Lasery v konzervátorství 1 Lasery v ochraně kulturního dědictví 2x2 h Úvod do světla: elmag. záření, vznik, vlastnosti (šíření, polarizace, interference, koherence), související veličiny a jejich měření, spektrum, úvod do statistického popisu souborů částic, vybrané aplikace: interferometry, holografie, zdroje polarizovaného světla 2x2 h Makroskopické zdroje záření/světla, rozdíly mezi zářením z „klasických“ zdrojů a laseru, pojem laser a princip činnosti, rozdělení laserů a obecný přehled jejich aplikací, získávání kratších vlnových délek (VIS, UV) z IR laserů, šíření a směrování laserového záření 4x2 h Bezpečnost práce s lasery, interakce záření s látkami, multifotonové procesy (excitace, absorpce, disociace, ionizace) a další procesy s využitím laseru (fluorescence, fosforescence, Ramanův rozptyl, infračervená spektrometrie), laserová ablace, přímé čištění pevných látek, kombinované parní, elektrochemické čištění, kavitace, ukázky (kámen, beton, dřevo, papír, pergamen, plátno, kovy), identifikace pigmentů, hloubkové profilování 1x2 h Úvod do fyzik plazmatu, definice, vznik, popis, vlastnosti, vybrané aplikace Lasery v konzervátorství 2 1x2 h Laserem buzené mikroplazma a jeho spektroskopie (LIBS), vznik, vlastnosti, aplikace, laboratorní a přenosné aparatury LIBS na kontaktní i dálkovou analýzu, spektra z LIBS a jejich vyhodnocení, kvantitativní analýza, prostorově rozlišená analýza 1x2 h Vybrané metody diagnostiky plazmatu obecně i u LIBS, metody normalizace/standardizace signálu u LIBS, kvantitativní analýza 1x2 h Laserové skenování, dálková laserová analýza (atomová a molekulová spektrometrie a fotografie z družic, letadel a dronů), úvod do konfokální mikroskopie a technik zesíleného Ramanova rozptylu a zesílené LIBS s využitím laseru 1x2 h Exkurze na pracoviště laserové spektroskopie a mikro/nanotomografieVUTFSI, stolní aparatury jedno a dvoupulzní LIBS, interakční komora pro LIBS, přenosná aparatura na dálkovou LIBS Lasery v konzervátorství 3 Doporučená literatura Peter Hábovčík, Lasery a fotodetektory, Alfa, Bratislava 1989 Jeremy I. Pfeffer, Shlomo Nir, Modern physics – An introductory text, Imperial College Press, London 2000 Arthur Beiser, Úvod do moderní fyziky, Academia, Praha1978 Jagdish P. Sing, Surya N. Thakur, Laser Induced breakdown spectroscopy, Elsevier, Amsterdam 2007 Helmut H. Telle, Ángel Gonzáles Ureňa, Robert J. Donovan, Laser chemistry, Wiley, Chichester 2007 C. Fotakis, D. Anglos, V. Zafiropulos, S. Georgiou, V. Tornari, Lasers in the Preservation of Cultural Heritage Principles and Applications, CRC Press, Taylor & Francis Group, New York, London, 2006 K. Dickmann C. Fotakis J.F. Asmus (Eds.), Lasers in the Nocervation of Artworks, LACONA V Proceedings, Osnabrück 2003 Československý časopis pro fyziku, č. 4-5, 2010, č. 5-6, 2015, Fyzikální ústav AVČR Praha Lasery v konzervátorství 4 Podstata světla: elektromagnetické záření - vlnové i částicové vlastnosti Kvantum elektromagnetického záření - foton Energie 1 fotonu o frekvenci f: E = hf = hc/λ Planckova konstanta h = 6,626.10-34 Js c = 3.108 ms-1 ω = 2 πf k = 2π/λ, k vlnový vektor Poyntingův vektor – směr šíření elmag. vlny a energie podle pravidla pravé ruky, S…energie přenesená vlnou jednotkovou plochou za 1 s. x × Lasery v konzervátorství 5 Přehled elektromagnetického záření podle vlnové délky Světlo – viditelná část spektra Lasery v konzervátorství 6 Některé definice používaných jednotek a veličin Intenzita I je relativní veličina úměrná energii zachycené detektorem za jednotku času. Protože energie harm. oscilátoru je přímo úměrná 2. mocnině výchylky , která má v čase sinusoidní