Nd-YAG kristály energiaszint diagramja 3.5

LÉZERSPEKTROSZKÓPIA

Ábragyűjtemény

2007/2008 tanév

2.1. ábra. Optikai rezonátor

Módus sáv- szélesség

A lézerátmenet sávja

Az átmenet félérték-szélessége

Axiális módusok

≈

ν₀

2.2. ábra. Axiális módusok

3.1. ábra. A Cr³⁺ ion energiaszint-diagramja rubinkristályban

3.3. ábra. Rubinkristály abszorpciós és emissziós spektruma 3.2. ábra. A rubinkristály lézerátmenetei

4f³

4F

4I

9/2

15/2 7/2

13/2 5/2

11/2 3/2

J=9/2 (alapállapot) (L=6, S=3/2)

(L=6, S=3/2)

1064.3 nm 1064.8 nm konfiguráció

állapotok

vektorrmodell spin-pálya

csatolás kristálytér- felhasadás

3.4. ábra. Nd-YAG kristály energiaszint diagramja

3.5. ábra. Nd-YAG kristály abszorpciós színképe

3.6. ábra. Nd-YAG-kristály és Nd-üveg emissziós színképe (folytonos ill.

szaggatott vonal)

3d¹

2E_g

T_2g

Vektor-modell Kristálytér- felhasadás

2D

2A₁

2E

2E_1/2

2E_3/2

2E

2E_1/2

2E_3/2

2A1(1/2) 2A_1(3/2)

kölcsönhatás

rácsrezgésekkel Spin-pálya csatolás

Lézerátmenet 690 - 1000 nm

3.7. ábra. Ti³⁺ ion energiaszintjei zafírkristályban

3.8. ábra. Ti³⁺ ionnal szennyezett Al₂O₃ abszorpciós, emissziós és lézerspektruma

3.9. ábra. Ionkristály-lézerek felépítése

MOLEKULA KRISTÁLY

ELEKTRON- SZERKEZET

Megengedett (részben betöltött)

Megengedett (betöltött) Megengedett (üres)

Tiltott

Tiltott

MOLEKULA-

PÁLYÁK SÁVOK

E

4.1. ábra. Molekula és kristály elektronszerkezete

4.2. ábra. Kristályos szigetelők, vezetők és félvezetők elektronszerkezete

4.3. ábra. Elektrondiffuzió p-n határrétegben

4.4. ábra. Nyitóirányú feszültség hatása p-n határrétegre

4.5. ábra. Lézerátmenet p-n 4.6. ábra. Diódalézer határrétegben

4.7. ábra. A CH₂F₂ molekula nagyfelbontású infravörös színképe diódalézerrel mérve

5.1. ábra. A hélium és a neon energiaszint diagramja

a b

5.2. ábra.

(a) A molekulapályák betöltése az N₂, alapállapotában (X) és két triplett gerjesztett állapotában (B,C)

(b) Az N₂ molekula lézerátmenete

5.3. ábra. A nitrogénlézer felépítése

5.4. ábra. Excimermolekula energiaszint-diagramja

5.5. ábra. Az argonion energiaszint-diagramja

+ 500V, 60A -

katód anód kilépő tükör

R=98%, T=2%

végtükör R=100%

diszperziós elem

5.6. ábra. Argonlézer felépítése

5.7. ábra. A CO₂ és a N₂ rezgési-forgási szintjei

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

5.8. ábra. Szénplazma emissziós spektruma

o N N

(H

C

)

+ (C

H

)

COOH

6.1. ábra. Rodamin B

6.2. ábra. Jablonski diagram

S₀ S₁ S₂

T₁ T₂

6.3. ábra. Egyszerűsített Jablonski diagram

14,000 16,000 18,000

Hullámszám / cm^-1

Fluoreszcencia intenzitás (Sávmaximumra no

rm

álva)

IF

Molá

ris abs

zorpc

iós tényező / l mol cmε -1-1

Hullámhossz / Å

20,000 22,000

0 0

20,000 40,000 60,000 80,000

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

7000 6000 5000

ε_s

6.4. ábra. Rodamin-B abszorpciós és emissziós színképe metanolos oldatban

Optikai rács

Teleszkóp

N lézer₂

Kilépő tükör Festékcella Pumpáló fény

6.5. ábra. Átfolyó küvettás festéklézer

hangoló ék

stop kollimátor R = 100 % pumpáló tükör

R = 100 % vég

tükör R = 100 %

R = 85 % T = 15%

festéksugár (jet)

6.6. ábra. Folyadéksugaras festéklézer

pumpáló fény

T

T T

T festéksugár (jet)

