A fény-anyag kölcsönhatásokról

Tudjuk, hogy a fényhullám energiát szállít, tehát ha fény nyelődik el, akkor energia nyelődik el.Azenergiaelnyelődéseazt jelenti, hogyaz elnyelt energia valami­

lyen folyamatothozott létre, ezáltal az elnyelő anyag energiájamegnőtt, vagyis az ab­ szorbeálóanyag más nagyobb energiájúállapotba jutott. Az abszorbeált energia nagyon sokmódon használódhat fel, erre nézzünk néhány példát.

75.ábra

Az egyik legkézenfekvőbbnektűnőfolyamata termikus felmelegedés. Afolyamatota 75. ábraszem­

léltei. Kondenzált rendszerekben (folyadék, szilárdtest) az abszorbeáló részecskéket más részecskék veszik körül (folyadékban oldott részecskéknélaz oldószer moleku­

lái, kristályokbana rácsot alkotótöbbiatom vagy molekula), tehát a fényelnyelő részecske egy olyan közegbevan beágyazva, amellyel szoros kölcsönhatásbanvan, ezért például azonos hőmérsékletűek. Ha egy fényhullám érkezik ebbe a közegbe, akkor a fényt a részecske el­ nyeli és magasabb energiaállapotba kerül.Nem sugár­

zó részecskékesetén a felsőbb állapot dezaktivációja nem sugárzó átmenetteltörténik, hanemazelnyeltenergia azelnyelő részecske termi­

kus energiáját növeli meg, de a közeggelvaló erős kölcsönhatás következtébena kelet­

kezetthőtöbbletelvezetődik,arészecske közvetlen környezetében aközeg hőmérsék­

lete megnövekszik (T-ről, T*-re). Ezta jelenséget felhasználjuk többek között a fény energiájának mérésére a következőképpen: egy feketefelületű kicsiny lapocskát világí­ tunkmega vizsgált fénnyel. Afekete felület jól elnyeli a ráeső fényt,s akeletkező hő felmelegíti a lapocskát.Érzékeny hőmérővel (termoelem) mérve a hőmérsékletváltozást, a lapocska tömegének, fajhőjének ismeretében a besugárzott energia kiszámítható.

Ugyancsak ezenazelvenalapszik az opto-akusztikus spektroszkópiai módszer,amely­ nél rövid fényimpulzusokatbocsátanak fénytabszorbeáló közegbe. Az impulzusszerű abszorpció következtében az oldatban termikus lökés keletkezik, amely akusztikus hullám formájában halad tovább. Kisméretű,érzékeny detektorral (piezo kristály) az akusztikus hullám paraméterei, ebből pedig a fényelnyelés néhányadata határozható meg.

Sok olyan fény-anyag kölcsönhatási folyamatvan, amely során nem az anyag tulajdonságai változnak meg, hanem aközegenáthaladó fényé. Ebbea csoportba tarto­

zik az optikai forgatóképesség. A jelenség abban áll, hogy ha lineárisan poláros fény

halad át aközegen, akkor a fény rezgéssílga valamilyenszöggel elfordul. Az elforgatást az ún. sztereoizomer molekulák hozzáklétre.Ezekolyan molekulák, amelyek azonos összetételűek, de szerkezeti felépítésük tükörszimmetrikus. Azegyikmódosulata fény rezgéssíkjátegyik irányba, a másik ezzelellentétes irányba fogatjael. A kétféle moleku­

lának, úgytűnik,élettani jelentősége is van,mert pl. ha fejlődő szervezetben azegyik módosulat van túlsúlyban, akkor öreg vagy beteg (pl. rákos) szervezetben amásik.Tipi­ kus optikaiaktív anyag a cukor.

Mielőtt aklasszikus optika területéről vett két bevezető példa utánrátérnénk az ún.nemlineáris optikai terület témakörébe eső fény-anyag kölcsönhatásokra, nézzük meg a laserekkel előállítható fénynéhány különleges tulajdonságát. A laserfény alapve­ tő tulajdonsága a nagy koherenciafok, azaz a benne teijedő hullámok fázis szerintiren­ dezettsége és az ideális polarizációs állapot előállíthatósága. Különleges lehetőséget biztosít új típusú kölcsönhatásokelőállítására illetve vizsgálatáraa fénynyalábban elő­ állítható extrém nagy teljesítmény, amelynek elérésére kétút mutatkozik. Az egyik a triviálisabb megoldás, nevezetesennöveljük afényerősítést és akkor a nyalábban haladó energia illetve teljesítmény növekednifog. Ezt az utat választjákaziparicélokatszolgá­ lóCO2 lasereknél,ahol apumpálás feltételeinek, a rezonátor feliépítésénekés termé­ szetesenaz aktívközegösszetételénekmegválasztásával folyamatos üzemmódban né­ hány ezer wattfényteljesítménytérnek el. Ez azt jelenti, hogy a végtelennek tekinthető fénysugárteljeshosszában nagyon sok energia(nagyon sok foton, nagyon sok elemi hullám) található.Haafeladat természete olyan, hogy amegoldás valóban nagy energiát kíván meg, akkor eza kiválasztottmegoldási móda célnakmegfelel.

