Bir kaynağın ışın gücü, tipik olarak, onu besleyen elektrik
gücü ile üstel fonksiyonla değişir. Bu nedenle istenilen kararlılıkta ışın gücü
almak için düzeltilmiş güce gereksinim vardır. Veya, bazı cihazlarda, kaynak
çıkışı bir referans demeti ve bir örnek demeti olarak ikiye bölünür. Birinci
demet doğrudan bir transdusere gider, ikinci demet önce örnekten geçer ve sonra
kıyaslama transduserine gelir. (Bazı cihazlarda bir transduser bulunur, ve
örnek ve referans demetleri ile sırayla ışınlandırılır.) İki transduser
çıkışının oranı analitik parametre olarak kullanılır. Böylece kaynak
çıkışındaki dalgalanmalar büyük ölçüde yok edilmiş olur.
Planck kanunu:
Stefan Boltzmann kanunu:
I = 5.6705 x 10-8 T4
W/m2
Wien displacement kanunu:
lmaks
T = 2.898 10-3 m K
Kirchhoff kanunu:
Termal dengede bir cismin (veya
yüzeyin) emissiviyesi, onun absorbtivitesine eşittir.
Siyah cisim:
emissivite = 1 Gri cisim: emissivite < 1
Şekil-6: (a) Siyah cisim, ve (b) termal ışın
kaynakları spektrumları
1. Termal Işın Kaynakları
|
||
IR Bölge Termal Işın Kaynakları
|
||
a. Nernst glower
|
400-20000 nm
|
IR moleküler absorbsiyon
|
b. Globar (SiC)
|
1200-40000 nm
|
IR moleküler absorbsiyon
|
c. Nikrom tel
|
750-20000 nm
|
IR moleküler absorbsiyon
|
Görünür Bölge Termal Işın Kaynakları
|
||
a. Tungsten (W) filament lambalar
|
350-2200 nm
|
görünür/ yakın-IR moleküler absorbsiyon
|
b. Tungsten halogen lambalar
|
240-2500 nm
|
UV/görünür/yakın-IR moleküler absorbsiyon
|
2. Gaz Deşarj Lambaları
|
||
a. H2 ark lambalar
|
160-380 nm
|
UV moleküler absorbsiyon
|
b. D2 ark lambalar
|
160-380 nm
|
UV moleküler absorbsiyon
|
c. Ksenon ark lambalar
|
250-600 nm
|
moleküler fluoresans
|
d. Civa ark lambalar
|
<300-700 nm
|
görünür, UV
|
1. Gaz (buhar) deşarj lambalar (civa, pen-ray,
sodyum)
|
UV/ görünür
|
atomik absorbsiyon, atomik fluoresans, Raman
|
2. Hollow katot lambalar (HCL)
|
UV/görünür
|
atomik absorbsiyon, atomic fluoresans
|
3. Elektrotsuz deşarj lambalar (EDL)
|
UV/ görünür
|
atomik absorbsiyon, atomik fluoresans
|
4. Lazerler
|
UV/ görünür /IR
|
Raman, moleküler absorbsiyon, moleküler fluoresans
|
1. Termal Işın Kaynakları
a. Nernst Glower: Nernst glower infrared spektroskopide
kullanılır; çalışma aralığı ~400- 20000 nm
dir. Nerst glower (ZrO2, Y2O3, ThO2,
CsO gibi), nadir toprak metal oksitlerinin ergitilip sıkıştırılmasıyla
hazırlanmış 1-2 mm çapında ve 20 mm kadar uzunluğunda, silindir şeklinde bir
malzemedir. Silindirin iki ucuna, akım geçmesi için platin teller
kaynatılmıştır (Şekil-7). Malzemenin elektrik direnç katsayısı negatiftir, ve
önce kırmızıya dönünceye kadar dış bir kaynakla (elektrikle) ısıtılır ve sonra
istenilen sıcaklığın sağlanması için yeterli miktarda akım geçirilir.
