Egyéb lasertípusokról

Több lasertípus van,amelyteljesen más célokra készült, mintalaserterápiában alkalmazottkészülékek. Ezek alaserek vagy nagyon nagy teljesítményűek vagynagyon rövid impulzusidejűek, vagy más paraméterben extrém értéket biztosítanak, ezért jól felhasználhatókaz anyagmegmunkálásban, a méréstechnikában, illetve egy-egykonk­ rét tudományos feladatmegoldásában. ,

Elsőnek a CO2lasereketkell megemlíteni, amelyek működésük fizikai alapjá­

ban is eltérnek a korábban említett laserektől. Afényemisszió kényszerített sugárzás formájában jön létre itt is,de a kényszerített átmenet más módonvalósul meg. Azed­

digbemutatott lasereknél a sugárzó részecskék (atom, ion, molekula) elektronenergia­

szintjei között jönlétrea geijesztés és a kényszerített emissziósátmenet. Ageijesztés vagyfényenergia elnyelésével (rubin,Ndlaserek), vagynagy sebességgel mozgóelektro­ nokkalvaló ütközéssel (He-Ne, argonionlaserek) jönlétre. Úgy lehet elképzelni, hogy egy atom atommagját, vagy egy molekulában lévő atomok magjából álló „vázat” egy elektronfelhő veszi körül (62. ábra), amelyhez stabilis állapotban az Eo alap energiaérték rendelhető. Gerjesztés követ­ keztében ennek az elektronfelhőnek nö­

vekszik megazenergiája Ej vagy E2érték­

re (lásd, a 34. és a 35. ábrákat). Az elekt­ ronátmenetekheztartozóenergiák nagyok, azaz ha a szintekközötti átmenet közben fényelnyelésvagy fénykisugárzás jön létre, akkorafény az UV, látható, vagy aközeli IR tartományba esik. Atomok és ionok esetébencsak elektrongeijesztés jöhet létre. Más a helyzet a

molekuláknál, amelyek kettő vagy több atomból állnak. A molekulát alkotó atomok magjai egymáshoz képest rezegnek.

Példakénta62. ábrán egy benzol-molekulátmodelleztünk, és nyilakkal jeleztüka hat szénatom és hidrogénatom egy-egy le­

hetségesrezgését.Amagrezgések szintén kvantáltak, az egyes lehetséges rezgési energiaszintek ugyanúgy elkülönülnek, mint a 34. ábrán vázolt elektron energiaszintek. Különbség csak abban van, hogy a rezgési kvantumokenergiája nagyon kicsi, azaza rezgésitermeknagyon közel vannak egymáshoz.

Eztszemléltetia 63. ábra, aholaz Eoés E! elektron termekre felrajzoltukaVq,vj, v3—vibrációs termeket is, és anéhány közöttük lehetségesgeijesztésesilletve sugárzásos átmenetet.

A vibrációs termek geijeszthetők lassú (kis energiájú) elekt­ ronütközéssel,vagy hosszúhullámú IR sugárzás elnyelésével.

Kényszerített emissziós átmenet jöhetlétre a vibrációs ener­

giaszintek között is. A szintek közötti populáció inverzió 63.ábra

megfelelő pumpálással létrehozható. Ez aztjelenti,hogy építhetőolyan laser, amely­ ben nemaz elektron energiaszintek, hanem a vibrációsszintek invertálhatók, ezért a kényszerített emisszióval felerősített sugárzásazinfravörösszínképtartományba esik.

Tipikus képviselője az ezen az elven működő laserekneka CO2 laser. A 64. ábra felsőrésze a szim­

metrikusCO2 molekula három tipikus rezgésiformá­

ját mutatja be, ahol a központiC atomhozviszonyítva (az ábránfehér kör) az oxigénatomok (satírozott kör) oszcillálhatnak.A molekula vibrációs termjeitaz ábra alsó része mutatja, amelyek közöttisugárzásos átme­

neteket a megfelelő hullámhosszak feltüntetésével egyenes nyilakjelölik, a sugárzás nélkülieket pedig hullámos nyilak. Mivel a felső szint elektronütközési hatáskeresztmetszetekicsi, hasonlóelvet alkalmaznak, mint a He-Negázkeverékben az elektronszintek kö­ zötti inverzió létrehozásában. Nevezetesen N2 mole­

kuláris gázt kevernek a CO2 gázhoz, amelynek egy vibrációstermje azonos magasságban vana pumpálni kívánt CO2termmel, és mivel eza szint jól gerjeszthe­ tőelektronütközéssel,valamint nagy a másodfajú üt­

közéssel valóenergiaátadás valószínűsége, ezért a po­

pulációinverzió megvalósítható.

