10 LZEREK LZERSPEKTROSZKPIA 1 Lzer ers prhuzamos fnysugarat

10. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIA 1

Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. L A S E R Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 2

Az első lézer: rubin lézer (1960) Theodore Maiman (1927 -2007) 3

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

10. 1 A lézerek működési elvei • Stimulált emisszió • inverz populáció • optikai rezonátor 5

Stimulált emisszió (áttekintés) 6

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

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

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

Einstein-relációk A három sebességi állandó közötti összefüggés: 10

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. ) 11

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

Lézerek pumpálása Stimulált emisszióhoz szükséges energia közlése a lézer anyaggal: ez a lézer „pumpálása” A pumpáláshoz használható: - fényenergia (villanó lámpa, másik lézer fénye) - elektromos energia (gázkisülés) - kémiai energia (kémiai reakció) 13

Optikai rezonátor A lézerközeget két tükör közé helyezik. A fénysugár ide-oda verődik, így a fotonok átlagos úthossza megnő, s vele együtt a stimulált emisszió valószínűsége. 14

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

Lézersugár spektruma 16

Lézerek típusai Hullámhossz mikrohullámú IR látható UV röntgen Üzemmód folytonos (CW) impulzus Lézeranyag gázlézer ionkristály félvezető festékoldat 17

10. 4 Gázlézerek Lézer közeg: tiszta gáz (például N 2 -lézer) gázelegy (például CO 2 -lézer) Pumpálás: elektromos energiával (gázkisülés) Lézerátmenet: Hélium-neon lézer (látható fény) Argonlézer (látható fény) N 2 -lézer (UV-sugárzás) CO 2 -lézer (IR-sugárzás) 18

Nitrogénlézer Lézeranyag: ~0, 2 bar nyomású N 2 gáz A N 2 alapállapota szingulett (S=0) A gázkisülésben ütközéssel sokféle gerjesztett elektronállapot jöhet létre: - szingulett (S=0) gerjesztett és - triplett (S=1) gerjesztett állapotú molekulák keletkeznek. A lézerátmenet a N 2 két triplett állapota között történik. 19

A molekulapályák betöltése az N 2, alapállapotában (X) és két triplett gerjesztett állapotában (B, C) 20

Az N 2 molekula lézerátmenete Csak a szing. és tripl. átmenetek megengedettek: X B absz. X C absz. B X em. tiltott C X em. C B em. megengedett 21

A nitrogénlézer felépítése 22

10. 2 Ionkristály-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 23

Neodímium -YAG lézer Gazdarács: Y 3 Al 5 O 12 ittrium-alumínium gránát = yttrium aluminium garnet = YAG Szennyező ion: Nd 3+ (az Y 3+ ionok ~1%-a helyett) 24

A Nd a 60. elem. A Nd-atom konfigurációja: KLM 4 s 24 p 64 d 104 f 45 s 25 p 66 s 2 A Nd 3+-ion konfigurációja: KLM 4 s 24 p 64 d 104 f 35 s 25 p 6 25

Nd-YAG lézer energiaszintdiagramja 26

Nd-YAG kristály abszorpciós színképe Pumpálás: Kr-lámpával, v. félvezetőlézerrel J. Lu et al. , Appl. Phys. B 71. 469 -473 (2000) 27

Nd-YAG kristály fluoreszcencia-színképe lézerátmenet 28

10. 5 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. 29

Jablonski-diagram 30

A festéklézer előnyei - hangolható 31

Festéklézer működési tartománya különböző festékekkel 32

10. 6 A lézersugár tulajdonságai Sok tekintetben messze felülmúlja a hagyományos fényforrásokkal előállított fénysugarat. 33

Teljesítménysűrűség Kis keresztmetszetben nagy energiát összpontosít. Keresztmetszete tipikusan 1 mm 2. Teljesítmény m. W-tól k. W-ig tartományig terjed. 34

Egyenes vonalban terjed Gázlézerek keresztmetszete 100 m-es távolságban sem változik sokat. (A hosszú rezonátor miatt) 35

Spektrális sávszélesség A gázlézereké különösen kicsi, pl. az Ar-lézer 514, 5 nm-es fényének sávszélessége 10 -4 nm. 36

Rövid impulzusok Impulzus üzemben működő lézerek tipikusan ms-os (rubinlézer, Nd-YAG-lézer) vagy ns-os (N 2 -lézer) tartományba eső impulzusokat adnak. Pikoszekundumos, femtoszekundumos fényimpulzusok előállítása „móduscsatolt” lézerekkel. 37

Lézersugár frekvenciájának változtatása festéklézer nem lineáris kristályok - felharmonikusok előállítása (2 n, 3 n, 4 n) - frekvencia felbontása (n = n 1 + n 2) 38

10. 7 Raman-szórás 39

Foton és molekula kölcsönhatásai • • abszorpció emisszió stimulált emisszió rugalmas szórás rugalmatlan szórás ionizáció … stb. 40

Rayleigh-szórás Foton rugalmas szóródása molekulán. Mindkettő haladási iránya változik, energiájuk nem változik. Felhasználás: részecskeméret meghatározás kolloid rendszerekben. 41

