsönható <strong>elektromágneses</strong><br />
sugárzás:<br />
• visszaverődhet (reflexió)<br />
• elnyelődhet (abszorpció)<br />
• áthaladhat (transzmisszió)<br />
• (szóródhat)<br />
1
Abszorpció<br />
I = I 0 . 10 - ( ) x c<br />
Lambert-Beer<br />
törvény<br />
( ): az extinkciós koefficiens (anyagi minőségtől függ),<br />
c: a minta koncentrációja, x: az optikai úthossz<br />
Fontos fizikai mennyiségek,<br />
összefügg<strong>és</strong>ek<br />
Frekvencia: (1/s)<br />
Hullámhossz:<br />
Hullámszám:<br />
(m)<br />
(cm -1 )<br />
Energia: E (J) h .<br />
Extinkc. koeff.: (M -1 cm -1 vagy (mg/ml) -1 cm -1 )<br />
c<br />
1<br />
Einstein: foton (fénykvantum) energiája<br />
<strong>Az</strong> energia felbontása<br />
E összes = E elektron + E vibrációs + E rotációs<br />
<strong>Az</strong> energiatípusok nagyságrendje:<br />
E elektron ~ 1,000 * E vibrációs ~ 1,000,000 * E rotációs<br />
Fényszórás<br />
• Tömény (nagy koncentrációjú) mintáknál<br />
jelentkezhet a „stray light effect” mellett!<br />
minta<br />
A fény kettős term<strong>és</strong>zete<br />
Hullám<br />
(terjed<strong>és</strong>kor)<br />
• Elhajlás (diffrakció)<br />
• Interferencia<br />
• Polarizáció<br />
R<strong>és</strong>zecske<br />
(kölcsönhatáskor)<br />
• Fotoeffektus<br />
• Compton-effektus<br />
Albert Einstein (1905) : fotoelektromos hatás<br />
foton (fény kvantum), energiája: E = h· (vagy E = h·f)<br />
Louis-Victor de Broglie (1924) : anyaghullám elmélet<br />
(minden anyagnak van hullámterm<strong>és</strong>zete)<br />
λ = h/p, ahol p az impulzus => λ = h/m·v<br />
2
Polarizáció<br />
A <strong>spektrum</strong><br />
• Egy hullám, például <strong>elektromágneses</strong> hullám felhasadása<br />
alkotó frekvenciáira.<br />
• Egy intenzitás-jellegű mennyiség ábrázolva egy energiajellegű<br />
mennyiség függvényében.<br />
intenzitás, beüt<strong>és</strong>szám (pl. radioaktivitás<br />
mér<strong>és</strong>e), fotonszám, transzmittancia,<br />
abszorbancia (extinkció, OD)<br />
energia <strong>és</strong> azzal arányos<br />
mennyiségek (pl. frekvencia,<br />
hullámhossz, hullámszám)<br />
abszorpció<br />
(nm)<br />
Joseph von Fraunhofer<br />
(1787–1826)<br />
Síkban polarizált fény<br />
A <strong>spektrum</strong>ok megjelen<strong>és</strong>i formái<br />
• vonalas (atomok)<br />
• sávos (molekulák)<br />
• folytonos (hevített anyagok)<br />
Folytonos emissziós<br />
Vonalas emissziós<br />
Vonalas abszorpciós<br />
He<br />
Hg<br />
Na<br />
Ne<br />
Ar<br />
I<br />
Néhány elem vonalas (emissziós)<br />
<strong>spektrum</strong>a<br />
3
A lumineszcencia típusai<br />
LÉZERTÖRTÉNET DIÓHÉJBAN<br />
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation<br />
1917 - Albert Einstein: a stimulált emisszió lehetőségének elméleti kimutatása<br />
1946 - G. Meyer-Schwickerather: első szemműtét fénnyel<br />
1950 - Arthur Schawlow <strong>és</strong> Charles Townes: emittált fotonok a látható<br />
tartományba eshetnek<br />
1954 - N.G. Baszov, A.M. Prohorov, <strong>és</strong> C. Townes: ammóniamézer<br />
1960 - Theodore Maiman: első működő <strong>lézer</strong> (rubin<strong>lézer</strong>)<br />
1964 - Baszov, Prohorov, Townes (Nobel díj): kvantumelektronika<br />
1970 - Arthur Ashkin: <strong>lézer</strong>csipesz<br />
1971 - Gábor Dénes (Nobel díj): holográfia<br />
1997 - S. Chu, W.D. Phillips <strong>és</strong> C. Cohen-Tanoudji (Nobel díj): <strong>lézer</strong>es atomhűt<strong>és</strong><br />
A <strong>lézer</strong>működ<strong>és</strong> alapjai II. Populáció inverzió<br />
•Fényerősít<strong>és</strong> az<br />
energianívók relatív<br />
betöltöttségétől függ<br />
E 1<br />
E 0<br />
A<br />
F<br />
Aktív<br />
közeg F+dF<br />
dz<br />
Termikus egyensúly Populáció inverzió<br />