průběh, platí pro elmag. vlnění I ~ E2 (1), ~ ψ* ψ, ψ = Esin(kx - ωt + φ) …integrujeme (sčítáme) určitou dobu dopadající fotony (nebo elektrony nebo co měříme) – střední hodnota energie v čase Energie… 1 eV (elektronvolt) je energie, kterou potřebuje částice s elementárním nábojem (1,602.10-19 C) k překonání potenciálového rozdílu 1 V => 1 eV = 1,602.10-19 J (= 8065,73 cm-1) Energie – vlnočet ν… 1 cm-1 udává, kolik vlnových délek se vejde do délky 1 cm, potom E = hc/λ, kde λ = 1/ ν Vlnová délka: 1 Angström [Å] = 0,1 nm Lasery v konzervátorství 7 Skládání barev RedGreenBlue model je aditivní model, založený na přidávání RGB světel na tmavou (nesvítící) podložku (typicky klasický monitor či televize). Přidáním všech světel naplno se vytvoří bílá. Lasery v konzervátorství 8 Azurová je doplňková barva k červené. Purpurová je doplňková k zelené a žlutá k modré. Pomocí CMY barev je tak možné řízeně "ubírat" RGB světlo - ubíráním z bílé. K-black je přidána jen pro snazší realizaci tmavých barev – černý inkoust do tiskáren CyanMagentaYellowKblack model je subtraktivní model, založený na odčítání RGB barev při odrazu bílého světla od barviv. Přidáním všech barviv naplno se vytvoří černá barva, neboli všechno světlo je pohlceno. Lasery v konzervátorství 9 Důsledky: pohlcování a odraz světla z laseru různě barevnými povrchy – větší/menší účinnost ablace – je to speciální případ pro viditelnou část spektra, kdy obecně látka určitou vlnovou délku pohlcuje resp. odráží více než jinou. Z odražených vlnových délek se poskládá výsledná „barva“ předmětu. Černá absorbuje vše, předmět se snadno zahřívá, popř. zapaluje Bílá odráží vše To platí hlavně pro nízké plošné hustoty výkonu, je-li svazek světla dostatečně výkonný, budou se pohlcovat i delší vlnové délky Lasery v konzervátorství 10 Vznik světla – přechody elektronů z vyšších energ. hladin v atomech/molekulách na nižší – diskrétní spektrum Spojité spektrum: -brzdné záření – pohyb elektrického náboje se zrychlením/zpomalením (RTG, elektrické výboje, urychlovače, laserem indukované plazma) -Čerenkovovo záření: částice, která se pohybuje v optickém prostředí rychleji, než je fázová rychlost světla pro toto prostředí, vyvolává záření (el. polarizace a depolarizace okolního prostředí), které trvá po tu dobu, kdy je částice rychlejší než světlo (gama fotony z jaderného reaktoru ve vodě, částice z vesmíru v zemské atmosféře, ve vodě), mechanická obdoba: rázová vlna ve vzduchu – sonický třesk od nadzvukových letadel Částice při těchto jevech ztrácejí energii právě na úkor vyzařovaných fotonů a zpomalují se. Lasery v konzervátorství 11 Vznik světla v atomech: Struktura atomového obalu – energ. hladiny elektronů – stav elektronu popsán kvantovými čísly: n…hlavní, l…orbitální, m…magnetické, s…spinové n l m s Obsazení jednotlivých hladin elektrony až po hladinu valenční platí pro všechny atomy v souboru přesně jen tehdy, pokud by se soubor nacházel ve stavu s teplotou 0 K. Prakticky tedy vždy jsou některé atomy excitovány s elektrony na vyšších hladinách, než je valenční. Lasery v konzervátorství 12 Atom se musí excitovat – elektron je vyražen na vyšší hladinu Mechanizmy: srážkou s fotonem o vhodné energii, nepružnou srážkou s jinou částicí – část kinetické energie se spotřebuje na přechod elektronu na vyšší hladinu Energie vyzářeného fotonu při relaxaci ΔE = Evyšší – Enižší = hf Vrátí-li se elektron na základní hladinu => rezonanční spektrální čára Elektron může relaxovat i nezářivě – ΔE se uvolní v jiných formách Základní stav Excitované stavy Základní stav Excitované stavy nerezonanční rezonanční Lasery v konzervátorství 13 Atom