2 mm

Gigantikusnagy teljesítmény úgy is elérhető, hogyaz energiát térben és időben összesűrítjük. Ha arezonátorba bepumpáltenergiát 1 ns időtartamúlaserimpulzus (pl.

N2laser) formájában hozzuk kia rezonátorból, akkor ennek a fényimpulzusnak a hosz-sza 30 cm, azaz az energia egy néhány mm

átmérőjű 30 cm hosszú hasábbanvan össze­ sűrítve, amely fénysebességgel halad a térben (76. ábra). Tovább rövidítve a laserimpulzus időtartamát tovább csökken a fényimpulzus eleje és vége közötti távolság, azaz nő az energia térbeli koncentráltsága. Pl. egy módus szinkronizált festéklaserből kilépő 1 ps im­ pulzusidejű fénynyaláb eleje és vége között 0,3 mm távolság van, a „fénynyaláb” egy lapos korong, amelybe az összes energia (foton) bele van zsúfolva, azaz igen nagy teljesítményt biztosít arra a rövididőre,míg ezakorongát­ halad valamilyen anyagon.

76.ábra

Klasszikus optikai módszerekkel előállított sugárnyalábokban kicsi az energia koncentrációja, más képpel szemléltetve kicsi afotonok sűrűsége. A laserekkelelérhető nagyteljesítményű fénynyalábokbannagyon nagyaz elektromos és mágneses térerős­ ség, nagyon nagy afotonsűrűség, ami az anyaggal való kölcsönhatásban új jelenségek megjelenéséhez vezet.Ezeket a jelenségeket nemlineárisjelenségeknek hívjuk, mivel

elméleti leírásuknál használt Összefüggésekben nemcsak az energia első hatványát tartalmazó tagok, hanem a magasabb kitevőjűckisszerepelnek.

Nézzünknéhány nemlineáris fény-anyag kölcsönhatási folyamatot.Kis fényintenzitásokesetén igaz a következő meg­ figyelés. Átlátszó anyag (pl. üveg) planparalel rétegére merőle­

gesen beesőpárhuzamos sugárnyalábirányváltoztatás nélkül, a fénysugarak párhuzamosságát megtartva halad át a rétegen.

Nagy energiájú sugárnyalábok esetében más a fényáthaladás törvényszerűsége. Az anyagba belépő sugár elveszti párhuza­ mosságát, vagy összetartóvá válik (önfókuszálás), vagy széttartó­ vá (defókuszálás) (77. ábra). Ajelenségmodellszerű magyarázata az, hogy a fénysugárban lévőnagy elektromostérerősség hatá­ sára az anyag tulajdonsága megváltozik, s ez a deformált anyagréteg egylencsehatásátfejtiki. Amenyibenenneka fény által indukált lencsének a fókuszpontja azanyag belsejében van, akkor ebbenapontban olyan nagy energiasűrűség áll elő, hogy a különben fényátlátszó közeg elroncsolódik, felhasználva ahhoz a fényenergia egy részét. Tehát a kis fényintenzitásoknál átlátszó anyagnagy fényintenzitásoknál fényelnyelővé válik.

Kis fényintenzitású fénysugarakban a foton­

sűrűség kicsi, ezértkicsi a valószínűsége annak, hogy az elnyelő anyagbanegyrészecskével egyszerre több foton ütközik. Nagy intenzitású fénynyalábokban nagy a fotonsűrűség, ezért előfordul az, hogy egyszerre több foton ütközik egy részecskével. Ilyen folyamat a több fotonos abszorpció, amikor pl. három kisenergiájú foton egyszerre való elnyelése biztosítja egy atom nagy ener­

giatávolságra lévő szintjei közötti átmenetet (78. ábra).

Hasonlótöbb-fotonos jelenség, amikor akülsőfényelektromos hatás kiváltásában több egyidőbenbeérkező foton hatása összegződve érvényesül (többfotonosfotoeffekíus).