Sıcaklığın artmasıyla (~2000 K) direnç azalacağından kaynak devresi akımı sınırlayacak
şekilde dizayn edilmelidir; aksi halde, glower hızla çok ısınır ve bozulur.
Şekil-7: Nernst Glowerin şematik diyagramı
ve 2200 K sıcaklıktaki spektrumu
b. Globar
(SiC): IR spektroskopide en çok kullanılan ışın kaynaklarından olan
globarların dalga boyu aralığı, genellikle 1200-40000 nm’dir (Şekl-8a).
Globarlar ~1100 K sıcaklıkta çalışan silisyum karbürden yapılmış ve bir dış
ısıtma devresine gerek olmayan kaynaklardır. Bu da Nerst Glower gibi elektrikle
ısıtılır, ancak direnç katsayısının pozitif olması avantajına sahiptir. Ark
oluşmaması için, elektrik bağlantı noktalarının su ile soğutulması gerekir.
Globar da Nernst Glower gibi siyah cisim emisyon eğrisi
verir, ancak çeşitli dalga boylarındaki relatif enerjilerinin değişik olması
nedeniyle bu iki kaynağın eğrilerinde biraz farklılık vardır. Genellikle daha
yüksek dalga boylarında globarın enerjileri Nernst gloweren daha yüksektir. Bu
kaynaklar arasındaki seçim uygulamanın özelliklerine göre yapılır. Globar ve
Nerst glowerin spektral enerjileri 5 mm’nin
altındaki bölgeye kadar birbiriyle kıyaslanabilir seviyededir. Bu bölgede
Globarın verdiği ışının şiddeti daha yüksektir.
c. Nikrom Tel ((veya akkor tel): Nikrom tel kaynak infrared
spektroskopide kullanılır; çalışma aralığı ~750- 20000 nm dir. Bu kaynağın şiddeti, Globar veya Nerst glowere göre biraz
düşüktür, fakat kullanım süresi onlardan daha uzundur. Kaynak sıkıca sarılmış
spiral şeklinde akım geçirilerek ısıtılan bir nikrom (Ni+Cr) veya rodyum
teldir, Seramik bir silindire kaynatılmış rodyum bir tel de benzer özellikte
bir kaynak görevi yapar.
a. Tungsten
(W) Filament Lambalar: Görünür ışık ve yakın-infrared ışın
için en çok kullanılan kaynak tungsten filament lambalardır. Bu kaynağın enerji
dağılımı bir siyah cisme yakındır ve bu nedenle de sıcaklığa bağımlıdır. Enerji
pikleri, artan sıcaklıklarda daha kısa dalga boylarına doğru kaymaktadır.
Ultraviyole ışın elde edilebilmesi için çok yüksek sıcaklıklarda uyarılan bir
kaynağa gereksinim vardır; örneğin, tungsten/halojen lambalar 240-2500 nm’de
çalışabilen ve UV, görünür ve yakın IR absorbsiyonda kullanılabilen bir kaynaktır.
Absorbsiyon cihazlarının çoğunda, tungsten filament çalışma sıcaklığı ~3000 0K
dolayındadır. Bir tungsten lambanın çalışma aralığı 350-2500 nm dir. Spektrumun
yakın IR bölgesinde şiddet maksimum değere ulaşır. Şekil-8(b)’de görüldüğü gibi
maksimum değer yaklaşık 1200 nm dolayındadır. Görünür ışık bölgesinde, bir
tungsten lambanın enerji çıkışı çalışma voltajının yaklaşık dördüncü kuvveti
ile değişir.