vodíku– pouze 1 elektron – nejjednodušší spektrum Víceelektronové atomy – elektrony se navzájem ovlivňují: Momenty hybnosti elektronů orbitální a spinové => magnetické momenty – interagují mezi sebou (štěpení čar na multiplety) i s momenty jádra (hyperjemná struktura čar) Molekuly – ještě mnohem složitější, pásová spektra Lasery v konzervátorství 14 Mikročástice (atomy, molekuly, ionty) schopné excitace a zářivé relaxace se vyskytují ve velkých souborech – např. 1 mol ideálního plynu 6,023.1023 molekul má za normálních podmínek objem 22,4 l. Pouze při teplotě 0 K (absolutní nula – nedosažitelné) by byly všechny mikročástice v základním stavu. Prakticky vždy některé jsou excitovány s 1 nebo více elektrony na vyšších než základních hladinách. Vyšetřovaný soubor jedinců (molekuly apod…) tvoří tzv. statistický ensemble. 1 makrostav systému lze uskutečnit mnoha mikrostavy jedinců systému Je-li úplně izolován od okolí, bez výměny energie a jedinců => mikrokanonický ensemble – všechny stavy systému jsou stejně pravděpodobné… n…počet všech možných stavů systému Je-li v kontaktu s okolím a slabě si s ním vyměňuje energii, ale ne jedince (plyn v uzavřené nádobě) – kanonický ensemble, pravděpodobnost P určitého stavu n systému je úměrná 1/exp(En/kT), kde En je energie tohoto stavu Je-li v kontaktu s okolím a vyměňuje si s ním energii i jedince (plyn v nádobě s probíhající reakcí, výtok a/nebo přítok částic) – grandkanonický ensemble, pravděpodobnost P určitého stavu n systému je úměrná 1/exp[(En +ΣμiNi)/kT], kde μ je tzv. chemický potenciál, Ni…počet částic druhu i Lasery v konzervátorství 15 Důsledky Popis ideálního plynu v nádobě: Navzájem identické, ALE rozlišitelné částice Počet částic (zde molekul) Ni na hladině s energií Ei z celkového počtu částic N0 Boltzmannovo rozdělení: Ni = 1/Z*giN0*1/exp(Ei/kT) gi…statistická váha, stupeň degenerace hladiny Ei neboli počet podhladin, na které se hladina rozštěpí v mag. poli Z…stavová suma (partiční funkce) – má funkci normovací konstanty Z = Σi gi 1/exp(Ei/kT)…součet všech možných stavů i s energiemi Ei E Pravd. obsazení hladiny E T1 > T2 > T3 Lasery v konzervátorství 16 Maxwellovo rozdělení velikostí rychlostí v v libovolném směru molekul plynu – formálně = Boltzmannovo rozdělení kinetické energie molekul převedené na rychlost Nejpravděpodobnější Průměrná Střední kvadratická Lasery v konzervátorství 17 Popis degenerovaného (nízká teplota vzhledem k EF) elektronového plynu v kovech a plovodičích: Nerozlišitelné částice se spinem = násobku ½…fermiony Počet částic Ni na hladině s energií Ei z celkového počtu částic N0 Fermi – Diracovo rozdělení: Ni = N0*ρ(E)/[exp(Ei-EF/kT) + 1] EF…Fermiho energie – nejvyšší obsazená hladina při T = 0 K. ρ(E)…hustota stavů; pro elektrony v pevné látce ρ(E) = 8√2πm3/2 √E/h3 Pravd. obsazení hladiny E Př.: Experiment. fotoelektronové spektrum kovového Ru Lasery v konzervátorství 18 Popis fotonového plynu – záření černého tělesa: Nerozlišitelné částice s celočíselným spinem …bosony (zde fotony se spinem 1) Počet částic N s energií E z celkového počtu částic N0 –zde fotony Bose – Einsteinovo rozdělení: N = N0*ρ(E)/[exp(E/kT) - 1], pro fotony E = hf, ρ(E)…hustota stavů, pro černé těleso ρ(E) = 8πf2 hf/c3 E N Lasery v konzervátorství 19 Vlastnosti světla Chová se podle principu nejmenší akce: Hmotný bod se pohybuje tak, aby jeho dráha byla extremální, tj. energeticky co nejvýhodnější. V optice – Fermatův princip => důsledky: ohyb, lom a odraz světla Snellův zákon lomu zákon odrazu Totální odraz – užití v optických vláknech: Lasery v konzervátorství 20 Lasery v konzervátorství 21 1. Mnohavidová vlákna jádro