•Populáció inverzió csak<br />
többállapotú rendszerben!<br />
•Pumpálás: elektromos,<br />
optikai, kémiai energia<br />
E 2<br />
Pumpálás<br />
E 0<br />
E 1<br />
E 0<br />
E 1<br />
Gyors relaxáció<br />
Metastabil állapot<br />
Lézerátmenet<br />
A <strong>lézer</strong>működ<strong>és</strong> alapjai I. Kényszerített emisszió<br />
E 2<br />
( )<br />
E 1<br />
Elemi sugárzási folyamatok:<br />
1. Abszorpció 2. Spontán emisszió 3. Kényszerített emisszió<br />
B 12<br />
•Átmenet gyakorisága:<br />
n 12=N 1B 12 ( )<br />
• E= E 2-E 1=h<br />
energiakvantum<br />
elnyel<strong>és</strong>ekor.<br />
N 2<br />
N 1<br />
Magyarázat: kétállapotú atomi vagy molekuláris rendszer<br />
E 1, E2 : energianívók, E2>E1<br />
( ) : sugárzási tér spektrális energiasűrűsége<br />
N 1, N2 : adott energianívón levő atomok, molekulák száma<br />
B 12, A21, B21: energianívók közötti átmeneti valószínűségek (Einstein-féle együtthatók), B12 = B21<br />
A 21<br />
•Átmenet gyakorisága:<br />
n 21=N 2A 21<br />
•E 2-E 1 fotonok<br />
egymástól függetlenül<br />
a tér minden irányába.<br />
( )<br />
B 21<br />
•Átmenet gyakorisága:<br />
n 21=N 2B 21 ( )<br />
•Külső sugárzási tér hatására.<br />
•Sugárzási tér energiája nő.<br />
•Emittált <strong>és</strong> külső fotonok<br />
fázisa, iránya, frekvenciája<br />
megegyezik.<br />
A <strong>lézer</strong>működ<strong>és</strong> alapjai III. Optikai rezonancia<br />
Zárótükör<br />
Pumpálás<br />
Aktív közeg<br />
d=n /2<br />
R<strong>és</strong>zlegesen<br />
áteresztő tükör<br />
Lézernyaláb<br />
Rezonátor:<br />
•két párhuzamos sík (vagy homorú) tükör<br />
•a kimenő fényteljesítmény egy r<strong>és</strong>zét visszacsatolja a közegbe<br />
•pozitív visszacsatolás -> öngerjeszt<strong>és</strong> -> rezonancia<br />
4
A <strong>lézer</strong>fény tulajdonságai<br />
1. Kis divergencia<br />
Párhuzamos nyaláb<br />
2. Nagy teljesítmény<br />
Folytonos üzemmódban több tíz, akár száz W (pl. CO 2 <strong>lézer</strong>)<br />
Q-kapcsolású üzemmódban a pillanatnyi teljesítmény hatalmas (GW)<br />
Kis divergencia miatt óriási térbeli teljesítménysűrűség<br />
3. Kis spektrális sávszélesség<br />
“Monokromaticitás”<br />
Nagy spektrális energiasűrűség<br />
4. Polarizáltság<br />
5. Rendkívül rövid impulzusok lehetősége<br />
ps, fs<br />
6. Koherencia<br />
fázisazonosság, interferenciaképesség<br />
Időbeli koherencia (különböző időpontokban emittált fotonok fázisazonossága)<br />
Térbeli koherencia (nyalábkeresztmetszet menti fázisazonosság)<br />
Lézertípusok<br />
Fényerősítő közeg alapján:<br />
1. Szilárdtest <strong>lézer</strong>ek<br />
Kristályokba v. üveganyagokba bevitt fémszennyeződ<strong>és</strong>; Rubin, Nd-YAG, Ti-zafír<br />
Vörös-infravörös spektrális tartomány; Folytonos, Q-kapcsolású üzemmód, nagy teljesítmény<br />
2. Gáz<strong>lézer</strong>ek<br />
Legismertebb: He-Ne <strong>lézer</strong> (10 He/Ne). Kis energia, Széleskörű használat<br />
CO 2 <strong>lézer</strong>: CO 2-N 2-He keverék; ~10 µm; Óriási teljesítmény (100 W)<br />
3. Festék<strong>lézer</strong>ek<br />
Szerves festékek (pl. rodamin, kumarin) híg oldata; Pumpálásra más <strong>lézer</strong> használt<br />
Nagy teljesítmény (Q-kapcsolt módban); Hangolható<br />
4. Félvezető <strong>lézer</strong>ek<br />
Rezonátor tükrökre nincs szükség (belső visszaverőd<strong>és</strong>)<br />
Vörös, IR spektrális tartomány. Nagy kontinuus üzemmódú teljesítmény (akár 100W)<br />
Nyalábkarakterisztika nem túl jó. Kis méret miatt széleskörű alkalmazás.<br />
5
![Microsoft PowerPoint - Intermedier filamentumok [Kompatibilis m\363d]](https://img.yumpu.com/17119137/1/190x135/microsoft-powerpoint-intermedier-filamentumok-kompatibilis-m363d.jpg?quality=85)
Change language