Bu nedenle kararlı bir ışın kaynağı için voltajın yakından
kontrol edilmesi gerekir. Bu amaçla sabit voltaj transformerleri veya
elektronik voltaj regülatörleri (voltaj düzenleyiciler) kullanılır. Veya, lamba
6 V’luk bir pil ile çalıştırılır, pil iyi koşullarda bulundurulursa oldukça
kararlı bir voltaj alınır.
b. Tungsten-Halojen Lambalar: Bu lambalar görünür ve yakın UV bölgede (240-2500 nm) çok kullanılan ışık
kaynaklarıdır. Lamba filamenti, halojen olmayan lambalardan daha yüksek
sıcaklıklara ( ~ 3500 K) kadar yükseltilebilir. Halojen lambalarda az miktarda iyot veya brom
gibi bir halojen bulunur. Çalışma sırasında meydana gelen uçucu tungsten
halojen bileşiği, tungsten üzerinde birikerek yüksek sıcaklıkta tungstenin
yanmasını engelleyen bir deposit oluşturur. (Şekil-8c)
Ark lambalar sürekli ışın kaynaklarıdır, çeşitli gazlarla doldurulabilir;
örneğin, kripton, ksenon, civa, ve civa-ksenon gibi. İki tip ark lambası
vardır; doğrusal ve kısa- ark lambalar. Doğrusal ark lambalar silindir
şeklindedir; delik çapı 4-7 mm, ark uzunluğu 5-15 cm dolayındadır. 1-3 atm.
gazla doldurulur.
Bu lambalar, spektral emisyon şekilleri lazer çubukların aborbsiyonlarıyla
kıyaslanabilir olduğundan, katı-hal lazerler için pompa kaynak gibi
davranırlar. Kısa-ark lambalarda elektrotlar arasındaki mesafe daha kısadır, 1
mm’den daha azdır. Bu nedenle de nokta kaynaklar gibi davranırlar.
Şekil-8: (a) Globar, (b)
tungsten (W) filament lamba ve (c) bazı fluoresans, halojen ve ark lambaların
spektrumları
a.
Hidrojen Ark Lambalar: Ultraviyole bölgede sürekli bir
spektrum, hidrojenin (veya deutöryumun) elektrikle uyarılmasıyla elde edilir.
İki tip hidrojen lambası vardır. Bunlardan yüksek-voltaj lambaların potansiyeli
2000-6000 V arasındadır ve aluminyum elektrotlar arasında bir elektrik deşarjı
(boşaltması) yaparlar; yüksek şiddette ışın üretilmesi halinde lambaların su
ile soğutulması gerekir. Düşük-voltaj lambalarda, ısıtılmış oksit-kaplı bir
filament ile bir metal elektrot arasında ark oluşturulur. Isıtılan filament, 40
V kadar bir voltaj uygulandığında bir dc akım veren elektronlar çıkarır; sabit
şiddetler elde edilmesi için bir düzeltilmiş güce gereksinim vardır. Hidrojen
deşarj lambalarının en önemli özelliği iki elektrot arasındaki açıklığın
şeklidir; bu, deşarjı dar bir alana sıkıştırır. Sonuçta 1-1.5 mm çapında yüksek
şiddette bir ışın topu üretilir. (Şekil-9)
Şekil-9: Hidrojen lambanın 100-200 nm ve
350-750 nm aralığındaki spektrumları
b.
Deutöryum Ark Lambalar: Hidrojen yerine deutöryum
kullanılması durumunda oluşan ışık topu biraz daha büyük olur. Yüksek-voltaj ve
düşük-voltaj D2 lambalarının ikisi de 160-380 nm aralığındaki UV
bölgede sürekli bir spektrum verirler. Bu bölgede cam kuvvetli absorbsiyon
yaptığından tüplerin kuvartzdan yapılması gerekir. Deuteryum lambanın maksimum
şiddeti ~225 nm’dir. (Şekil-10).
c.
KsenonArk Lambalar: Ksenon ark lamba, genellikle
moleküler fluoresans çalışmalarda kullanılan sürekli bir ışık kaynağıdır;
lamba, bir ksenon atmosferinden akım geçirilmesiyle şiddetli ışın üretir.
Spektrum 250-600 nm aralığında süreklidir ve ~500 nm'de şiddetli piki bulunur.