až 1000x větší než u jednovidových, velký počet drah po nichž paprsky procházejí - proto se vlákna nazývají mnohavidová. SI= Step index (skokový index lomu) Do vlákna vstupují vidy (paprsky) pod mnoha úhly, šíří se totálním odrazem , vytváří mnohavidový způsob šíření signálu Používá se na krátké vzdálenosti Nevýhoda: vidová disperze = rozptyl, což omezuje šířku přenášeného pásma GI = gradient index (plynulá změna indexu lomu) z tisíce tenkých vrstev, které se liší n lomu . Čím je paprsek dál dál od osy jádra tím je n lomu menší, až paprsek přejde do kolmice a nakonec se vrátí k ose jádra Výhoda : eliminace vidové disperze = menší zkreslení, jednotlivé vidy dojdou na konec vlákna zhruba ve stejném časovém okamžiku Velmi často používané v datových aplikacích Lasery v konzervátorství 22 2. Jednovidová SI (single mode) nejlepší parametry optické přenosové cesty. Mají nejmenší průměr jádra do 10 μm. velký úhel odrazu ve vlákně, vede k menšímu prodloužení dráhy paprsku: signál tvořen jedním videm, který se šíří podél osy jádra, při ohybu se odráží od jádra téměř nemá vidovou disperzi, pouze chromatickou a polarizační vidovou disperzi nejrozšířenější vlákno v telekomunikacích výroba z homogenní skloviny Vlákno s jádrem 25 μm – zkreslení přenosu obrazu již na velmi krátkou vzdálenost – „smajlík“ se rozpadá Lasery v konzervátorství 23 Nicol (Isladský vápenec) Vlastnosti příčného vlnění - Polarizace U světla z tepelného zdroje vektor E kmitá rovnoměrně všemi směry – vektor E kmitá v jednom směru – lineární polarizace -vektor E kmitá ve dvou navzájem kolmých směrech – 2 vlny: fázový posuv 90° a stejná intenzita obou kolmých složek – kruhová polarizace, s různou intenzitou nebo jiným fázovým posuvem – eliptická polarizace Lasery v konzervátorství 24 Lineární polarizace vhodnými anizotropními krystaly (turmalínsložitý silikát-1, islandský vápenec-2, (D)KD(2)P ((Deuterated) Potassium (Di)hydro Phosphate)-3, BBO (β-Barium Borate BaB2O4), LBO (LiB3O5) (Lithium triborat) )1 2 3 Nd:YAG Lasery – generace 2. harmonické Lasery v konzervátorství 25 http://edu.techmania.cz/cs/encyklopedie/fyzika/svetlo/holografie http://edu.techmania.cz/cs/encyklopedie/fyzika/svetlo/interference-svetla http://edu.techmania.cz/cs/encyklopedie/fyzika/svetlo/polarizace-svetla Lasery v konzervátorství 26 Zkřížení 2 krystalů – polarizátor a analyzátor – užití v analytické chemii – sacharimetr – kyveta s cukerným roztokem stáčí rovinu lineárně polarizovaného světla o úhel přímo úměrný délce prostředí a koncentraci sacharózy Cirkulární dichroizmus – lineární polarizaci lze rozložit na 2 stejně intenzivní složky – pravo a levotočivě kruhově polarizovanou; některé látky pohlcují různě levo a pravotočivou složku polarizovaného světla a tyto mají různé indexy lomu => užití v chem. analýze Lasery v konzervátorství 27 David Brewster (1781-1868) Brewsterův úhel je takový úhel dopadu (odrazu) α, při kterém odražený a lomený paprsek svírají pravý úhel. odrazivost Světlo odražené pod B. úhlem je úplně polarizováno kolmo na rovinu dopadu neboli v rovině předmětu. Pro kovy toto nikdy nenastane Široké užití – polarizační filtry – fotografování apod… Obecně je odražené světlo od dielektrika i kovu elipticky polarizované, i když dopadající polarizované není => elipsometrie – měření indexu lomu a absorpce látek Lasery v konzervátorství 28 Vlnové vlastnosti světla Interference – superpozice (skládání) dvou a více vln, Δ…fázový rozdíl vln A, B Δ = 0…konstruktivní Δ = π…destruktivní Lasery v konzervátorství 29 Podmínky vzniku interference Koherence – míra neměnnosti fáze superponujících vln, pokud se fáze s časem * nebo se