A lézer
A RadiWiki wikiből
A lézer eredetileg mozaikszó: LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, vagyis fényerősítés sugárzás indukált emissziója által. A lézerek működhetnek optikai, de infravörös és ultraibolya, sőt nagyobb vagy kisebb frekvencia-tartományban is. A lézerek elődje pont egy, a fénynél kisebb frekvenciájú (mikrohullámú) sugárzó volt, a mézer.
Tartalomjegyzék |
ELEKTRONÁTMENETEK
Niels Bohr ismerte fel, hogy az atom elektronfelhőjének szerkezete kvantált. Az elektronok csak olyan pályákon keringhetnek az atommag körül, amelynek pályaimpulzus-nyomatéka (az impulzus és a pályasugár szorzata) ħ egész számú többszöröse: ahol, n a főkvantumszám. Ez úgy lehetséges, hogy az elektronok csak bizonyos sugarú pályákon tartózkodhatnak, az energiájuk az atommagtól távolodva egyre nagyobbá válik. Amikor ezen különböző eneriájú pályák között átugranak, energiát vesznek fel (ha távolodnak az atommagtól) vagy energiát veszítenek (ha közelednek az atommag felé). Azokat az elektronokat, amelyek a lehetséges legalacsonyabb energiájú pályákon helyezkednek el, alapállapotú, azokat pedig, amelyek a lehetséges legalacsonyabbnál magasabb energiájú pályán vannak, gerjesztett állapotú elektronoknak nevezzük.
Abszorpció
Amikor az alapállapotú elektron energiájú fotont nyel el (abszorbeál), akkor magasabb energiájú pályára juthat, ha az alapállapotú pálya és a gerjesztett pálya között teljesül a Bohr-féle energia-rezonancia feltétel, vagyis a fotonnak éppen annyi energiával kell rendelkeznie, mint amennyi a két pálya közötti energia-különbség.
Spontán emisszió
A gerjesztett állapotú elektron bizonyos idő után visszajut az alapállapotba, miközben a felesleges energiájától szintén a Bohr-feltétel által meghatározott energiájú foton kibocsátása (emissziója) révén szabadul meg (159. ábra).
Spontán emisszió.
Azt, hogy sok azonos állapotú gerjesztett atom elektronja mikor jut vissza alapállapotba, nem lehet megmondani, csak ennek a valószínűségét, ezért a gerjesztett állapotot csak s átlagos tartózkodási idővel lehet jellemezni. A kibocsátott foton haladási iránya szintén véletlenszerű, ezért az ilyen módon keletkező sugárzás irányfüggetlen, diffúz lesz.
Indukált emisszió
1917-ben Einstein megjósolta, hogy az emissziónak létezhet olyan változata is, amely nem spontán módon következik be, hanem külső hatás következtében. Ezt nevezzük stimulált vagy indukált emissziónak. Az indukált emisszió akkor jön létre, ha a gerjesztett állapotú elektron mellett olyan foton halad el, amelynek az energiája szintén teljesíti a gerjesztett elektronra vonatkozó Bohr-feltételt: (lásd 160. ábra).
Indukált emisszió.
Ekkor az elektron ezen külső hatás következtében visszajut alapállapotba, miközben maga is energiájú fotont emittál. A kívülről érkező foton és az emittált foton energiája, tehát a frekvenciája is megegyezik, azaz a fotonok száma megduplázódott. Az is megmutatható, hogy az emittált foton haladási iránya, fázisa és polarizációja is azonos lesz az érkező fotonéval. Ebből Einstein felismerte, hogy ezzel a módszerrel nagy intenzitású, párhuzamos fényt lehetne előállítani.
POPULÁCIÓ INVERZIÓ
Nagy intenzitású fényhez nagy számú gerjesztett elektronra van szükség, tehát el kell érni, hogy egy adott anyagon belül felszökjön ezek száma. Ezt nyilván energia-befektetéssel érhetjük el, vagyis az anyagba kívülről energiát kell juttatni, amelyet a lézernél pumpálásnak neveznek. Ha az alapállapotú elektronok populációját N1 számukkal, a gerjesztett állapotú elektronok populációját pedig N2 számukkal jellemezzük, akkor alaphelyzetben természetesen N1>>N2. Felpumpált rendszer esetén azonban N2>N1 lehet. Ezt az állapotot nevezzük populáció inverziónak, amelyet a 161. ábra szemléltet.
Normális és invertált sűrűségeloszlások.
Pumpálás történhet termikus gerjesztéssel (melegítéssel), optikai gerjesztéssel (villanófénnyel) vagy elektromos kisülés révén.
AZ OPTIKAI REZONÁTOR
A lézer fény erősített fény, amelyet optikai rezonátorban állítunk elő. Az optikai rezonátor tarlalmazza a lézer anyagot két, egymással párhuzamos tükör között, felépítése az 162. ábrán látható.