Bazı cihazlarda lamba, yüksek basınçta (10-20 atm.), bir
kapasitörden düzenli deşarjlar yapılarak aralıklı olarak çalıştırılır ve yüksek
şiddetler elde edilir.
Şekil-10: Bir tungsten, deuteryum, ve (b)
çeşitli lambaların relatif çıkışları
d. Civa Ark Lambalar (Yüksek Basınç): Civa
ark lambalar ultraviyole (kuvvetli) ve görünür bölgelerde ışık verirler.Emisyon
spektrumu <300 nm dalga boylarına kadar uzanır. Çok yüksek basınçlarda bile
(100 atm. gibi) bazı elektronik geçiş bantları tamamen yok edilemez. (Şekil-11)
Lambada, oda sıcaklığında az miktarda argon veya ksenon gibi
uyarıcı bir gazla sıvı civa bulunur. Deşarj uyarıcı gazla başlar, lamba
ısındığında civa buharlaşır ve beş-on dakikalık ısınma periyodundan sonra civa
emisyon spektrumu tamamlanır.
Şekil-11: (a) Bir yüksek basınç civa ark
lambasının spektrumu, (b) bir düşük basınç civa lambanın hat spektrumu
Hat kaynakları birkaç ayrı hat emitleyen kaynaklardır;
atomik absorbsiyon spektroskopisi, Raman spektroskopisi, refraktometre, ve
polarimetrede kullanılır.
Hat kaynakları olarak kullanılan gaz deşarj lambaları düşük
basınçlarda çalışır; düşük basınç çarpışma etkileşimimi azaltacağından spektrum
hat şeklini alır.
Bir buhar lambası düşük basınçta bir gaz element içeren
şeffaf bir zarftır. Zarf içindeki bir çift sabit elektrot arasına bir
potansiyel uygulandığında elementin özel hat spektrumu uyarılır. Metalin
iyonlaşması elektronlar ve iyonların meydana gelmesini ve böylece iletimin
oluşmasını sağlar. Yeteri kadar metal buharı üretilmesi için bir ön ısıtmaya
gereksinim vardır; bir kere başlatıldıktan sonra akım kendi kendini besler. En
çok kullanılan gaz deşarj lambaları civa buharı, spektroskopik cihazların dalga
boyu kalibrasyonunda kullanılan civa-kalem, ve Na buharı kaynaklardır. Ayrıca,
HPLC’de UV dedektörü olarak da kullanılırlar.
a. Civa Buharı Lambası (Düşük Basınç): Düşük basınç civa lambalar çok kullanılan
bir UV hat kaynağıdır; bunlar, kısa dalga boyunda (~254 nm dolayında) ışık
emitlerken, yüksek basınç civa lambalar tüm UV-görünür bölge spektrumunda ışık
emisyonu yapar. Bu kaynaklar, fluoresans ve germisidal (ozon verir) lambalarla
aynı grupta bulunur.
b. Hg-Kalem-Lambalar (Pen-Ray): Spektroskopik cihazların dalga boyu
kalibrasyonunda ulanılan çeşitli lamba tipleri arasında (Xe, Ar, Ne ve Kr) en
hassas ve ekonomik olanı pen-ray hat kaynaklarıdır; sıcaklığa karşı hassas değildir
ve yaşam süresi 5000 saat dolayındadır. Civanın buharlaşmaya başlaması için
lambanın 2 dakika, tam kararlı hale gelmesi için 30 dakika ısıtılması
yeterlidir; bu sürenin sonunda ortalama şiddet sabittir. Civanın tamamı
buharlaştıktan sonra spektrumda sadece civa hatları görünür, argon hatları
kaybolur.
c. Sodyum Buharı Lambası: Alçak basınç sodyum lambası, katı
sodyum ile az miktarda neon ve argon gazı içeren bir gaz deşarj tüpüdür. Lamba
çalıştırılmaya başlandığında gazdan küçük bir akım geçer ve zayıf bir
kırmızılık oluşur; birkaç dakika sonra sodyum buharlaşır. Sodyum buharı
sarıdır; tam monokromatik emisyon özelliğindedir ve 589-589.6 nm’de bir çift
bant verir.