vzdáleností** zdrojů vln mění, mění se i interferenční obrazec, je-li to příliš rychle, tak se rozmaže až zanikne ↓ *Časová **Prostorová Koherenční délka – vzdálenost mezi projekčním stínítkem a zdrojem vlnění, při které právě vymizí interferenční obrazec, posuzuje se podle stupně koherence z↓ Viditelnost interference: (Imax – Imin)/(Imax + Imin) , určuje kontrast int. proužků Tepelné zdroje (plamen, černé těleso, žárovka) i výboje vyzařují náhodně fotony s různými fázemi z různých míst – velmi malá koherenční délka mm Lasery – 0,1-100 m (ve vakuu tisíce km, nejlepší pro viditelnou oblast, rasery pro RTG LC/RC Oscilátory – nejlepší pro ostatní radiové vlny, masery pro MW Synchrotrony – nejlepší pro RTG a gama Lasery v konzervátorství 30 Interference na dvojštěrbině – Youngův pokus Interference průchodem: Maxima: sudé násobky půlvln Minima: liché To vše důsledek Huygensova – Fresnelova principu: Každý bod vlnoplochy se stává zdrojem kulových vln, proto ohyb (difrakce) na rohu, na štěrbině Lasery v konzervátorství 31 Průchod rovinných vln přes mřížku – př.: směs červené a modré Maximum nultého řádu m = 0 se nerozkládá Na průchod: Na odraz: Lasery v konzervátorství 32 Difrakce – daleké pole – Fraunhoferova – aproximace: na stínítko dopadají rovinné vlny (Youngův pokus a mřížka) -blízké pole – Fresnelova – složité matematické vyjádření -Důsledek difrakce: Světlo nelze zaostřit na libovolně malou plochu, ideální spojná čočka o ohn. vzdálenosti f a průměru D zaostří monochromatický svazek (z laseru) na plošku o průměru d: f D d 44.2 f D d 27.1 Plochý profil paprsku: Gaussovský (viz dále) profil paprsku: Lasery v konzervátorství 33 Interferometrie Michelsonův interfereometr Posuvné zrcadlo mikrometrickým šrubem Polopropustné zrcadlo Plošný zdroj monochrom. světla - laser Kompenzační destička stejně opticky tlustá jako polopropustné zrcadlo Pozorovatel – detektor – interferenční kroužky Vzdálenost interferenčních maxim d = mλ/2, m…celé číslo Pevné zrcadlo Lasery v konzervátorství 34 Lasery v konzervátorství 35 Mach-Zehnderův interferometr Index lomu n větší než okolní vzduch v kyvetě se vzorkem, výbojové trubici, plameni, otevřeném výboji, způsobí zpomalení světla a fázový rozdíl po dopadu na detektor a posuv interferenčních proužků Kyveta se vzorkem Př. Měření hustoty elektronů Ne ve výboji – n-1 ≈ e2/(8π2*ε0mec2)*(λ2Ne) D1 D2 Lasery v konzervátorství 36 Fabry-Perotův interferometr a interferenční filtr Interference na planparalelní vrstvě Pod vhodným úhlem projde jen určitá vlnová délka – monochromatizace záření, laserové rezonátory Skleněné desky s odrazivostí r Maximum mλ Rozlišovací schopnost m…celé číslo Lasery v konzervátorství 37 Lasery v konzervátorství 38 Jaminův interferometr Př. Měření indexu lomu n plynu srovnávací metodou S… sodíková výbojka, T…propustnosti kyvet o délce l s referenčním a měrným prostředím, H… kompenzační destičky, D… dalekohled s nitkovým křížem pro odečet počtu proužků, k… počet prošlých interferenčních proužků n2 = n1+kλ/l Lasery v konzervátorství 39 Moiré interference vzor vznikající při vzájemném složení obrazů v různých rozlišeních. Může se objevit například při zobrazení drobného kosočtverečného vzoru na obrazovce. Moiré vzniká tehdy, když pravidelný obrazec pole buněk snímače fotoaparátu nebo zobrazovacích bodů obrazovky nebo displeje interferuje s nějakým pravidelným vzorem na ploše zobrazení (např. struktura tkaniny, tašky na střeše, ...). Překrývání dvou pravidelných obrazců, jež jsou si podobné, ale nejsou dokonale vyrovnány, vede ke vzniku sady vzorů - moiré efektu. Ten se projevuje jako barevné pruhy nebo kruhy. Měření členitosti