Mszaki fizika alapjai Mzerek s lzerek Dr Giczi

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

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

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

A folyamatok gyakorisága E 2 Gerjesztés n 2 atom Indukált emisszió E 1 n 1 atom Spontán emisszió Einstein együtthatók: 4

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

Hőmérsékleti egyensúlyban gerjesztett atomok száma Boltzman-eloszlás n 2 « n 1 alapállapotú atomok száma Miért nem tapasztalható a koherens erősítés a gyakorlatban? Gerjesztés (fényelés) sokkal gyakoribb mint az indukált (koherens) fénykibocsátás. « Ezért a nyaláb nem erősödik, hanem gyengül. 6

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. 7

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

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. 9

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

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

Populáció inverzió megvalósítása A magasabb energiaszinten lévő molekulák koncentrálódnak. Inhomogén elektromos tér 24 GHz-es felerősített jel. 2, 4 Hz-es frekvencia ingadozás (frekvencia standard, 250. 000 év alatt késik 1 s-ot) 12

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

A populáció inverzió megvalósítása 10 -8 s Háromnívós lézer típus A metastabil állapot élettartamának idejére megvalósul a populáció inverzió. 14

A populáció inverzió megvalósítása 10 -8 s n 2 n 1=0 Négynívós lézer típus A metastabil állapot élettartamának idejére megvalósul a populáció inverzió. 15

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

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. 17

Keresztirányú (transzverzális) módusok TEM 00 A TEM 00 -nak legkisebb a divergenciája. Ideális lézertulajdonságok csak egyetlen transzverzális, ill. longitudinális módusban működő lézernél várhatók. 18

Lézertípusok Szilárdtest- és folyadéklézerek Gázlézerek Félvezető lézerek Kémiai lézerek 19

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

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

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, 22

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

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 m. W a kapilláris hosszától függően, • Egy transzverzális és longitudinális módusú lézer koherenciája tökéletes, • Széleskörű felhasználás. 24

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. 25

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

A Ga. As félvezető-lézerek • Tellúrral (n) és cinkkel (p) szennyezett Ga. As 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, 27

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

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

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. 30

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. 31

Lézeres méréstechnika Sebességmérés Doppler-hatás 32

Lézeres méréstechnika Forgásmérés Lézer giroszkóp 33

A holográfia 34