Hallow katot lambaları çok sayıda elementin hat spektrasını
verir. UV, görünür, atomik absorbsiyon ve atomik fluoresans spektroskopide
kullanılır. Bunlarda kapalı bir cam tüp içinde tungsten bir anot ile silindirik
bir katot bulunur. Cam tüp 1-5 torr basınçta helyum, neon veya argon gibi
gazlarla doldurulmuştur, katot, spektrumu alınacak metalden yapılmıştır
(Şekil-12).
Elektrodlar arasına bir potansiyel uygulandığında gaz
iyonlaşır ve iyonların elektrodlara doğru hareket etmesiyle 5-10 mA dolaylarında bir akım doğar. Eğer potansiyel
yeteri kadar büyükse gaz halindeki katyonların kinetik enerjisi katot yüzeyinden
bazı metal atomlarını çıkarabilecek ve bir atomik bulut yaratabilecek seviyededir;
bu işleme "püskürtme" denir. Püskürtülen metal atomlarının bir kısmı
uyarılmış haldedirler ve bilinen şekilde kendi karakteristik ışınını yayarlar.
Sonunda metal atomları katot yüzeyine veya tüpün cam duvarlarına geri
düfüzlenir. Katodun silindirik yapısı ışını tüpün belirli bir bölgesinde
yoğunlaştırır ve geri dönen metal atomlarının cam duvarlar yerine katoda
yönelmelerini de sağlar.
Şekil-12: Tipik
bir hallow katot lamba
Hallow katot lambanın verimi geometrisine ve çalışma
potansiyeline bağlıdır. Yüksek potansiyeller, dolayısıyla yüksek akımlar daha
büyük şiddette ışın yaratırlar. Bu avantaj, emisyon hatlarında Doppler
genişlemesi etkisinin artışı nedeniyle kısmen azalır. Ayrıca, yüksek akımlar
atom bulutundaki uyarılmamış atomların sayısını da artırır; bunlar ise
uyarılmış atomlardan çıkan ışını absorblama yeteneğindedirler. Bu kendini-absorblama,
özellikle emisyon bandının merkezinde, ışının şiddetini düşürür. Hallow katot
tüpleri çeşitli şekillerde üretilir. Bazılarının katotları bir kaç metal
karışımından hazırlanır; bu tip lambalarla bir elementten daha fazla elementin
analizi yapılabilir.
Şekil-13: Bir hallow katottan elde edilen:
(a) helyum II serisi hatları, (b) hidrojen gaz deşarjı hat spektrumu, (c) Ne
(%90 ve He (%10) gazı hat spektrumu
Elektrotsuz deşarj lambalar UV, görünür, atomik absorbsiyon
ve atomik fluoresan spektroskopide kullanılan ışık kaynaklarıdır. (Şekil-14)
EDL lambalar hallow katot lambaya benzer. Hallow katot lamba
atomik absorbsiyon spektroskopik uygulamalarda çok yeterli bir ışık kaynağı
olmasına karşın, bazı hallerde kullanılması olanaksızlaşır. Çok uçucu
maddelerle çalışmalarda hallow katot lambanın düşük şiddeti ve yaşam sürecinin
kısa oluşu sorun yaratır. Bu durumda, elektrotsuz deşarj lambaları gibi, daha
parlak ve daha kararlı kaynaklar gerekir.
EDL, birkaç torr basınçta bir inert gaz ile az miktarda
analizi yapılacak metal (veya matal tuzu) içeren, sızdırmazlık sağlanmış bir
kuvartz tüptür. Bir radyo frekansıyla veya mikrodalga güçlü bir sarımla önce
inert gaz (örneğin, argon) iyonilaştırılır; iyonlaşan argon metale çarpar ve
metalin atomlarını uyarır. Elektrotsuz deşarj lambaların çıkışı, hallow katot
lambalardan daha yüksektir; yine de kullanımı onlar kadar yaygın değildir.