„optikai

dióda” hangoló elemek

6.7. ábra. Gyűrű-festéklézer ("ring laser")

400 500 600 700 800 900

0.01 0.1 1.0

Hullámhossz [nm]

Tipikus lézersugár energia [W]

Polyphenyl 1

Stilben C450

C490C530 Sodium fluorescein

R6G R101

Oxazine 1 DEOTC-P

HITC-P

Festéklézer működési tartománya különböző festékekkel

6.8. ábra. Festéklézer működési tartománya különböző festékekkel

Módus sáv- szélesség

A lézerátmenet sávja

Az átmenet félérték-szélessége

Axiális módusok

≈ ν

ν

7.1. ábra. Axiális módusok

7.2. ábra. Polarizációs viszonyok megtört, ill. visszavert fénysugár esetén

E

a)

E _p b)

E

c)

t lézer-

teljesítmény

t lézer-

teljesítmény

t Q

t Q

villanólámpa teljesítmény

t villanólámpa

teljesítmény

t

t inverz

populáció lézerküszöb

t inverz

populáció lézerküszöb

7.3. ábra Q-kapcsolás

lézerrúd lézerrúd

7.4. Q-kapcsolás forgó tükörrel

V

Tükör Lézer- Tükör

anyag

Polarizátor

Pockels-cella

függőleges

V

Tükör Lézer- Tükör

anyag

Polarizátor

Pockels-cella

függőleges

V bekapcsolva V bekapcsolva V bekapcsolva

V kikapcsolva V kikapcsolva V kikapcsolva

7.5. Elektrooptikai Q-kapcsolás

blelépő

sugár eltérített

sugár eltérítetlen

sugár

Piezoelektromos rezgéskeltő blelépő

sugár eltérített

sugár eltérítetlen

sugár

Piezoelektromos rezgéskeltő

7.6. ábra. Elektroakusztikai Q-kapcsolás

végtükör lézerrúd festékcella kilépő tükör végtükör lézerrúd festékcella

végtükör lézerrúd festékcella kilépő tükör

7.7. ábra Passzív Q-kapcsolás (móduscsatolás)

végtükör

~200 ps (6 cm) prizma

+modulátor

kicsatolt energia végtükör

~200 ps (6 cm) prizma

+modulátor végtükör

~200 ps (6 cm) prizma

+modulátor

kicsatolt energia

7.8. ábra. Móduscsatolás

LiNbO₃ IR LiNbO₃

szűrő

1,06 μm 530 nm

és1,06 μm 530 nm hangolt sugárzás hőmérséklet-

szabályozás Nd-YAG

LiNbO₃ IR LiNbO₃

szűrő

1,06 μm 530 nm

és1,06 μm 530 nm hangolt sugárzás hőmérséklet-

szabályozás Nd-YAG

7.9. ábra. Optikai parametrikus oszcilláció

jelfeldolgozás

referencia fényforrás monokromátor

minta

sugárosztó

tükrök

detektor detektor

kijelzés

8.1. ábra. Kétsugaras UV/látható spektrométer

R e f e r e n c ia d e te k to r

A b la k

K a p illá r is + m in ta

M in ta d e te k to r

8.2. ábra. Fényabszorpció mérése kapillárisban

λ1

1. lézer

D etektor T eleszkóp

2. lézer λ2

8.3. ábra. LIDAR

Végtükör

Festék Kilépő

tükör ¹²⁷I₂ ¹²⁹I₂

Fluoreszcencia detektorok

8.4. ábra. Rezonátoron belüli abszorpció mérése

8.5. ábra. Üreglecsengési spektroszkópiai mérőrendszer (Cavity ring- down spectroscopy)

folytonos lézer

monokro- mátor

PMT

lock-in regiszt- ráló minta

fényszag- gató

9.1. ábra. Fluoreszcencia-mérés folytonos lézerrel

PMT számláló

erősítő + diszkriminátor

9.2. ábra. Fotonszámlálás

impulzus lézer

monokro-

mátor PMT boxcar

regiszt- minta ráló

trigger

9.3. ábra. Fluoreszcencia-mérés impulzuslézerrel

9.4. ábra. P- etoxi-anilin SVLFszínképe (felül gerjesztési, alul emissziós) PCCP 1, 2279 (1999)

folytonos lézer

monokro- mátor

PMT

boxcar regiszt- ráló minta

fényszag- gató folytonos

lézer

monokro- mátor

PMT

boxcar regiszt- ráló minta

fényszag- gató

10.1. ábra. Időfelbontásos emisszió mérés boxcar-os rendszerrel.