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. 42

Sir CHANDRASEKHARA VENKATA RAMAN (1888 - 1970) 43

Raman és Budó Ágoston 1957, Szeged 44

A molekula energiaváltozása Raman-szórásban 45

Raman-spektrométer felépítése 46

Forgási Raman-színkép Kiválasztási szabály: A permanens m-vel rendelkező molekulák forgási átmenetei megengedettek. 47

Rezgési Raman-színképek Az infravörös és a rezgési Raman-spektrum kiegészítik egymást 48

Benzol (folyadék) infravörös és Raman-színlépe A két spektrum kiegészíti egymást! 49

Kiválasztási szabály (mint az IR-ben): egy foton elnyelésével csak 1 normálrezgés gerjeszthető DE: 50

DE: Az infravörösben gyenge sávot adó normál rezgések erős sávot adhatnak a Ramanban és fordítva. Oka: az IR spektrum intenzitásait meghatározó átmeneti momentumban az állandó dipólus-momentum szerepel A Raman-spektruméban az indukált dipólus-momentum 51

átmeneti momentum permanens dipólus indukált dipólus : polarizálhatósági tenzor : elektromos térerősség 52

Polarizálhatósági tenzor a szimmetrikus tenzor, tehát axy = ayx, axz = azx és ayz = azy 53

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 54

10. 8 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. 55

A molekula energiaváltozása kétfoton abszorpcióban 56

A két-foton abszorpció detektálási módszerei 57

Felhasználások I. 1. Az elektrongerjesztési színképben a 200 nm alatti tartományban levő átmenetek megfigyelhetők, például a 150 nmes egy-foton abszorpció helyett 300 nm-es két-foton abszorpciót mérünk. 58

Felhasználások II. 2. Nagyfelbontású spektroszkópia: Doppler-effektus miatti sáv kiszélesedés kiküszöbölése. Doppler effektus hatása a spektrumra: 59

Doppler-kiszélesedés megszűntetése 60

Az 1, 4 -difluorbenzol két-foton spektruma 61

Felhasználások III. 3. Két-foton mikroszkópia Elv: Lézer fényt fókuszáljuk a mintára, ahol nagy a fotonsűrűség, két-foton abszorpció történik, amit fluoreszcencia jelez. Ezt detektáljuk. Előny: olyan hullámhosszú fényt használunk, amit a minta (egyfoton abszorpcióban) nem nyel el, ezért - vastag réteg vizsgálható mélységi felbontásban, - a fény okozta károsodás kicsi 62

Példa: hangyasejtek két-foton mikroszkópos felvétele 63

10. 9. Villanófény-fotolízis A gerjesztett állapotú molekulák koncentrációja egyszerű esetben I. r. kinetika szerint csökken: [M*] = [M*]0 exp(-kt) = 1/k lecsengési idő 64

Triplett állapot T 1 10 -6 -100 s kémiai reakcióra van idő Készülék egyszerű impulzuslézer + fotodióda v. fotoelektronsokszorozó S 0 S 1 T 1 + elektronika (oszcilloszkóp) Kísérleti módszer: villanófényfotolízis 65

Szingulett állapot S 1 10 -11 -10 -8 s kémiai reakcióra nincs idő Készülék impulzus lézer (félvezető) + gyors fotoelektronsokszorozó S 0 S 1 T 1 + elektronika (idő-amplitúdó átalakító) Kísérleti módszer: időkorrelált egyfoton-számlálás 66

Villanófény-fotolízis I. 67

Villanófény-fotolízis II. 68

Triplett antracén abszorpciós spektruma A: hexánban, B: DMPC vezikulában 25 o. C-on, C: DMPC vezikulában 18 o. C-on. 69

Szingulett oxigénnel reagáló akceptor fogyása az akceptor abszorbanciájának mérésével. 70

A szingulett oxigén IR emissziós jele hematoporfirin szenzibilizátor jelenlétében. A megvastagított vonal extrapoláció. 71

10. A pumpa-próba kísérlet 72

Szingulett állapot S 1 10 -11 -10 -8 s kémiai reakcióra nincs idő Készülék móduscsatolt lézer + gyors fotodióda v. fotoelektronsokszorozó S 0 S 1 T 1 + elektronika (lock-in) Kísérleti módszer: pumpa-próba kísérlet 73

Móduscsatolt lézer elektrooptikus 2 L móduscsatoló L 74

Példa elektrooptikus móduscsatoló L 75

Szinkron pumpálás A móduscsatolt nem-hangolható lézer fényével ugyanolyan rezonátor hosszú festéklézert pumpálnak. Előnye: - hangolható fényforrás - impulzushossz rövidebb Például: Móduscsatolt argonlézer 300 ps-os impulzusa a szinkron pumpált festéklézer 10 ps-os impulzusává alakul. 76

Pumpa-próba kísérlet 77

Níluskék tranziens abszorpciójának időbeli lecsengése oldószer: etilénglikol hőmérséklet: 20 C 40 C 60 °C 78