Az aktív gázkeveréket tehát kisülési csőbe he­ lyezik el, amelyben a pumpálás létrejön,a rezonátor pedig a visszacsatolás biztosításával kialakítja a laser­

működést (65. ábra). A laserátmenetet 10,6 |x hullám­

hosszonbiztosítják. Ezen ahullámhosszon speciális optikát kell alkalmazni. Többek közöttaz üveg és akvarc erős abszorpciója miatt nemhasználható. Ezzel kapcsolatos

az is, hogy csak napjainkbanjelennekmegolyan optikai szálak, amelyekkel a CO2 laser fényevezethető, ennek hiányában merev tükörrendszerrelterelték a sugárzást.A széndioxid laserekfolyamatos és impulzus üzemben is működnek. A kimenő teljesítmény tág határokközött változhat. Ipari célra készített laserek folyamatos üzemű sugárzási teljesítménye eléri a néhánykW értéket. Ilyen teljesítmény elegendőbármilyenanyag megmunkálására (kerámiák, acélokJárása, vágása, hegesztések, stb.). A10,6 p, hullámhosszú sugárzást nagyon jól abszorbeálja á víz.

Nagy sugárzási teljesítmény esetén pl. az élőszervezet elroncsolódik, mivel asejtekanagy víztartalommiatt „felforrnak”, megsemmisülnek.

Hatehátmegfelelőoptikával kicsiny területre fókuszáljukalasemyalábot, akkorabe­ sugárzotthelyeneléga szövet. A fókuszáló optikairendszermozgatásával a fókusznyak helye eltolható, ígyfolyamatosvágásvalósítható meg. A fénykéssel valóvágásnak több előnyevan:vágásközbena hajszálerek koagulálódnak, ezért aműtétvérzés nélkül

vé-64.ábra

65.ábra

gezhető (nagyobb erek lekötése ugyanúgy szükséges, mint hagyományos műtéteknél); másik nagyelőnye a fénykésnek, hogy a vágottszövetre semmilyenmechanikai terhelést nem ad. 5-10 W teljesítményű kisebb laserek márelegendő teljesítményűek kis műtétek végzésére,20-60 W tartományon működő CO2 laserrelpedig bármilyen műtét elvé­

gezhető.

Nagy kimenő energiaérhető elazún. kémiai laserekben, amelyekben a gerjesz­

tési mechanizmus a következő.Gázkeveréket helyeznek elegy hengeralakú üvegcső­ be, amelynek tengelye közös a rezonátor tengelyével. Megvilágítják a gáztegy nagy teljesítményű fényimpulzussal, aminek hatására a gázkomponensek között kémiaire­

akció játszódik le. Ha areakció olyan, hogyvalamelyik végtermék geijesztett állapotú részecskeés ezek a részecskéksugárzással adják le a rajtuk maradt (kémiai folyamatnál felszabadult)energiát,akkor inverzió alakítható ki és biztosítható a laserműködés. Ilyen

módon pumpált lasereket nagy számban állítottakelő, azonbannehézkes üzemelésük miatt nem teijedtek el.