povrchů předmětů: Záření z laserové diody prochází mřížkou, difraktuje a dopadá na zkoumaný povrch, odráží se od něj a složený interferenční obrazec z pruhů z mřížky deformovaný odrazem od nerovností povrchu se zaznamenává a analyzuje. kamera mřížka laserová dioda předmět Lasery v konzervátorství 40 Literatura např.: Isaac Amidor, The Theory of the Moiré Phenomenon: Volume I: Periodic Layers, Springer, London 2009 Lasery v konzervátorství 41 Lasery v konzervátorství 42 Pomocí moiré efektu lze měřit členitost povrchů – interfer. proužky jako vrstevnice, -odhalování defektů Lasery v konzervátorství 43 Koherentní světlo - používá plynové lasery (He-Ne, pulsní málokdy) Potřebuje velmi citlivou fotografickou emulzi - až 1400 bodů na mm - , nejčastěji AgBr nebo dichromanová želatina Záznam: Na fotodesku dopadá zároveň nosná vlna (laser) i odražená od předmětu. Interferují spolu a interferogram se zaznamená => záznam intenzity i fáze vlny. Fotografie – jen záznam intenzity. Při rekonstrukci je potřeba úzký paprsek světla pod určitým úhlem, sebemenší kousek záznamové desky obsahuje veškerou informaci => uvidíme jej zase celý, poklesne však rozlišení Rozdělení hologramů Plošné – na průchod Objemové – na odraz, kopie se lisují, bílé světlo => každá barva se odrazí jinak jako duha a difrakční mřížka Využití hologramy, paměťová média, mikroskopie, fokusace laseru, srovnávání objektů Holografie – prostorový záznam předmětu, 1948 Denes Gabor Řecky „holos“ = úplný Lasery v konzervátorství 44 Záznam hologramu Rekonstrukce - odraz Rekonstrukce - průchod Bílé světlo Obj. holog. Neskutečný obraz λ1 Neskutečný obraz λ2 neskutečný obraz Lasery v konzervátorství 45 Makroskopické zdroje světla Plamen (chemické reakce), elektrický výboj, žárovka, světelná dioda (Light Emitting Diode), luminiscenční stínítko obrazovky, laser Lasery v konzervátorství 46 LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Zesílení světla stimulovanou emisí záření Pro laser je nutná tzv. populační inverze – na vyšší hladině udržovat přebytek elektronů než na nižší a elektrony z vyšší hladiny řízeně (stimulovaně) deexcitovat na nižší hladinu Spontánní emise – pravděpodobnost excitace elektronů na vyšší než základní hladinu se řídí Boltzmannovým rozdělením Pro 2 hladiny platí, že s růstem populace na horní úrovni klesá rozdíl mezi populacemi na horní a dolní úrovni, a tím se zmenšuje schopnost pohlcovat energii záření. Mezní stav nastane při rovnosti populací při velké intenzitě čerpání => elektronů se nemůže na vyšší hladině hromadit více než na spodní. Pro populační inverzi nutné alespoň 3 hladiny. Stimulovaná emise – elektrony na hladině s relativně dlouho dobou života (metastabilní) jsou stimulovány dopadajícím fotonem k sestupu na nižší hladinu a emisi zcela shodného fotonu (polarizace, směr, energie, fáze), který emisi vyvolal Lasery v konzervátorství 47 a), b) přirozené procesy c) 3-hladinový proces s prostřední metastabilní hladinou Pro laser musí být aspoň 3 hladiny Energie hladiny Počet elektronů Lasery v konzervátorství 48 Obecné schéma laseru polopropustné zrcadlo (ven projde např. 1%) odrazné zrcadlo Čerpání – výbojka, diody, jiný laser NEBO výboj v aktivním prostředí NEBO chemická reakce Dutinový rezonátor typu Fabry-Perot hν Aktivní prostředí hν hν -vybuzení elektronů akt. prostředí na metastabilní hladinu jiinými fotony (čerpání) -přechod elektronu z metastabilní na nižší hladinu spontánně a emise fotonu -ten cestuje akt. prostředím, ale odrazí se zpět od zrcadla a po srážce s částicí akt. prostředí „shodí“ elektron s metastab. hladiny dolů => další úplně stejný foton a cyklus se opakuje (zpětná vazba u zesilovače) => exponenciální lavina -vniká stojaté vlnění, je-li délka rezonátoru L = mλ/2 – rezonuje v dutině -fotonů je pak tolik, že výsledný světelný paprsek opouští tělo laseru průchodem přes polopropustné zrcadlo Lasery v konzervátorství 49 Typický F-P rezonátor Podmínka laserování: (R1R2)1/2G > 1, G…zesílení, R1,2…odrazivosti zrcadel Lasery v konzervátorství 50 Dělení laserů podle aktivního prostředí na pevnolátkové (př. rubín, yttrium aluminium granát, skla, keramika). Výhodou skel je jejich snadná výroba oproti metodě pěstování krystalů. Je jednodušší u nich dosáhnout homogenity prostředí, mají dobrou optickou kvalitu povrchu, lze je dobře opracovávat, ale za to mají mnohem větší rozměry, menší tepelnou vodivost a menší tvrdost. Keramika je oproti krystalům levným materiálem a má lepší tepelnou vodivost nežli sklo. kapalinové (roztoky organických barviv odolné proti rozkladu benzenových jader vlivem světla a času) plynové (atomární, molekulové, iontové). Prostředí plynů je více homogenní oproti kondenzovaným látkám, proto je výstupní svazek méně deformován. Nevýhodou je ale malá objemová hustota částic, z čehož plynou menší výstupní výkony. Lasery proto musí být mnohem rozměrnější. plazmatické polovodičové. Mají velkou účinnost, malé rozměry, jsou levné. Výstupní paprsek má velkou rozbíhavost. Lasery v konzervátorství 51 podle vysílaných vlnových délek: mikrovlnné (MASER) infračervené viditelné pásmo ultrafialové rentgenové (RASER) podle zúčastněných energetických hladin na kvantovém přechodu elektronové molekulární (rotační, rotačně - vibrační, vibrační) elektronové podle časového provozu laseru impulsní (dlouhé, krátké, velmi krátké) pulsní kontinuální podle typu buzení opticky (pro pevnolátkové a kapalinové) elektrickým výbojem (pro plynové) elektronovým svazkem tepelnými změnami chemicky rekombinací (pro polovodičové) injekcí nosičů náboje. Lasery v konzervátorství 52 Typ laseru Aktivní prostředí Vlnová délka Spektrální oblast Příklady použití Pevnolátkové Rubínový Rubín 694,3 nm červená holografie, odstraňování tetování Nd:YAG Neodym, YAG 1064 nm IR litografie, chirurgie, strojírenství, spektroskopie Ho:YAG Ho:YAG 2,1 μm IR chirurgie, stomatologie Er:YAG Erbium, YAG 2,94 μm IR chirurgie, stomatologie Titan-safírový titan, safír 690 - 1000 nm červená, IR spektroskopie, fs pulsy Alexandritový Alexandrit 700 - 800 nm červená, IR žíhání, řezání Kapalinové: vzácné zeminy, barvivové Rhodamin 6G Rhodamin 6G 570-650 nm žlutá, oranžová, červená dermatologie Kumarin C30 Kumarin C30 504 nm zelená oftalmologie, chirurgie Přehled laserů Lasery v konzervátorství 53 Plynové - Atomární He-Ne laser hélium, neon 543 nm, 633 nm zelená, červená zaměřování polohy Měděný laser měď 510 nm, 578 nm zelená podmořská komunikace a lokace Jodový laser jód 342 nm, 612 nm, 1315 nm viditelné, IR věda, termojaderná syntéza Plynové - Iontové Argonový laser argon 488 nm, 514 nm modrá, zelená oftalmologie, spektroskopie Héliumkadmiový laser hélium, kadmium 325 nm, 442 nm UV, modrá Plynové - Molekulární Vodíkový laser vodík 100 - 120nm, 140 - 165nm UV CO2 laser Oxid uhličitý 10,6 μm IR sváření, řezání, stomatologie, dermatologie CO laser Oxid uhelnatý 5 - 6,5μm IR Excimerové lasery ArF, KrCl, KrF, XeCl, XeF 193 - 351 nm UV oftalmologie, laserová ablace, fotolitografie, fotochemie Dusíkový laser dusík 328 - 337 nm UV MALDI Lasery v konzervátorství 54 Polovodičové GaAs laser GaAs 650 nm, 840 nm červená, IR laserová ukazovátka, laserová tiskárna GaAlAs laser GaAlAs 670-830 nm červená telekomunikace, přehrávače CD, displeje AlGaInP laser AlGaInP 650 nm červená přehrávače DVD GaN laser GaN 405 nm modrá Blu-ray disky InGaAlP laser InGaAlP 630-685 nm červená lékařství Lasery v konzervátorství 55 Vybrané typy laserů Theodor H. Maiman 1960: Rubínový laser: Aktivní prostředí – krystal Al2O3 s příměsí Cr3+ jako 0,05 wt.