Şekil-14: Elektrotsuz
deşarj lambalar (EDL)
İlk lazer 1960'da yapıldı. O zamandan bu güne kadar kimyacılar yüksek resolusyonlu spektroskopide, yaşam süreci 10-9-10-12 s olan kinetik çalışmalarda, atmosferdeki fevkalade küçük maddelerin saptanması ve tayin edilmesinde, ve izotopik seçici reaksiyonların incelenmesinde bu kaynakların kullanıldığı çok sayıda yöntem geliştirdi. Lazer kaynakları, ayrıca, Raman spektroskopisi, emisyon spektroskopisi ve Fourier transform infrared spektroskopisi ile yapılan birkaç rutin analitik yöntemde de önemli kaynaklardır. Lazer (Laser) sözcüğü "Light Amplification by Stimulated Emisyon of Radiation" (uyarılmış ışın emisyonu ile ışığın kuvvetlendirilmesi) tarifindeki kelimelerin baş harflerini bir araya getirerek türetilmiştir.
Işığı-kuvvetlendirme özelliği nedeni ile lazer çok dar, ve
fevkalade kuvvetli ışın demetleri üretir. Uyarılmış emisyon işlemiyle yüksek
derecede monokromatik (band genişlikleri 0.01 nm veya daha az) ve çok ahenkli
(uyumlu) bir ışın demeti elde edilir. Bu eşsiz özellikleri ile lazerler
spektrumun ultraviyole, görünür, ve infrared bölgelerinde kullanılan önemli
kaynaklardır. Bir kaynaktan gelen ışının oldukça az sayıda dalga boyu veya
bandlar içermesi zorunluluğu lazerleri de sınırlamıştı (ilk lazerler). Son
zamanlarda bulunan boya lazerleri ile bu sınırlama çözülmüştür; lazer
kaynağının "ayarlanabilir" olmasıyla, çalışma aralığı içindeki herhangi
bir dalga boyunda dar bir ışın bandı alınabilmektedir.
Şekil-15(b)’de tipik bir lazer kaynağı kısımlarının şematik
görünümü verilmiştir. Sistemin kalbi bir "lazerleyici ortam" dır. Bu
ortam yakut gibi bir katı kristal, galyum arsenür gibi bir yarı iletken, bir
organik boya çözeltisi, veya bir gaz olabilir.
Şekil-15: (a) Çeşitli lazer tiplerinin
elektromagnetik spektrumdaki relatif konumları, (b): Tipik bir lazer kaynağının
şematik görünümü
Lazerleyici malzeme bir dış kaynaktan gelen ışınla
aktiflendirilir veya "pompalanır", böylece oluşan özel enerjili
birkaç foton, ayni enerjili bir fotonlar şelalesinin üretimini başlatır.
Pompalama, bir elektrik akımı ile veya bir elektrik deşarjı ile yapılabilir.
"Gaz laserler"in dış ışın kaynakları yoktur; bunun yerine güç
kaynağı, gaz dolu bir hücredeki bir çift elektroda bağlanır.
Bir lazer, normal olarak bir osilatör gibi çalışır; üretilen
ışın, bir çift ayna aracılığı ile ortamdan sayısız kere ileri-geri gider gelir.
Her geçişte yeni fotonlar oluşur ve büyük bir kuvvetlenme meydana gelir.
Tekrarlanan geçişlerle yüksek derecede parelel bir demet elde edilir (paralel
olmayan ışın birkaç kez yansıdıktan sonra ortamın kenarlarından kaçarak
uzaklaşır). Kullanılabilir bir lazer demeti elde edebilmek için aynalardan biri
yeteri kadar ince bir yansıtıcı madde ile kaplanır; böylece demetin bir bölümü
yansıtılmaz, fakat geçirilir. Lazerin etkisi dört işlemin incelenmesiyle
anlaşılabilir; pompalama, kendiliğinden emisyon (fluoresans), uyarılmış emisyon
ve absorbsiyon.