őó.ábra

A gázlaserek egyik leg­ jobban elterjedt típusa a nitro-

génlaser, amely abban a vonat­ kozásban különleges, hogy a laserszintek közötti inverzió fenntartása csak nagyon rövid ideig lehetséges, mert az N2 molekulák belső tulajdonságai időben behatárolják az inverzió fenntartását. A gázmolekulák nagyon leegyszerűsített term-sémáját a 66. ábra bal oldala mutatja. Alaserátmenet 3 és 2 gerjesztett szintek között jön létre.A felső 3-as szint nagyonjól gerjeszthető elektronokkal való ütközéssel, de a szint élettartama kicsi.Az alsó 2-esszint elektronütközési hatáskeresztmetszete kicsi, viszont élettartama nagy. Enneka szituációnak aza következménye, hogy nagyon rövid és nagyon nagy intenzitású elektromos impulzust kell alkalmazni a pumpálásra, így biztosíthatjuk apumpálás kezdetén a 3. szintgyors betöltődését, míg a 2. szint alig töltődik fel,vagyis létrejön az inverzió, azaz megindul alaserfolyamat.Anagy érték miatt a2. szinten sokáig tartózkodnak amolekulák, a betöltés pedigagyenge l->2 üt- közéses és a 3—>2 sugárzásos átmenetekkel folyamatosan történik, így a2-es szinten tartózkodó molekulák száma egyre nő, merta 2->l sugárzás nélküli kioltó átmenetek is lassúak. Azelmondottak következménye az, hogy a laserszintekbetöltöttsége időben a66. ábra jobb oldalán vázolt felfutást mutatja, vagyis afolyamatos pumpáláskezdetén a felsőszint jobbanbetöltött, majd az alsó laserszint betöltöttségetúlnövi a felső szint betöltöttségét. Laser-működés tehát csak néhány tíz nanoszekundum ideig tartható fenn,viszontebben arövid időtartamban olyannagyaz erősítés, hogyazaktívközegen való egyszeres áthaladás is elegendő jelentős fényerősítésre. Az ilyen sugárzó közegek tulajdonságát bemutattuk a 46. és 47. ábrákkal kapcsolatban, amely szerint a

nitrogénlaserekbőlkilépő sugárnyaláb divergens, koherenciafoka kicsi, ennekellenére jól használható nagyon sok célra a következő okok miatt. Agáznyomásának,a pumpá­ lás módjának, a kisülési tér geometriájának, valamint a rezonátorparamétereinek vál­ toztatásával a fényimpulzusok tulajdonsága jól variálható, miközben bármely konst­ rukcióban megépített laser igen egyszerű és olcsó. Az impulzusteljesítmény MW nagyságú 1-10 ns impulzusidő mellett. Az ismétlésifrekvencia 0-25Hz között, speciá­ lis kisülési térben 50 kHz-ig változtatható,miközben a sugárzásátlagteljesítménye mW nagyságrendű.

A fenti tulajdonságok, továbbá a közeli UV tartományban sugárzott 337,1 nm hullámhosszúfény igen jóabszorpciós tulajdonsága miattaz N2 laserek nagyon elter­

jedtfényforrások tudományos és technikaifeladatok megoldására.

Különleges laseraktív közeget képeznek a festékoldatok, amelyek nagyon ol­

csón, nagyon egyszerűen előállíthatók, ugyanakkor optikai tulajdonságaik széles hat­

árok közöttváltoztathatóak.A festékmolekulákabszorpciós és emissziós tulajdonsága jelentőseneltér a fentebbtárgyaltlaseranyagokétól több vonatkozásban. Az első szem­

betűnő különbség az, hogy a felső laserszint élettartama kicsi, néhány ns nagyságú.

Ezért kezdetben nem is gondoltak arra, hogy inverzió létrehozható bennük. A másik jelentős eltérés az, hogy a két laserszint nem keskeny, hanem jelentős mértékben ki­

szélesedett,aminek az oka a molekulákelektron és magrezgési energiájánakakombi­ nálódása. (Az50-100atomot tartalmazó festékmolekulákban a rezgési energia mégviszonylag alacsony hőmérsékleten, pl.szobahőmérsékleten isjelentős lehet.) A kiszélesedett laser energia­ szintek egynagyonnagy jelentőségű, egyedül a festéklasereknélmeglévő tulajdonsá­ got, a laserfény hullámhosszának változtathatóságát, a folyamatos hangolhatóságot biztosítják.

