A lézerek működése

(Keszei Ernő: Femtokémia: a pikoszekundumnál rövidebb reakciók kinetikája, A kémia újabb eredményei, 86. kötet, Akadémiai Kiadó Budapest, 1999)


A lézerek működésének alapjai

A lézer az angol Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kifejezésből alkotott "laser" mozaikszó hangutánzó magyar átírása. Az elnevezés elárulja a lézerműködés alapvető mozzanatát, az indukált fénykibocsátást. Ha valamely átlátszó anyagi közegben vannak olyan atomok vagy molekulák, amelyeknek két energiaszintje közötti energiakülönbség éppen megfelel egy olyan foton energiájának, amit a kisebb energiájú állapot elnyelni, a nagyobb energiájú állapot pedig kibocsátani képes, akkor egy ilyen foton indukálja a nagyobb energiájú állapot átmenetét a kisebb energiájú állapotba, melynek során az indukáló fotonnal azonos tulajdonságú: azonos hullámhosszú, irányú és fázisú foton bocsátódik ki. Ugyanezt a fotont azonban a kisebb energiájú állapotban lévő atom vagy molekula el is nyelheti. A lézer működéséhez ezért arra van szükség, hogy a fénykibocsátó nagyobb energiájú állapot betöltöttsége nagyobb legyen, mint a fényelnyelő kisebb energiájú állapoté. Azt a hullámhossztartományt, amelyben a fénykibocsátás mértéke nagyobb, mint a fényelnyelésé, a lézer erősítési sávjának nevezzük. Ezen a sávon kívül eső hullámhosszakon a lézer veszteséges.

A fényerősítés hatásfoka jelentősen növelhető, ha ugyanaz a foton többször is áthaladhat az erősítő közegen, hiszen minden áthaladás során kiválthat újabb fénykibocsátást. Az erősítők leírására használt szaknyelvben ezt visszacsatolásnak nevezik. A lézerek fontos alkotórésze ezért az ún. rezonátorüreg, amit a berendezés két végén elhelyezett tükrök határolnak. Ezeket a tükröket úgy kell beállítani, hogy a közöttük fellépő interferencia az erősítési sávban lévő megfelelő hullámhosszra nézve erősítő (konstruktív) interferencia legyen.

Tekintsük át, hogyan játszódik le a fényerősítés a rezonátorüreg két tükre közé helyezett erősítő közegben. Az erősítőben mindenekelőtt azt kell biztosítani, hogy a lézerműködést lehetővé tevő energiaszintek közül a magasabb szint betöltöttsége nagyobb legyen, mint az alacsonyabbé. Tudjuk, hogy ez általában nem így van, hiszen a molekuláris energiaszintek betöltöttsége Boltzmann-eloszlást követ, amely szerint az energia növekedésével az energiaszintek betöltöttsége exponenciálisan csökken. A lézerműködéshez ennek a betöltöttségnek a megfordítására, latin eredetű szóval populációinverzióra van szükség. Ennek elérését, illetve fenntartását a magasabb szintre történő szivattyúzással, holland eredetű szóval pumpálással végzik, amit különböző módszerekkel lehet megvalósítani. Ha a rezonátorüregben pumpálással fenntartják a populációinverziót, akkor a magasabb energiaszintű állapotok véletlenszerűen, spontán is bocsátanak ki fotonokat. Ezek a fotonok további fotonok kisugárzását indukálják, és ha irányuk éppen olyan, hogy a rezonátorüreg tükrei között oda-vissza verődnek, akkor minden egyes áthaladás során további fotonok kisugárzását indukálják, amelyek velük megegyező hullámhosszúak, irányúak és fázisúak. Ha gondoskodnak a folyamatos pumpálásról, akkor egyre több energia koncentrálódik a rezonátorüregben, koherens fotonok formájában. Ez az energiaforrás úgy "csapolható meg", ha a rezonátorüreg egyik végén lévő tükör részben áteresztő. Ekkor a keletkező fotonok adott hányada folyamatosan kiléphet a rezonátorüregből. Ezt a kilépő párhuzamos, monokromatikus és koherens sugárzást nevezzük lézersugárzásnak. A lézerek működésének alapjairól magyar nyelven jó összefoglaló olvasható Atkins "Fizikai kémia" című tankönyvében [6], valamint részletesebben Csillag és Kroó kismonográfiájában [7], ami könyvtárakban megtalálható.

