A Ne elektronkonfigurációi és állapotai

3. GÁZLÉZEREK

Lézeranyag: kis nyomású (0,1 - 760 Torr) gáz, vagy gázelegy Lézerátmenet: elektronszintek között (UV és látható lézerek)

rezgési szintek között (infravörös lézerek)

forgási szintek között (távoli infravörös lézerek) Pumpálás: elektromos energiával, gázkisülést létrehozva

(optikai pumpálásnak nincs értelme,

mert a gázok abszorpciós vonalai keskenyek)

Méret: sokkal nagyobbak a szilárdtestlézereknél, mivel kisebb a lézeraktív anyag koncentrációja.

Például: He-Ne lézer ~ 10²¹ molekula/m³

Nd-YAG lézer ~ 10 - 10 Nd-ion/m

Hélium-neon lézer

Lézeranyag: ~10:1 arányú He/Ne elegy, össznyomás ~1 torr A lézerátmenet a Ne atomoktól származik, a He segédanyag

A Ne elektronkonfigurációi és állapotai

A Ne a 10. elem

Alapállapotú konfiguráció: 1s²2s²2p⁶ Gerjesztett konfigurációk:

1s²2s²2p⁵3s¹ 1s²2s²2p⁵4s¹ 1s²2s²2p⁵5s¹ 1s²2s²2p⁵3p¹ 1s²2s²2p⁵4p¹

4-4 állapot

10-10 állapot

A hélium és a neon energiaszintdiagramja

A HeNe lézer tulajdonságai:

• kis teljesítmény (az utolsó dezaktíválódási lépés a cső falához történő ütközéssel játszódhat le, keskeny cső)

• kis spektrális sávszélesség (~ 2 pm)

• kiváló ”sugárminőség”

• könnyű, hordozható

Alkalmazások: távolságmérés, holográfia

Nitrogénlézer

Lézeranyag: ~0,2 bar nyomású N₂ gáz 3 szintes lézer!

A N₂ 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 molekulapályák betöltése az N

alapállapotában (X)

és két triplett gerjesztett állapotában (B,C)

Az N

molekula lézerátmenete

A nitrogénlézer felépítése

A nitrogénlézer tulajdonságai

• Impulzuslézer (a lézerátmenet alsó szintje lassan ürül ki), imp. hossz 1-40 ns, a nyomással csökken

• ultraibolya!

• Olcsó

Alkalmazások: festéklézerek pumpálása

MALDI

Excimerlézerek

Excimer = excited dimer

Olyan dimer, amely gerjesztett elektronállapotban stabil, de alapállapotban nem. Pl. Xe₂ molekula

Exciplex = excited complex

Olyan komplex, amely gerjesztett állapotban stabil, de alapállapotban nem.

Nemesgázok halogénekkel képeznek ilyen komplexet.

Az excimerek és exciplexek stabilitásának oka:

a gerjesztett állapot részlegesen ionos jellegű,

a halogénatom részben átvesz egy elektront a nemesgáztól.

Excimermolekula energiaszint-diagramja

Excimerlézerek hullámhossza

Xe₂ ?

XeF 157 nm ArF 193 nm KrF 248 nm KrCl 222 nm XeCl 308 nm XeBr 282 nm

Technikai szempontok

A gázelegyet a fluor korróziós hatását kibíró csőbe kell tölteni:

fémcső perfluorozott műanyag bevonattal

Felületek megmunkálása: a hullámhossz csökkenésével javul az optikai felbontás, ebből a szempontból XeF lézer a legjobb, ezt követi az ArF, majd KrF. Az elérhető működési frekvencia és az impulzusonkénti energia sorrendje fordított.

Az excimerlézerek tulajdonságai

- Az UV-tartományban működnek

- Viszonylag széles tartományban hangolhatók - Impulzusüzeműek

- Energiájuk nagyobb a N₂-lézernél

Alkalmazások: rétegek megmunkálása UV-fénnyel fotokémiai kísérletek

Argonlézer

Lézer közeg: ~0,5 torr nyomású Ar-gáz, kisülési csőbe töltve Kisülésben - gerjesztett molekulák

- alapállapotú ionok jönnek létre (plazma) - különböző gerj. áll. ionok

A kisülési cső működési jellemzői: áramerősség, feszültség, nyomás, hőmérséklet - ezektől függ az Ar⁺ ionok populációja különböző energiaszinteken.

}

A lézersugárzás az Ar⁺ ionoktól származik! („Argonion”lézer)

Az Ar a 18. elem.

Ar-atom konfigurációja:

1s

2s

2p

3s

3p

Ar

-ion legkisebb energiájú konfigurációja:

1s

2s

2p

3s

3p

Argonlézer

energiaszint-diagramja

Argon-lézer felépítése

+ 5 0 0 V , 6 0 A -

k a t ó d a n ó d k i l é p ő t ü k ö r

R = 9 8 % , T = 2 % v é g t ü k ö r

R = 1 0 0 % d i s z p e r z i ó s

e l e m

Az argonlézer tulajdonságai

- Nagy teljesítményfelvétel - Rossz hatásfok (ionizáció!) - Kis spektrális sávszélesség

- folytonos üzemmód (impulzus üzemmód móduscsatolással)

Alkalmazások: spektroszkópia (pl. Raman-készülék fényforrása) szemsebészet

CO

-lézer

Lézer közeg: ~ 1:1 arányú CO₂-N₂ elegy

zárt változat: - ~10 torr nyomású gáz zárt kisülési csőben

nyitott változat - ~ atmoszférikus nyomású gáz nyílt kisülési csőben A lézer átmenet a CO₂-molekula gerjesztett rezgési állapotai között történik, ezért infravörös fényt ad.

A N₂ segédanyag.

A CO

-molekula normál rezgései

O C O O C O O C O

szimmetrikus nyújtás deformáció aszimmetrikus nyújtás

A CO

és a N

rezgési-forgási szintjei

Előny:

Az elektromos energiát nagy hatásfokkal (10-20 %) infravörös fénnyé alakítja.

- folytonos és impulzus üzemmódú lézer is készíthető

- a folytonos üzemmódú ~100 kW energiájú fényt is adhat

Felhasználás:

Lézerplazma távolról

Lézerplazma közelről

Plazmaspektrum 1.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

0 50 100 150 200 250

N⁺ N C2 Swan N⁺

CN violet band

v=-1

v=+1

v=0

emission in arb. units

Plazmaspektrum 2.

1000 1500 2000 2500 3000 3500

C²⁺ C⁺ C³⁺

C⁺ C C²⁺

C⁺

C²⁺

ission in arb. units