A festékmolekulák termsémáját a 67. ábra mu­ tatja. A rövid élettartamú (r^-lO^s) Sj, S2... szinglett gerjesztett állapotok mellett léteznek ahosszú élettar­

tamú (t=10~3s) triplett Tj, T2... gerjesztett állapotok is.Abszorpciós átmenetekaz So valamintaz Sn állapo­ tokkülönböző szintjeiközött jöhetnek létre. Aszin­

tek között berajzolt nyilak szemléltetik a széles fotonenergia-, azaz hullámhossz-tartományban lehet­

séges abszorpciót. Az abszorpciós átmenetek után bármely felsőbb szintrőlamolekulákaz Síállapot egy alsóbb szintjére jutnak s innét jön létre a spontán emissziós sugárzásos ún. fluoreszcencia átmenet szintén széles hullámhossztartományban. Tiltottakaz Sq—>Tj, So->T2 abszorpciós átmenetek. A triplett szintek betöltődése a szinglett nívókról,az ábrán hul­

lámosvonallal jelölt sugárzás nélküli átmenetekkel történik. A hosszú élettartam miatt ezek azállapotok nagyon erősen kioltódnaksugárzás nélküli átmenetekkel, ezért anem tiltott ún.foszforeszcencia átmenetek csak a kioltó effektusokháttérbeszorításával fi­

gyelhetőkmeg(mélyhőmérséklet, rigid közegbe ágyazás, stb). Létrejöhetviszonta Tj—>T2 ún.triplett-triplett abszorpciós átmenet, amelynekspektruma szintén széles.Azábrais

67.ábra

68.ábra

mutatja, hogy a Si->S0 emissziós és Tj->T2 abszorpciós energia (színkép) tartomány jelentősen fedhetikegymást Ez azt jelenti*, hogyaz oldatbanlévő triplett ál­

lapotúmolekulák elnyelik a más szinglett állapotú molekula által emittált fényt, azaz a triplett ab­ szorpció invertált közegekben a fényerősítéssel ellentétes hatást fejt ki. A festékoldatokban trip­ lett kioltókat alkalmazvaa laser energiája megnövekszik. A68.ábra szemlélteti a fenti­

ekben taglalt átmenetekhez tartozó színképeket.Jól látható a sávok szélességének és spektrális elhelyezkedésének a viszonya.

69.ábra

Ki kellemelni a széles abszorpciós sáv előnyét a vonalas abszorpciós sávval rendelkező közegekkel szemben. A 69.

ábrán az 1 görbeegyfényforrás (pl.Xe vil­

lanólámpa) emissziós spektrumának egy szakaszát szemlélteti. Haa közeg keskeny abszorpciós sávval rendelkezikés például csak a hullámhosszon abszorbeál, akkor csak az ilyen hullámhosszonbesugárzott fényt nyeliel, a sugárzás többi része hasz­

nosítás nélkül halad át az anyagon. Fes­ tékoldat széles tartományú abszorpciója estén a %2 és X3 hullámhosszak közötti

tartomány valamennyihullámhosszánlétrejönabszorpció,teháta lámpaspektrum satí­ rozott területénekmegfelelő energiátnyeli el az oldat. Ilyen abszorpciós teljesítmény növeléstbiztosított a rubin- és a neodímiumlasereknél az abszorpciós átmenetekfelső szintjénekkiszélesedése. Azábrán hatkülönböző spektrumvonalat rajzoltunk be. Ezek lehetnek nem koherens fényforrások vagy laserek spektrumvonalai.Látható, hogy kes­

keny sávban abszorbeáló közeg csaka sávjának megfelelő hullámhosszon képes ab­ szorbeálni, attól kicsit eltérő hullámhosszú fénytmár gyengítés nélkülátenged.Aszé­ les sávban abszorbeáló közeg előnyös, mert elnyeli a különböző hullámhosszú gerjesztő fényt, tehát különböző hullámhosszú sugárzással geijeszthető.