 

Az impulzuslézerek működésének elve

Működő lézerek tervezéséhez a fentieken túlmenően egy sor technikai részletet kell figyelembe venni. A rezonátorüregben az interferencia következtében állóhullámok alakulnak ki, amelyek intenzitásprofiljának az üreg tengelyére merőleges komponense csak olyan lehet, amilyent a rezonanciafeltétel megenged. Az ennek megfelelő intenzitásprofilokat a lézer transzverzális módusainak nevezik. A rezonátorüreg L hosszúsága az erősített fény hullámhosszára nézve is szigorú feltételeket szab. Konstruktív interferencia csak akkor lép fel, ha az üreg L hossza a fény l / 2 félhullámhosszának N egész számú többszöröse, más hullámhosszaknál az interferencia következménye kioltás, ami az erősítést meghaladó rezonátor-veszteséget, azaz a lézerhatás megszűnését vonja maga után. Ez a lézer által erősített fény hullámhosszára a

(2.1)

feltételt írja elő, amit a n frekvenciára

(2.2)

alakban írhatunk fel, ahol c a fény terjedési sebessége az üregben. A rezonátorüreg által erősített fény frekvenciája tehát a 2 L / c hányados egész számú többszöröse lehet. Az ennek megfelelő frekvenciákat a lézer longitudinális módusainak nevezzük. A longitudinális módusok közül természetesen csak az jöhet szóba a lézer erősítése szempontjából, amelyik pontosan megfelel az erősítő közeg két energiaszintje közötti átmenetnek. Ha az erősítő közeg gáz vagy szilárd anyag, akkor általában csak egy vagy néhány, pontosan meghatározott energiaátmenet lehetséges. Ilyenkor a rezonátorüreg tükreit az adott frekvenciának megfelelő távolságra kell beállítani. Ha az erősítő közeg alkalmas festék folyékony oldata, akkor abban az erősítési sáv nagyon széles, gyakran több mint 100 nm hullámhossztartományra kiterjedő is lehet. Mivel ezeknek a festéklézereknek a hullámhossza így megfelelő beállítással széles határok között változtatható, ezeket szokás hangolható lézereknek is nevezni.

A hangolás azonban további problémákat is felvet. A széles erősítési sávban sok különböző frekvencia kielégíti a 2.2 egyenletet, ezért a kibocsátott lézerfény nem lenne monokromatikus, ha ezt külön nem biztosítanák. A hangolható lézerekbe ezért még egy hangoló egységet is beépítenek. Ez célszerűen pl. egy optikai rács vagy prizma, amely a rezonátorüreg tengelyével bezárt szögtől függően tengelyirányban csak adott hullámhosszúságú fényt enged át, ezért így a lézer csak ezt a fényt erősíti. Az eddigieket összefoglalva azt mondhatjuk, hogy a lézerek alapvetően fontos elemei a rezonátorüreg két (finoman pozícionálható) tükre, az erősítő közeg, valamint a pumpáló és a hangoló egység. Mivel jelen alfejezet célja az impulzuslézerek működési alapjainak áttekintése, vegyük szemügyre a lézerekben kialakuló fényimpulzusok tulajdonságait.

3. ábra. Lézerberendezés vázlatos rajza.

A jól hangolt, folyamatosan pumpált lézerekben a hangolásnak megfelelő hullámhosszú fény a rezonátorüreg által fenntartott transzverzális módusú hullámcsomagok formájában koncentrálódva alakul ki, erősödik fel, és hagyja el a lézerüreget a részben áteresztő tükrön keresztül. A különböző módusú, ezen belül is különböző fázisú hullámcsomagok véletlenszerűen alakulnak ki és hagyják el a lézerüreget. Ennek következményeként a lézerből kilépő fény intenzitása időben ingadozik, de átlagos teljesítménye állandó. Arra is van lehetőség, hogy a lézer különböző longitudinális módusainak fázisát szinkronizáljuk, El lehet érni, hogy csak a transzverzális alapmódus alakuljon ki a rezonátorüregben, és egyszerre csak egy ilyen - Gauss-profilú - impulzus haladjon át az üregen. Az ilyen módusszinkronizált (angolul mode-locked) lézer egy olyan impulzus-sorozatot bocsát ki, amelyben a csúcsokat egymástól a rezonátorüreg teljes L hosszának kétszerese (a fényút a részben áteresztő tükörtől a másik tükörig és vissza) választja el, ami időben éppen 2 L / c. (Ennek reciprokát nevezzük a lézer ismétlési frekvenciájának.) A rezonancia-feltételek alapján az is kiszámítható, hogy az egyes csúcsok időbeli szélessége a lézer erősítési sávszélességének a reciproka, azaz 1/Dn.

A módusszinkronizáció többféle módszerrel elérhető. Aktív módusszinkronizációnak azt nevezik, amikor a rezonátorüregben egy fényszaggatót működtetnek külső meghajtóval. Ez a fényszaggató csak 2 L / c időnként nyitja ki a fényutat, egyébként zárva tartja, emiatt a lézer csak azt a hullámcsomagot (impulzust) erősíti, amely pontosan a nyitás pillanatában ér a szaggatóba. Ez pl. megvalósítható olyan kristállyal, amely feszültség hatására igen gyorsan megváltoztatja fényáteresztő képességét. Ha erre a kristályra olyan frekvenciájú váltakozó feszültségjelet kapcsolunk, amely pontosan megfelel a 2 L / c ismétlési frekvenciának, akkor az éppen a módusszinkronizációhoz szükséges ütemben változtatja a rezonátorüreg erősítését. Ezt a módszert nevezik Q-kapcsolásnak. Az elnevezés a rezgőkörök rezonanciatulajdonságainak "jóságát" kifejező Q-tényező analógiájára született. (A Q-kapcsolás nemcsak a 2 L / c ismétlési frekvenciájú, hanem annál sokkal ritkább impulzusok előállítására is alkalmazható.)

