Spektroskopik çalışmalara uygun olması için, bir kaynağın
kolay algılanabilecek ve ölçülebilecek yeterli güçte bir ışın demeti üretmesi
gerekir. Ayrıca çıkışı da kararlı olmalıdır. 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.
Optik spektroskopide kullanılan
sürekli ve hat kaynakları
Termal Işık
Kaynakları
(a) Siyah cisim, ve (b) termal ışın kaynakları spektrumları
Sürekli Kaynaklar
Hat-Kaynakları
1. Termal Işın
Kaynakları
IR Bölge 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. 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.
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.
Globarlar ~1100 K sıcaklıkta çalışan silisyum karbürden
yapılmış ve bir dış ısıtma devresine gerek olmayan kaynaklardır. Bu da Nerst
globar 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
Nikrom tel (veya akkor 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.
Görünür Bölge
Termal Işın Kaynakları
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. Aşağıdaki şekilde 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.
Bir tungsten flament lamba ve
spektrumu
b. Tungsten-Halojen
Lambalar
Tungsten-halojen 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.
Bir tungsten halojen lambanın
spektrumu
Çok kullanılan bazı fluoresans,
halojen ve ark lambaların spektrumları
2. Gaz Deşarj
Lambalar
Ark lambalar sürekli ışın kaynaklarıdır. 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. Aşağıdaki şekilde
doğrusal bir ark lamba ile katı-hal lazer pompalama için tipik bir sistem
gösterilmiştir.
Bir katı hal lazerin sürekli ark lamba pompalama konfigürasyonu
Kısa-ark lambalarda elektrotlar arasındaki mesafe daha kısadır, 1 mm’den
daha azdır. Bu nedenle de nokta kaynaklar gibi davranırlar.
Tipik bir doğrusal (üstte) ve kısa (altta) ark lamba şemaları
Ark lambalar çeşitli gazlarla doldurulabilir; örneğin, kripton, ksenon,
civa, ve civa-ksenon gibi.
a. Hidrojen Ark Lambalar
Ultraviyole bölgede sürekli bir spektrum, hidrojenin (veya
deutöryumun) elektrikle uyarılmasıyla elde edilir. Kullanılan ceketle 160-380 nm dalga boyu aralığı emisyonu
sınırlandırılır.
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.
MgF2 ve kuvartz pencereli
hidrojen deşarj lambanın 150-300 nm aralığındaki emisyon spektrumları
Hidrojen lambanın 100-200 nm aralığındaki
spektrumu
Hidrojen lambanın 350-750 nm aralığındaki spektrumu
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 dolayındadır.
UV bölgede çalışan bir deuteryum lambası ve spektrumu
Bir
tungsten ve deuteryum lambanın spektrumları
Çeşitli lambaların relatif çıkışları
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; böylece yüksek şiddetler elde edilir.
Bir ksenon lambanın emisyon spektrumu
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.
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.
Yüksek basınç civa ark lambası
Sürekli
bir civa ark lambanın emisyon spektrumu
HAT KAYNAKLARI
Hat kaynakları birkaç ayrı hat emitleyen kaynaklardır;
atomik absorbsiyon spektroskopisi, Raman spektroskopisi, refraktometre, ve
polarimetrede kullanılırlar.
1. Gaz (Buhar) Deşarj
Lambalar
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 lambaarı civa buharı, spektroskopik
cihazların dalga boyu kalibrasyonunda kullanılan civa-kalem (Hg pen-lamp), be
sodyum 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.
Bir düşük basınç civa lambanın hat
spektrumu
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.
Bir düşük basınç civa(argon)
lambanın hat spektrumu
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.
Bir alçak basınç sodyum lambası
spektrumu
2. Hollow Katot
Lambalar (HCL)
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.
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; bu dizayn geri dönen metal
atomlarının cam duvarlar yerine katoda yönelmelerini de sağlar.
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.
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
3. Elektrotsuz Deşarj
Lambalar (EDL)
Elektrotsuz deşarj lambalar UV, görünür, atomik absorbsiyon
ve atomik fluoresan spektroskopide kullanılan ışık kaynaklarıdır.
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.
4. Lazer Kaynaklar
Çeşitli lazer tiplerinin
elektromagneik spektrumdaki relatif konumları
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.
Şekilde 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. 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 aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi,
dış ışın kaynakları yoktur; bunun yerine güç kaynağı, gaz dolu bir hücredeki
bir çift elektroda bağlanır.
Tipik bir lazer kaynağının şematik
görünümü
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.
·
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; şekilde 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.
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. Şekil-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.
(a) Pompalama
(elektriksel, ışın, veya kimyasal enerjiyle uyarma)
Kendiliğinden Emisyon
(Fluoresans)
Fluoresansın incelenmesinde de anlatıldığı gibi, uyarılmış
bir elektronik haldeki bir tanecik kendiliğinden ışın emisyonu ile, fazla
enerjisinin bir kısmını veya hepsini kaybedebilir. Bu işlem, aşağıdaki
diyagramda 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.
(b) Kendiliğinden
(spontane) emisyon
Uyarılmış Emisyon
Lazer davranışın temeli olan uyarılmış emisyon Şekil-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".
(c) Uyarılmış
(stimulated) emisyon
Absorbsiyon
Absorbsiyon, uyarılmış emisyon işlemine rakip bir işlemdir.
Burada, enerjileri tam (Ey- Ex)'e eşit olan iki foton,
d3'deki gibi yarı-kararlı uyarılmış hale geçerek absorblanırlar; d3'deki
diyagram, a3'deki diyagramla aynidir.
(d) Absorbsiyon
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.
Işının, (a) normal bir yerleşimden,
ve (b) tersyüz bir yerleşimden, geçişi
Üç - ve Dört -
Seviyeli Lazer Sistemleri
Şekilde 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 halinedir (Ex,
temel hal E0’dan daha büyük bir enerjiye sahiptir). Ayrıca, Ex
ile E0 arasındaki geçişin hızlı olması da önemlidir.
İki tip lazer sistemi için enerji
seviye diyagramları
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.
Bazı Tipik Lazer Dalga Boyları