Eddig olyan laseraktívanyagokat (atom, ion, molekula) láttunk,amelyeknél a tel­

jes laserfolyamat több energiaszintközött játszódott le. Általábanaz abszorpciós és a laserfolyamat másszintekközött jött létre (Rb, Nd, N2 laserek), több estbenpedig ezek azátmenetek másmolekulákban jöttek létre (He-Ne, CO2, excimer laserek) ésjelentős energiagyujtő szerepet játszott egy hosszú élettartamú szint. A festéklaserek működé­ sében kétszint: azSq alap és az Sjgeij esztettenergiaszintvesz részt azzal a negatívnak látszó ténnyel,hogyafelső állapotélettartama rövid, tehát az inverzió nagyon nagyne­ hézségekkel tarthatófenn, ha ateljes Sj szintet akaijuk invertálni a teljes Sq szinthez. A

7O.ábra

problémamegoldásában a két laserszint kiszéle­

sedése ad segítséget. A 63. ábrán kevésatomos molekulák elektron-vibrációs termjeit mutattuk be,ahol a vibrációs termek diszkrétek.A 70. ábra sokatomos molekulák hasonló termjeit mutatja, amelyben az az eltérés, hogya nagyszámúatom, illetve atomcsoporthoz tartozó vibrációs termek gyakorlatilag minden lehetséges értéketfelvesz­

nek, azaz nem elkülönülő, diszkrét nívósokaságot adnak, hanem egy folyamatos sávot. A laser-folyamatban résztvevő molekulasokaságot az jel­

lemzi, hogy nagyon kevés akicsi rezgési energiá­ valrendelkezőkszáma, alegtöbb molekula köze­ pes rezgési energiával rendelkezik, s a rezgési

energia skálán felfele haladva csökkena molekulák száma. Teháta molekulák rezgési szinteken való eloszlását az So alapállapotban az 1 görbe mutatja. Ha valamennyi ré­

szecskét geijesztűnkaz Sjszintre, akkor ott az 1' görbeadja meg a gerjesztett moleku­

lákvibrációs szintekenvaló eloszlását. A teljes Stszintnem invertált a teljes Sqszint­

hez,mert arajtalévő molekulák száma kevesebb, mint az Soszintenlévőké. Inverzió áll fenn viszont azSjállapot legjobban betöltött vibrációs szintje ésaz So állapot magas vibrációs szintjei között. Az 1' görbe maximumától lefele berajzolt kettős nyíl ágai mutatják az invertált szint határát, azaz azt az energiatartományt, amelyben laser-átmenet jöhet létre. Ha megnöveljükapumpálás teljesítményét, akkortöbbmolekula kerüla geijesztettállapotba, ezért a 2' görbeadja meg a molekulák eloszlását.Amaxi­ mumtól induló kettősnyíl pedig a laserátmenettartományát.A pumpálás teljesítmé­

nyének növelése tehátnöveli a laserszínkép sávszélességét, mégpedig a rövid hullám­ hosszak felé való eltolódást előidézve, mint az a 68. ábrán látható (a laserszínkép kétszeresen satírozott része). Széles laserszínképet széles sávú rezonátorban lehet ellőállítani,ahola rezonátortükrei széles hullámhossz tartományban biztosítják a visz- szacsatolást. Az53. ábrán látható szelektívrezonátort alkalmazva a rácsforgatásával a lehetséges laserszínképtartományán hangolhat­

juk a lasert, miközben a laserfény egy szűk spektrumtartományban sugárzódik ki.

A festékoldatok oldószere (víz, alkohol, glicerin, stb) jól átengedi a fényt, ezért az oldat­

térfogat belsejében lévő molekulák is jól ger-jeszthetők fénnyel. A pumpáló fényforrás villa­ nólámpavagy egy másik laser lehet. A 71. ábra villanólámpás lasert mutat, ahol az aktív oldat egy hengeralakúküvettában helyezkedik el,így a laser felépítése lényegében olyan, mint a ru­ bin és Nd laserek esetén.Apumpáló impulzus azonban lényegesen rövidebb (néhányjus), ígya laserimpulzus időbeli szélessége is néhány |is.

A kivehető energia impulzusonként elérheti az

1 0,01-ÍJ értéket,ennekmegfelelően az im­

pulzusteljesítmény 1-100 kW nagyságren­ dű. A72.ábrán egy olyan pumpáló megol­

dás látható, amikor egy hengerszim­

metrikus nitrogén-fénynyalábot egy HL hengerlencsevékony vonallá képezlea ha-sáb-küvettában elhelyezettfestékoldat felü­ letére,ahol a fény abszorbeálódik ésebben a fókuszvonalban lévő térfogatban inverzió jön létre. A Tj és T2tükrök által létesített rezonátor tengelyét helyezzükaz invertált térfogattengelyére,ekkor erősítés jön létre és laserfény lép ki a T2 kicsatoló tükrön.

