5. 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 ~ 1025 - 10 26 Nd-ion/m3
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
Nitrogénlézer
Lézeranyag: ~0,2 bar nyomású N2 gáz 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 lézerátmenet a N2 két triplett állapota között történik.
A molekulapályák betöltése az N
2,alapállapotában (X)
és két triplett gerjesztett állapotában (B,C)
Az N
2molekula lézerátmenete
A nitrogénlézer felépítése
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 ?
ArF 193 nm KrF 248 nm XeF 351 nm KrCl 222 nm XeCl 308 nm XeBr 282 nm
Az excimerlézerek alkalmazásai
Jellemző tulajdonságok:
- 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.
Inverz populáció érhető el az Ar+ ion egyes gerjesztett állapotaiban, náluk kisebb energiájú gerjesztett állapotokhoz képest.
}
A lézersugárzás az Ar+ ionoktól származik! („Argonion”lézer)
Az Ar a 18. elem.
Ar-atom konfigurációja:
1s
22s
22p
63s
23p
6Ar
+-ion legkisebb energiájú konfigurációja:
1s
22s
22p
63s
23p
5Argonlézer
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
CO
2-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
2-molekula normál rezgései
O C O O C O O C O
szimmetrikus nyújtás deformáció aszimmetrikus nyújtás
v1 v2 v3
A három normálrezgés gerjesztettségét jellemző kvantumszámok.
A CO
2és a N
2rezgési-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:
• fémmegmunkálás
• sebészet
• spektroszkópiában plazmák előállítása
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.
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
C2+
C+ C+
C3+
C+ C C2+
C+
C2+
C+
emission in arb. units
wavelength in nm