3. Szennyezett ionkristály lézerek

3. Szennyezett ionkristály lézerek

A lézerközeg: fémoxid v. fémhalogenid, amelyben a

fémionok kis részét másik fémion („szennyező”) helyettesíti Egykristály: kis spektrális szélesség

Üveg: széles sávban sugároz.

Lézerátmenet: a szennyező ion energiaszintjei között történik.

Lézerspektroszkópia az interneten

http://web.fkt.bme.hu/lezersp/

Letöltés: jobb egérgombbal

A fémionok energiaszintjei

(A többelektronos atomok szerkezete c. KASZ fejezet rövid ismétlése)

Az energiaszintek három lépésben vezethetők le.

1. lépés: Független részecske-modell (centrális erőtér-modell)

• az elektronokat egymástól különválasztja

• minden elektron

gömbszimmetrikus pályán mozog, amely a mag

vonzásából és az

elektronok taszításából tevődik össze (a többi elektron által leárnyékolt mag tere).

Az erőtér centrális, mint a hidrogénatomé.

n, és m kvantumszámmal jellemzett atompályák vannak, amelyeken 0, 1, v. 2 elektron helyezkedik el.

Ennek összesítése az elektronkonfiguráció.

Az atom állapotát és az ahhoz tartozó energiát az elektronkonfiguráció egyértelműen meghatározza.







i

AO

E

E

2. lépés: Vektormodell

Figyelembe veszi a mozgó elektronok kölcsönhatását.

Az atom állapotát az n főkvantumszám és a csoportkvantumszámok jellemzik.

L csoport-mellékkvantumszám

Zárt héjakra : L = 0

Nyílt héjakra : 1 db elektron:

2 db elektron:

  L

2 1

2 1

2

1

 ,   1   

    

 L

2-nél több elektron: még bonyolultabb

S csoport-spinkvantumszám

2 /

 1





S 

2 1

2

1 _s

,

S  

     

0 vagy 1 Zárt héjakra : S = 0

Nyílt héjakra : 1 db elektron:

2 db elektron:

2-nél több elektron: még bonyolultabb

3. lépés: Spin-pálya csatolás

Könnyű elemeknél: J = L+S, L+S-1 …, |L-S|

Nehéz elemeknél: másképp.

Az energiaszintek finoman felhasadnak, a J csoport- belsőkvantumszám szerint, amely a L és S

csoportkvantumszám kombinációjaként képezhető.

Az atom (vagy egyatomos ion) állapotának jelölése

J 1

2S L

n ^

Kristályokban ezt 4. lépés követi:

Kristálytér-felhasadás

Ha az iont körülvevő tér nem gömbszimmetrikus, újabb felhasadás.

Egyes kristályokban E(spin-pálya)>E(kristálytér) Más kristályokban E(spin-pálya)<E(kristálytér)

Egyatomos ionok elektronszerkezetének szimmetriája:

Izolált ionok: gömbszimmetrikus

Kristálytérbeli ionok: pontcsoport-szimmetria (l. molekulák)

Theodore Maiman rubinlézere

Rubinlézer

Rubin: Al₂O₃ ~0.05 m/m% Cr³⁺ szennyezővel.

Cr a 24. elem

Cr atom konfigurációja: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹ Cr³⁺ ion konfigurációja: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³

Rubin kristály abszorpciós és emissziós

spektruma

Neodímium-YAG lézer

Gazdarács: Y₃Al₅O₁₂

YAG = ittrium-alumínium gránit = yttrium aluminium garnet Szennyező ion: Nd³⁺ (az Y³⁺ ionok ~1%-a helyett)

A Nd a 60. elem.

A Nd-atom konfigurációja:

KLM4s

4p

4d

4f

5s

5p

6s

A Nd

-ion konfigurációja:

KLM4s

4p

4d

4f

5s

5p

Nd-YAG lézer energiaszint-diagramja

4 f ³

4F

4I

9 / 2

1 5 / 2 7 / 2

1 3 / 2 5 / 2

1 1 / 2 3 / 2

J = 9 / 2 ( a l a p á l l a p o t ) ( L = 6 , S = 3 / 2 )

( L = 6 , S = 3 / 2 )

1 0 6 4 . 3 n m 1 0 6 4 . 8 n m k o n f i g u r á c i ó

á l l a p o t o k

v e k t o r r m o d e l l s p i n - p á l y a

c s a t o l á s k r i s t á l y t é r - f e l h a s a d á s

Nd-YAG kristály abszorpciós színképe

Nd-YAG kristály és Nd-üveg emissziós

színképe (foly. ill. szaggatott vonal)

Titán-zafír lézer

Lézerközeg: Ti³⁺ ionokkal szennyezett Al₂O₃ Ti a 22. elem

Ti atom konfigurációja: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s² Ti³⁺ ion konfigurációja: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹

Ti

ionnal szennyezett Al

O

abszorpciós,

emissziós és lézerspektruma

3 d ¹

2E _g

T_{2 g}

V e k to r- m o d e ll K ris tá ly té r- fe lh a s a d á s

2D

2A ₁

2E

2E _{1 / 2}

2E _{3 /2}

2E

2E _{1 /2}

2E _{3 / 2}

2A 1(1 / 2 ) 2A _{1 (3 / 2 )}

k ö l c s ö n h a t á s

r á c s r e z g é s e k k e l S p i n - p á l y a c s a t o lá s

L é z e r á t m e n e t 6 9 0 - 1 0 0 0 n m

Szilárdtest lézerek felépítése