Ebbenaz ún. transzverzális elrendezésben a pumpáló ésafestéklasertengelyeimerő­ legesekegymásra. Közös tengelyű ún. longitudináliselrendezésépíthetőmega 73.ábra szerint. Itt a nitrogénlaserfényétegy gömblencse fókuszálja aK küvetta belsejébe. A fókusznyak helyén keletkezik az inver­

zió s aTj és T2 tükrök alkotta rezoná­

torbangenerálódik alaserfény. A Ti tü­

kör reflexiós színképét úgy kell megválasztani, hogy a pumpáló laserfényt gyengítés nélkül átengedje,de a festéklaser fényének hullámhosszán 100 % visszaverődést biztosítson. Ez a feladatma már tetszőleges hullámhossz

kombinációkban megoldható a korábbanbemutatottdielektrikum rétegtükrökkel.

72.ábra

Az említett termikus torzulások (különösen impulzuslámpás pumpálásoknál), va­ lamint a triplett állapotú molekulákszámának megnövekedését követő triplett-triplett abszorpció a laserműködést lerontják, esetleg lehetetlenné teszik, ezért nagyobb ismét­

lési frekvencia esetén az oldat áramoltatásával, illetve keverésével lehet megoldani, hogy impulzusról-impulzusra újabb oldat kerüljön a gerjesztett térfogatba. Például folytonos argonlaserrelpumpált folyamatos üzemű festéklasemél az oldat gyors cseré­

jétúgy oldják meg, hogy apumpáló fénythenger vagy gömblencsével fókuszáljákés a nagy energiasűrűségű fókusznyak vagy fókuszvonal helyén egyspeciálispumpaés fú- vókaszelep segítségével folyadéknyalábot fújnak át.Úgy képzikki a fúvókát, hogy ezen ahelyen a nagysebességű folyadéksugár síklap alakú legyen.A nagysebességű folyadék arezonátorban fénysebességgel oszcilláló laserfényhez képestállónak tekinthető, ezért az áramlás nem befolyásolja a laserfolyamatot,de a pumpálást követően torzult oldat­ térfogatot mégisgyorsankicseréli.

Természetesen a festéklaser fényének spektrális sávszélességét, a sávsúlypont hullámhosszát a rezonátor,illetve az aktív közeg határozza meg. Haúgy oldjukmeg, hogybármelyik pumpálási mód esetében abra) arezonátor tengelyében levő küvetta cserélhető legyen (a revolveragy egyszerűelforgatásával, vagy transzverzáliseltolással), akkor ha a küvetták a 74. ábra felső részén látható termekkel rendelkező oldatokat tar-

talmazzák,szélessávúrezonátorbanaz ábra alsó ré­ szén látható lasersávokat kapjuk, azaz néhány ol­

dattal a látható színképtartomány bármely részén lehet laserfényt előállítani. Szelektív rezonátor ese­

tében a rács helyzetének megfelelő beállításával és a megfelelő oldatot tartalmazó küvettabeforgatásá­ val keskenysávú hangolható laser áll rendelkezé­ sünkre.

A festéklaserek a hangolhatóság, a viszony­

lagegyszerű és olcsó műszakimegoldás miattna­

gyonszéleskörben elteijedtek a különböző tudo­

mányos-technikai feladatok megoldásánál. A spektroszkópia sokoldalú fényforrása, a nagyon rövid időtartamú fényimpulzusok előállításának nélkülözhetetlen eszköze. Sok olyan előnyös tulaj­

donsága van, amely a laserterápia területén való felhasználást indokolná,ennekellenére a széleskö­ rű alkalmazás még várat magára. Mindenbizony­

nyal a szükséges alapkutatásoknakkell kijelölni a pontosfelhasználási lehetőséget a festéklaserek el­

tévedéséhez.

74.ábra

In document Rédey Tibor - Kozma László (Pldal 57-65)