A Kerr-effektus abban áll, hogy az ol­ datban lévő dipólus molekulák normál kö­ rülményekközöttnem rendelkeznek semmi­

lyen rendezettséggel. Külső elektromos tér hatására a dipólus molekulák befordulnak az erővonalakirányába, ezért az oldatbankitünte­ tett irányban való rendezettség lép fel. Az izotróppá tett közeg optikai tulajdonságai megváltoznak, például kettősen törő lesz az oldat.Afeszültség lekapcsolása után a rendezettség megszűnik, a hőmozgás elrontja azt. Hasonló jelenség játszódik le, hanagy energiájú polarizáltfény fut át az anyagon, például a 76. ábrán szemléltetett rövid impulzus formájában. A nyalábban lévő igen nagy térerőségű elektromos tér az oldat dipólus molekuláit beforgatja saját irányába (optikai Kerr-effektus) (79. ábra). A fénysugár által deformált (rendezett) térfogaton egy

mérő fénynyalábot átbocsátva kimérhető a deformált állapot több paramétere, így a rendezetlenséget visszaállítófolyamatok tulajdonsága is.Haa használt fényimpulzusok időtartama nagyon kicsi(psiltfs), akkor azzal az időfelbontással lehet vizsgálni azolda­ tokban lejátszódónagyongyorsfolyamatokat.

Az idézett kölcsönhatási folyamatokban afény energetikai behatásának követ­

keztében a kölcsönható anyagipartnerkerült valamilyen újabb állapotba. Nézzünk két olyan példát, ahol a kölcsönhatási folyamatban afény tulajdonsága változik meg.

A frekvenciakétszerezés jelensége a következő:

bizonyoskristályokban létezik egy olyanirány, amely­

ben ha nagy intenzitású, v frekvenciájú fénynyaláb ha­

lad, akkor akristállyalvalókölcsönhatás következében 2v frekvenciájúfényhullámjön létre szintén koherens fény formájában (80. ábra). A kölcsönhatási folyamat úgy képzelhető el, hogy a vfrekvenciájú hullám rez­

gésbe hozza a kristályrácsot, és a rezgő rácsban 2v frekvenciájú ún. félharmonikus rezgés is létrejön, amelyilyen frekvenciájú hullámot is kelt.Afrekvencia kétszerezésének van egy energiaküszöbe, ennek

megfelelő értéknél kisebbenergiasűrűségnélnem lép fel a jelenség. Ez a nemlineáris jelenség a lasertechnika egyikgyakran alkalmazott eszköze. Megfelelő kristályokkal pl.

aYAG laser 1060 nmhullámhosszúinfravörösfényéből 530 nm hullámhosszúzöld fénytlehet előállítani,vagylátható fényből ultraibolya fényt. Megfelelő kristályokkalés eljárásokkal lehet frekvencia összeget és különbséget képezni, miközbenazúj fényhul­

lám megőrzia laserfény tulajdonságát,mindenekelőtt a koherensséget.

81.ábra

A koherens antistokesi raman szórás (KARSz) folyamata a következő: Ha két kü­

lönböző %i és X2 hullámhosszú fénysugárúgy esik folyadék vagy gázbelsejébe, hogy egy vé­

ges kis térfogatban együtt haladnak, akkor bi­ zonyosfeltételek mellett akölcsönhatási térfo­

gatból kilép egy harmadik sugár, amely szintén koherens, de X3 hullámhossza eltér a beeső hullámokétól (81. ábra). A jelenség a besugár­

zott anyagrészecskéinlétrejöttfényszórássalvan kapcsolatban. A molekulárisfényszó­

rás paramétereinagyon sok információtadnaka szóró anyag állapotáról, tulajdonságai­ ról.Ajelenségen alapuló spektroszkópiai módszer az anyag szerkezetének,a benne le­ játszódó igen rövid időtartamú folyamatok kutatásának fontoseszköze.

A bemutatott példák jól szemléltetik, hogy a fény-anyag kölcsönhatások egyik formája atermikus következmény,azonban az esetek nagy többségében más folyama­ tok is lejátszódhatnak. Ezeketa példákat az élettelen anyagés a fény azon kölcsönhatá­ saibólvettük, amelyek minden részlete kísérletiéselméleti vonatkozásában jólismert ésmár széleskörű alkalmazást is nyert.Azemberszervezetesokkal bonyolultabb, mint a bemutatott példák anyagi része. Hasonlóan sokkal összetettebb a fénnyel való

köl-csönhatásais. Részben ez a tény, részbenpedig az, hogyabiológiatudomány most ért fejlődésének abba a szakába,hogy egzakt módonvizsgálja az élő anyagban lejátszódó folyamatokat, jelzik, mennyire nem indokolta laserkezelés hatásmechanizmusának a teljes ismeretételvárniamódszerkialakulásának jelen szakaszában.A fentipéldákhoz hasonlóan sokrétű alapkutatás szükséges az élőanyag-fény kölcsönhatásterületén is.

Végezetül bemutatunk egy összetett 'kísérleti berendezést, amelyben a lasertechnika több alkalmazotteljárásamegtalálható,és laserek, nemlineáris kristályok, erősítők sora nyeralkalmazást (82. ábra). A berendezéssel vizsgálhatótöbbek között az

82.ábra .

optikai Kerr-effektussala folyadékok gyorsrelaxációs folyamata. Amérőrendszer opti­ kai beállítása hosszadalmas, nagy szakértelmű munkát követel meg. A készülék ára 100.000 dollárokban fejezhető ki.