Olayı açıklamak amacıyla, lazer malzemesinin yapıldığı
moleküller, iyonlar, veya atomlardaki çeşitli elektronik enerji seviyelerinden
sadece ikisi üzerinde duralım. Şekil-16’da görüldüğü gibi, iki elektronik
seviyenin enerjileri Ey ve Ex dir. Şekilde, yüksek
elektronik seviyede, birbirinden biraz farklı titreşim enerji seviyelerinden
bir kaçı da (Ey , Ey’, Ey’’, E’’’,
gibi,) gösterilmiştir. Düşük elektronik halin (Ex), ilave seviyeleri
ise, gerçekte bulunmasına rağmen, şekilde gösterilmemiştir.
a. Pompalama: Lazer olayı için gerekli olan
pompalama işlemi, bir lazerin aktif taneciklerini bir elektrik deşarjı, bir
elektrik akımı geçirilmesi, şiddetli bir ışın kaynağıyla karşılaştırma, veya
bir kimyasal tanecikle etkileştirerek uyarma işlemidir. Pompalama sırasında,
aktif taneciklerin birkaç yüksek elektronik ve titreşim enerji seviyeleri
oluşur. (a1) diyagramında bir atomun (veya molekül) Ey’’ enerji
seviyesine yükselmesi gösterilmiştir; ikinci bir tanesi, birinciden biraz daha
yüksekte bulunan Ey’’’ titreşim seviyesine uyarılmıştır. Uyarılmış
"titreşim" hallerinin yaşam süresi kısadır; 10-13 –10-14
s sonra, saptanamayacak miktarda bir ısı çıkışı ile, en düşük uyarılmış
titreşim seviyesine (a3 diyagramındaki Ey’ye) relaksasyon olur.
Lazer malzemelerinin bazı uyarılmış hallerinin yaşam süreleri karşıtı olan
uyarılmış titreşim hallerinden oldukça uzundur (10-3 s veya daha
fazla). Uzun-yaşam hallerine "yarı kararlı" hal denir.
b. Kendiliğinden Emisyon (Fluoresans): luoresansın incelenmesinde de anlatıldığı
gibi, uyarılmış bir elektronik haldeki bir tanecik kendiliğinden ışın emisyonu
ile, fazla enerjisinin bir kısmını veya hepsini kaybedebilir.
Bu işlem,Şekil-16(b)’de gösterilmiştir. Fluoresans ışının
dalga boyu iki elektronik hal, (Ey – Ex) arasındaki
enerji farkı ile doğrudan ilişkilidir.
Ayni zamanda, fotonun emitlendiği an ve yön de uyarılmış her elektron
için farklıdır. Yani kendiliğinden emisyon rasgele bir işlemdir; buna göre,
(b1) diyagramındaki taneciklerden biri tarafından üretilen fluoresans ışın,
ikinci tanecik tarafından üretilenden yön ve faz bakımından farklıdır (b2
diyagramı). Bu nedenle kendiliğinden emisyonla "ahenksiz" ışın
alınır.
Şekil-16: (a) Pompalama, (b) kendiliğinden
(spontane) emisyon, (c) uyarılmış (stimulated) emisyon, (d) absorbsiyon
c.
Uyarılmış Emisyon: Lazer davranışın temeli olan
uyarılmış emisyon (c)'de gösterilmiştir. Burada uyarılmış lazer tanecikleri
ile, kendiliğinden emisyonla çıkan fotonlarla ayni enerjideki (Ey- Ex)
fotonlar (dış bir kaynaktan üretilen) çarpıştırılır. Bu tip çarpışmalar
uyarılmış taneciğin "hemen" daha düşük enerji haline geçmesine, ve
aniden işlemi uyaran fotonun enerjisine tam eşit enerjisine bir foton emitlenmesine
yol açarlar. Çok önemli bir nokta, "emitlenen foton, olayı başlatan fotonla
ayni fazdadır. Yanı, uyarılmış emisyon gelen ışınla tümüyle ahenklidir".
d.
