3. Szennyezett ionkristály lézerek

A lézerközeg: fémoxid v. fémhalogenid, amelyben a fémionok kis részé másik fémion („szennyező”) helyettesíti

Egykristály: kis spektrális szélesség

Üveg: széles sávban sugároz.

Lézerátmenet: a szennyező ion energiaszintjei között történik.

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

AOiEE

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

212121 1, L

2-nél több elektron: még bonyolultabb

S csoport-spinkvantumszám

2/1 sS

2121 , ssssS

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 csoportbelsőkvantumszám szerint, amely a L és S csoportkvantumszám kombinációjaként képezhető.

Az atom (vagy egyatomos ion) állapotának jelölése

J12S Ln

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: gömbszimmetrikusKristálytérbeli 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:

KLM4s24p64d104f45s25p66s2

A Nd3+-ion konfigurációja:

KLM4s24p64d104f35s25p6

Nd-YAG lézer energiaszint-diagramja

4 f3

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 nm1064.8 nm

konfiguráció

állapotok

vektorrm odellspin-pályacsatolás

kristálytér-fe lhasadás

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

Ti3+ ionnal szennyezett Al2O3 abszorpciós és emissziós spektruma

3d 1

2Eg

T2g

Ve kto r-m od e llKristá lyté r-fe lha sa d á s

2 D

2 A 1

2 E

2E 1 /2

2E 3 /2

2E

2E1 /2

2E 3 /2

2A 1(1 /2 )

2A 1 (3/2 )

kölcsönhatásrácsrezgésekkel

Spin-pályacsato lás

Lézerátm enet690 - 1000 nm

Szilárdtest lézerek felépítése