Az optikai rezonátor elvi felépítése.
Az egyik tükör (T1) teljesen visszaverő, tehát reflexiós koefficiense közel 1 (r≈99,9 %), a másik (T2) pedig részben áteresztő, reflexiója kb 98 %-os, transzmissziós koefficiense 2 % körüli. A lézer anyagban pumpálással előidézzük az inverziót, és indukált emisszióra kényszerítjük. Ez történhet pl. villanófénnyel, amelynek a színképe (spektruma) folytonos, ezért tartalmazza az indukált emisszió létrejöttéhez szükséges rezonancia-frekvenciát is. Ekkor a fotonok száma minden egyes gerjesztett atommal való találkozáskor indukált emissziók révén sokszorozódik, a keletkező fotonok mindegyike azonos frekvenciájú, fázisú, terjedési irányú és polarizációjú lesz. Az ilyen fénnyalábot koherens nyalábnak hívjuk. Az eredmény tehát egy egyre erősödő intenzitású, nagymértékben rendezett, koherens fénnyaláb lesz. A felerősödött párhuzamos nyaláb egy része a T2 féligáteresztő tükörhöz érve visszaverődik, más része kijut a rezonátorból. Ez utóbbit látjuk lézer fényként. A visszavert nyalábban lévő fotonok közben folymatosan indukált emisszióra késztetik az időközben ismét felpumpált lézer-anyagot, így a fénykibocsátás addig folytatódik, amíg a pumpálás tart. A T2 tükörről történő visszaverődéskor a fénysugár szembe találkozik a még T2 felé haladó sugarakkal és ugyanez történik T1-nél is. A két szemben haladó hullám interferenciát hoz létre, amelynek a lézernél erősítésnek kell lennie, hiszen erősített fény elérése a cél. Az erősítés feltétele, hogy az interferáló hullámok azonos fázissal találkozzanak. A visszavert hullám fázisa akkor lesz azonos a beeső hulláméval, ha az optikai rezonátor hossza a hullámhossz egész számú többszöröse: , mert ekkor a hullámok azonos fázissal verődnek vissza.
A LÉZEREK JELLEMZŐI
Mint láttuk, a lézer ideális esetben tökéletesen koherens fényt sugároz ki. Természetesen a valóságos lézerek ettől az ideális esettől kissé eltérnek. Az állandó frekvencia nem teljesül egészen pontosan, ezért a lézer spektruma vonalak helyett igen csúcsos haranggörbékből áll, amilyen az 163. ábrán is látható.
Valóságos lézerfény spektruma.
A legvalószínűbb f0 frekvencia mellett megjelennek kisebb intenzitással más frekvenciák is. Azt, hogy a lézer milyen mértékben “szennyezett” más frekvenciákkal, a görbe félérték-szélessége adja meg, vagyis az intenzitás maximumának felénél vett frekvencia-szélesség (Δf). A lézer annál „tisztább”, minél kisebb a félérték-szélessége.
A nyaláb párhuzamossága sem teljesül maximálisan, hanem többé-kevésbé széttaró, divergens lesz. A divergencia mértéke néhány tized marad. A nyaláb ezen tulajdonsága, nevezetesen, hogy csaknem párhuzamos, nagy pontosságú vágások és anyagmegmunkálások elvégzésére teszi alkalmassá a lézert. A párhuzamos fénnyaláb ugyanis gyakorlatilag egyetlen pontban fókuszálható egy gyűjtőlencsével. Ebben a gyűjtópontban ekkor a nyaláb teljes eredeti keresztmetszetében szállított energia fókuszálódik, hatalmas energiasűrűséget hozva létre. Orvosi alkalmazásban igen pontos, hegesedés nélküli vágásokra alkalmazható, de az ipar számos területén is találunk alkalmazásokat. Azt a távolságot, amelyen belül a nyaláb koherenciája csupán elhanyagolható mértékben sérül, koherencia-hossznak nevezzük.
A lézer anyag szerint megkülönböztetünk gáz- (pl. HeNe, CO2 stb), folyadék- (pl. alkoholban oldott Eu, Tb stb.), szilárd test (pl. rubin, YAG) és félvezető lézereket (pl. GaAs stb.).
Az üzemmód szerinti felosztásban vannak folytonos üzemű (pl. gázlézerek és a félvezető lézerek valamint a folyadéklézerek egyes fajtái) és impulzusüzemű lézerek (pl. egyes gáz- és folyadéklézerek, valamint a szilárdtestlézerek).
vissza a tartalomhoz: KÉPALKOTÁS ESZKÖZEI - avagy az orvosi képalkotás fizikája