Absorbsiyon: Absorbsiyon, uyarılmış emisyon işlemine rakip bir işlemdir. Burada,
enerjileri tam (Ey- Ex)'e eşit olan iki foton, (d)3'deki
gibi yarı-kararlı uyarılmış hale geçerek absorblanırlar; (d)3'deki diyagram,
(a)3'deki diyagramla aynidir.
e.
Yerleşimin Tersyüz Olması ve Işığın Kuvvetlendirilmesi: Bir lazerde ışığın kuvvetlendirilmesi
için uyarılmış emisyonla üretilen fotonların sayısının absorbsiyonla
kaybolanlardan daha fazla olması gerekir. Bu koşul sadece daha yüksek enerji
halindeki taneciklerin sayısının daha düşük haldekinden fazla olmasıyla
gerçekleşebilir; bu durum, normal enerji halleri dağılımının tersine dönmesi,
yani "yerleşimin tersyüz" olması demektir. Yerleşimin tersine dönmesi
pompalama işlemiyle meydana getirilir. (Şekil-17)
Şekil-17: Işının, (a) normal bir
yerleşimden, ve (b) tersyüz bir yerleşimden, geçişi
f. Üç - ve Dört -
Seviyeli Lazer Sistemleri: Şekil-18’de çok kullanılan iki lazer sisteminin
basitleştirilmiş enerji diyagramları verilmiştir. Üç-seviyeli sistemde lazer
ışını, uyarılmış Ey halinden temel E0 haline geçişle
üretilir; dört-seviyeli bir sistemde ise geçiş Ey halinden, Ex
halindedir. (Ex, temel hal E0’dan daha büyük bir enerjiye
sahiptir). Ayrıca, Ex ile E0 arasındaki geçişin hızlı
olması da önemlidir.
Dört-geçişli sistemde, lazer hareketi için gerekli olan
yerleşimin tersyüz olması durumuna daha çabuk ulaşılır. Bunu daha iyi
açıklamaya çalışalım: Lazer taneciklerinin büyük bir kısmı, her iki sistemde de
(oda sıcaklığında), temel-hal olan E0 enerji seviyesinde bulunur.
Bunların %50'den fazlasını üç- seviyeli sistemin E y seviyesine çıkarmak için, yeterli miktarda
enerjiye gereksinim vardır. Tersine, dört-seviyeli sistemin Ey
seviyesindeki lazerleyici taneciklerin sayısının Ex seviyesindekilerden
daha fazla olması için sadece yeteri derecede pompalama işlemi kafidir. Ancak
bir taneciğin Ex halindeki yaşam süresi kısa olduğundan E0'a
geçiş hızlı olur; bu nedenle de Ex halindeki tanecik sayısı E0
ve Ey' ye kıyasla ihmal edilebilir. Bu durum, dört-seviyeli lazer
durumunda pompalama enerjisinin az miktarda artırılmasıyla yerleşimin tersyüz
haline ulaşılır.
Şekil-18: İki tip lazer sistemi için;
(a) üç ve (b) dört seviye enerji diyagramları
Tablo-1: Bazı Tipik Lazer Dalga Boyları
Lazer tipi
|
Dalga boyu,
nm
|
Lazer tipi
|
Dalga boyu,
nm
|
Argon fluorür (UV)
|
193
|
Helyum neon (yeşil)
|
543
|
Kripton fluorür (UV)
|
248
|
Helyum neon (kırmızı)
|
633
|
Ksenon klorür (UV)
|
308
|
Rodamin 6G boya
|
570-630
|
Nitrojen (UV)
|
337
|
Yakut (CrAlO3) (kırmızı)
|
694
|
Argon (mavi)
|
488
|
Nd:Yag (NIR)
|
1060
|
Argon (yeşil)
|
514
|
Karbon dioksit (FIR)
|
10600
|