10.2. ábra. Villanófény fotolízis: tranziens abszorpció mérése

10.3. ábra. Villanófény fotolízis tranziens emisszió mérése

10.4. ábra. Foszfolipid vezikula kettősrétegében oldott porfirin triplett lecsengése oxigén jelenlétében

10.5. ábra. Foszfolipid: sejtmembránokban található anyagok, hidrofil

„fejjel” és lipofil „farokkal”

vezikula

Foszfolipid kettõsréteg

Hidrofób szenzibilizátor

10.6. ábra. Egy foszfolipid vezikula (idealizált) szerkezete, feltüntetve az apoláros próbamolekula legvalószínűbb helyét.

10.7. ábra. Triplett antracén abszorpciós spektruma A: hexánban,

B: DMPC vezikulában 25^oC-on, C: DMPC vezikulában 18^oC-on.

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

fényintenzitás megváltozása (mV)

-5E-05 5E-05 0.00015 0.00025 0.00035

idő (s)

CCl4 MK 31

10.8. ábra. Szingulett oxigénnel reagáló akceptor fogyása az akceptor abszorbanciájának mérésével.

idő-ampl.

átalakító analóg-digitál

átalakító számítógép

impulzuslézer

minta

monokromátor trigger

PMT START

STOP

10.9. ábra. Időkorrelált egyfotonszámlálás mérőrendszer

10.10. ábra. Níluskék festék fluoreszcencia-lecsengése toluolban

Folytonos lézer Modulátor Minta

Monokromátor PMT

Lock-in

( fázisérzékeny detektor)

Referencia

jel szűrő

Folytonos lézer Modulátor Minta

Monokromátor PMT

Lock-in

( fázisérzékeny detektor)

Referencia

jel szűrő

10.11. ábra. Fázismodulációs mérőrendszer

Impulzus lézerből

M

5-10%

próba pumpa

D

Optikai úthossz változtatás (s)

időkésés (Δt) saroktükör

Impulzus lézerből

M

5-10%

próba pumpa

D

Optikai úthossz változtatás (s)

időkésés (Δt) saroktükör

10.12. ábra. Pumpa-próba mérőrendszer I: tranziens abszorpció mérése egy lézerrel

argonlézer

R6G festéklézer DCM festéklézer

fény- osztó

saroktükör

dikroikus tükör

minta

detektor pumpasugár

próbasugár 10-20 ps

10000 ps

10.13. ábra. Pumpa-próba mérőrendszer II: tranziens abszorpció két lézerrel

0 0.00002 0.00004 0.00006

620 640 660 λ [nm]

Jel

10.14. ábra. Níluskék metanolos oldatának tranziens abszorpciója pumpa-próba módszerrel mérve (λpumpa = 586 nm)

0 50 100

0 500 1000 t [ps]

10.15. ábra. Níluskék tranziens absz. lecsengése vizes oldatban pumpa- próba módszerrel mérve (λpumpa = 586 nm, λpróba = 647 nm)

Ti-zafír lézer

BBO dikroikus tükör

minta

saroktükör

BBO szűrő

szűrő mono- kromátor

PMT

ω ω

2ω

ω_F

ω+ω_F

10.16. ábra. Pumpa-próba Módszer III: tranziens emisszió mérésére:

„Fluorescence up-conversion” Femtoszekundumos folyamatok vizsgálatára használható

O CN NC

CH₃

N CH3

CH3

Magyarázat: a kisebb hullámhosszakon gerjeszthető S2, S3 állapotokból töltődik fel az S1 P. van der Meulen, J.Phys. Chem. 100, 5367 (1996)

10.17. ábra. DCM lézerfesték fluoreszcencia-lecsengése etilénglikolban

Jelfeldolgozó elektronika

Fotoelektronsokszorozó Folytonos lézer

Kétrácsos monokromátor

Minta

Stop

11.1. ábra. Diszperziós Raman-spektrométer

Nd-YAG lézer mozgó tükör álló tükör

minta

detektor fényosztó

szűrők

11.2. ábra. FT-Raman spektrométer

(A) Diszperziós Raman-készülék, λexc=514,5 nm (B) FT-Raman készülék, λexc=1064 nm