A módusszinkronizálás másik aktív módja a szinkron pumpálás. Ennek során egy meghajtó impulzuslézer pumpálja a szóbanforgó lézert, ezért a meghajtott lézer erősítése csak akkor lépi túl a veszteségeket, amikor a meghajtó impulzus annak erősítő közegében kiváltja a populációinverziót. Ez az elrendezés azt eredményezi, hogy a meghajtott lézer (általában festéklézer) impulzusai sokkal rövidebbek lesznek, mintha pl. Q-kapcsolással szinkronizálnánk. Nagyon fontos a két lézer rezonátorüregének pontos összehangolása, különben ez a módszer nem működik. Ez azt jelenti, hogy a meghajtott lézer hosszának egész számú többszöröse legyen a meghajtó lézer hossza.

 

A passzív módusszinkronizálás nem külső beavatkozással történik, hanem a lézer működése közben önmagától bekövetkezik. A jelenséget pl. a rezonátorüregben elhelyezett telíthető fényelnyelő festékkel lehet kiváltani. Ez a festék besugárzás nélkül színes, azaz erősen abszorbeál, a lézerfény abszorpciója során viszont átlátszóvá válik. Ha a festéken áthaladó fényimpulzus elegendően nagy intenzitású, akkor annak egy része telíti az abszorpciót, amitől a festék átlátszóvá válik, és átereszti az impulzust. Az abszorbeáló festék és az erősítő válaszidejétől függően kétféle működési módja van a passzívan módusszinkronizált lézereknek.

Az egyik mód "ritka impulzusok" (angolul "burst mode") előállítását teszi lehetővé. Ebben az esetben az erősítő magasabb energiaszintje hosszú, akár néhány száz mikroszekundum élettartamú. Ehhez képest a lézerimpulzus nagyon rövid idejű. A pumpáló villanófény hatására betöltődő magasabb energiaszint kezdetben spontán emisszióval elindít fotonokat, amelyek indukált emissziót kiváltva számos különböző fázisú lézerimpulzust hoznak létre a rezonátorüregben. Ezek a módusok fluktuációjuk során különbözőképpen erősítődnek. Ha valamelyik közülük eléri azt az erősítést, amely képes telíteni a fényelnyelő festéket, akkor az azon sokkal kisebb veszteséggel halad át, mint a kisebb intenzitású módusok, ezért azoknál jobban erősödik, így nagyon hamar ez lesz az uralkodó impulzus egészen addig, amíg annyira felerősödik, hogy az erősítő közeg anyagával erős nemlineáris optikai kölcsönhatás során időben szétesik, így az abszorbeálódó festéket nem tudja már terjedésével szinkronban modulálni. Ekkor a véletlen fluktuációkból újabb impulzus kiválasztására és felerősítésére nyílik lehetőség. A "ritka impulzusú" lézerek impulzusszélességét a fényelnyelő festék átlátszó gerjesztett állapotának élettartama korlátozza. A használatos festékek élettartama néhány pikoszekundum nagyságrendbe esik. Ezzel a módszerrel működik pl. a módusszinkronizált rubinlézer, vagy a neodímium-üveg lézerek. Az impulzusok sűrűségét általában Q-kapcsolással szabályozzák.

4. ábra. Telíthető festék (abszorber) segítségével passzívan móduslokalizált lézer vázlata.

A másik módszer a folyamatos vagy kvázi-folyamatos lézerek módusszinkronizálása. Ezekben a módusszinkronizált impulzusok sokkal rövidebbek, mint akár a fényelnyelő festék, akár az erősítő gerjesztett állapotának időtartama. Ilyen körülmények között jó közelítéssel hiperbolikus szinuszfüggvény profilú impulzusok alakulnak ki. Az impulzus két farka" a rezonátorüregben megtett oda-vissza út során a veszteségek következtében gyengítődik, míg az impulzus csúcsa eközben erősödik, azaz ennek eredőjeként az impulzus szélessége csökken. Ennek az a feltétele, hogy az erősítő közeg magasabb energiaszintjének élettartama azonos nagyságrendű legyen, mint a rezonátorüregben az oda-vissza út megtételéhez szükséges idő (az ún. körülfutási idő), az abszorpció hatáskeresztmetszete pedig több mint kétszerese legyen az erősítés hatáskeresztmetszetének. Ilyen körülmények között a fényelnyelő festék hamarabb telítődik (és átlátszóvá válik) mint az erősítő. Az impulzus elöl haladó farkát" gyengíti a még nem telített abszorpció, az impulzus csúcsa viszont kiüríti az erősítő magasabb energiaszintjét, így annak a csúcs mögötti farka" nem erősödik. Az impulzus addig karcsúsodik" és erősödik, ameddig fenn tudja tartani azt a feltételt, hogy a fényelnyelő festék előbb telítődik, mint amikorra az erősítő elveszíti gerjesztettségét.