11.3. ábra. Antracén Raman-színképe

Búzaszem

11.4. ábra. Raman mikroszkóp

virtuális E szint

a b 2 foton

virtuális E szint

a b 2 foton

Stokes anti-

11.1. ábra. Hiper Raman effektus

11.5. ábra. Hiper Raman effektus

virtuális E szint

a b hν_L

hν_S

11.2. ábra. Stimulált (indukált) Raman effektus

2 hν_S

L: lézer foton S: Stokes foton

nitrobenzol

hν_L

hν_L hν_S

11.6. ábra. Stimulált (indukált) Raman effektus

oszcillátor ν^L

ν^L ν^S

generátor

ν^S

tükör tükör

"Raman

ν^S ν^S

ν^L ν^L

erősítő

ν^L ν^S erősödik

11.3. ábra. Kísérleti megvalósítások 11.7. ábra. Kísérleti megvalósítások

νS

lézer

dikroikus tükör νL

νS νL

detektor

11.8. ábra. Inverz Raman spektrométer

ν _A fo ly ad é k

ν _L ν _L ν _S

1 1.5. ábr a. C A R S ala pk ís é rlet11.9. ábra. CARS alapkísérlet

ν_L ν_{A S} ν_L ν₂

ν₁ ν₁ ν₃

b a

11.10. ábra. CARS termdiagramja

PMT

fényosztó ν₃ ν₂

Ar-lézer hangolható

festéklézer minta

ν₁

11.11. ábra. CARS készülék

11.12. ábra. Kloroform Raman (a) és IR (b) spektruma

11.13. ábra. C₆₀ FT-Raman spektruma

11.14. ábra. Kétatomos molekula forgási energiaszintjei és a Raman- átmenetek

11.15. ábra. Kétatomos molekula Raman-spektruma

11.16. O₂ tiszta rotációs inverz Raman-spektruma

11.17. ábra. O₂ Q-ágának Raman-erősítési spektruma

lock-in hangolható

lézer fényszag- minta

gató

kijelző mikrofon

x

ref. y

jel

12.1. ábra. Fotoakusztikus spektrométer folytonos lézerrel

12.2. ábra. a) U(IV) vizes oldatának abszorpciós spektruma.

Konc.: ~8*10^-3 mol/l

12.2. ábra. b) U(IV) vizes oldatának fotoakusztikus spektruma impulzus- festéklézerrel mérve.

Konc.: ~8*10^-3 mol/l

Kimutatási határ 8*10^-7 mol/l

12.3. ábra. Pu(IV) Pu(VI) vizes oldatának fotoakusztikus spektruma impulzus-festéklézerrel mérve. Konc.: 2*10^-5 mol/l. Kimutatási határ 3*10^-

8 mol/l, ill. 7*10^-8 mol/l.

12.4. ábra. Am(III) vizes oldatának fotoakusztikus spektruma impulzus-festéklézerrel mérve.

Konc.: 1,6*10^-5 mol/l.

Kimutatási határ 2*10^-8 mol/l

12.5. ábra. Am(III) vizes oldatának fotoakusztikus spektruma impulzus-festéklézerrel mérve.

Konc.: 1,6*10^-5 mol/l.

Kimutatási határ 2*10^-8 mol/l

12.6. ábra. Metán nagyfelbontású fotoakusztikus spektrum-részlete A) 100 K-en

B) 298 K-en

kijelző hangolható

lézer

minta

“pinhole”

detektor erősítő

12.7. ábra. Termikus lencse spektrométer egy lézerrel

próba

pumpa lock-

in

kijel- ző

detektor fényszaggató

referencia

x

y

12.8. ábra. Termikus lencse spektrométer két lézerrel

12.9. ábra. Nd(III) termikus lencse spektruma különböző hőmérsékleteken. Konc.: 1*10^-3 mol/l.

próba

lézer lock-

in

kijel- ző

detektor fényszaggató referencia

x

y

pumpa fényosztó

13.1. ábra. Telítési spektrométer

13.2. ábra. a) NO₂ fluoreszcencia-gerjesztési spektruma 300 K-en.

Nyomás 0,04 torr. b): Tiszta NO₂ spektruma szuperszonikus molekulasugárban. c): Ugyanaz argon-vivőgázban (NO₂ tartalom: 5%)

13.3. ábra. a) Cs₂ fluoreszcencia-gerjesztési spektruma gázcellában mérve b) Cs₂ fluoreszcencia-gerjesztési spektruma szuperszonikus

molekulasugárban mérve

http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/6720449.stm lézerfény

gyújtó lézerfény

14.1. ábra. Lézeres magfúzió: deutérium-trícium kapszula robbanása

14.2. ábra. Két-foton mikroszkóp

14.3. ábra. Lézeres hűtés. Minta: kisnyomású Cs-133-gőz

14.4. ábra. Globális helymeghatározó rendszer (GPS)

14.5. Lézeres szaruhártya-műtét (LASIK)

14.6. A fotodinamikus terápia sémája