% Cr2O3, vAl2O3 pulzní (až 109 W) i kontinuální (nutno chladit), je 3-hladinový Xe výbojka Nutno vyčerpat nahoru aspoň ½ zákl. hladiny Lasery v konzervátorství 56 Ali Javan, W. R. Bennet a D. R. Herriott 1961 Helium-neonový laser: 543, 594, 612, 633, 1150, 3390 nm He:Ne 5:1 - 20:1, výbojka 50 Pa na každý cm délky, I = 5 - 100 mA kontinuální, typicky 15-50 cm, výkon 1 - 100 mW, účinnost max 0,1 % nepružná srážka Lasery v konzervátorství 57 Nd:YAG – Aktivní prostředí: krystal Y3Al5O12 s ionty Nd3+ 1064 nm, puls i kont., buzení Krresp. Xe-výbojkou nebo diodami, pulzy typicky 4-20 ns, typicky 10-stovky mW kont., jinak až kW, účinnost běžne jednotky % Délka běžně 10 cm, průměr tyčinky Nd:YAG 6 mm Velmi rozšířený ve výzkumu: ablace, čištění, možnost konverze z IR do VIS (532 nm) nebo UV (335, 266, 213 nm) Lasery v konzervátorství 58 řezání a svařování, dermatologie, pulsní i kontinuální, axiální nebo příčná excitace aktivního prostředí, do 20 kW, typicky 500-5000 W, účinnost i 30 % Špičkový výkon v pulsu normálně stejný jako maximální cw výkon, tzn. že průměrný výkon se při pulsaci sníží. Některé CO2 lasery špičkový výkon až 5x vyšší, než je kont. tzv. superpulsace . různé konstrukce rezonátorů, systému proudění plynu a elektrického výboje, každá s vlastní specifickou charakteristikou. CO2 C.K.N. Patel, 1964, 10,6 μm, puls 0,1 ms až kont., akt. prostředí je směs nejčastěji CO2, N2, He (např. 3:4,5:7,5) přenos energie jako u He-Ne laseru z N2 na CO2 Vibrační hladiny Srážky s atomy He Lasery v konzervátorství 59 CO2 lasery s pomalým prouděním (axiální) (slow axial flow asi 1 l/s) -tradiční nejstarší CO2 laser s pomalým prouděním plynů rezonátorem. Prostřednictvím stejnosměrného nebo střídavého elektrického výboje se přivádí energie aktivnímu prostředí-ohřev směsi plynů a následná expanze tryskou do nižšího tlaku (1 kPa) – v tento okamžik se stává aktivním laser. prostředím. Výboj má směr shodný s osou rezonátoru i svazku vystupujícího záření. Výkon cca 50 W na jeden metr délky výbojové trubice v rezonátoru. Výstupní výkon na metr délky rezonátoru je limitován možností chlazení. Dosahuje se stabilní výstupní výkon a dobrá modová charakteristika svazku záření, což je příčinou hladkých a jakostních řezů. Využívají se asi do 1000 W výstupního výkonu. Provoz je pulsní i kontinuální. Lasery v konzervátorství 60 CO2 lasery s rychlým prouděním (axiální) (fast axial flow asi 300 l/s) Aktivní plyn proudí dutinou laseru vysokou rychlostí. Potřebné chlazení plynu a jeho regenerace jsou zajišťovány mimo dutinu rezonátoru. Tento typ laserů je kompaktní konstrukce, výkon se dosahuje 500 až 1000 W na jeden metr délky rezonátoru. Výsledná modová struktura svazku záření je obecně poměrně dobrá, často však dochází k rychlým fluktuacím modu, což může vést ke zhoršení kvality řezu. Fast axial flow lasery mohou pracovat také v pulsním provozu a to v širokých mezích, ale pomíjející fluktuace mohou způsobit horší stabilitu pulsů. Typický výkon laserů tohoto typu je v oblasti 500 až 5000 W. Elektrické napájení těchto typů laserů je běžně typu DC (stejnosměrné). V poslední době se objevily na trhu RF - excitované lasery, které jsou napájeny proudem vysoké frekvence v oblasti kHz AC (střídavě). Toto vede ke zvýšení stability paprsku. Dnes jsou využívány RF buzené lasery o výkonu cca 5 kW i více, jak s pulsním i kontinuálním provozem. Jsou často používány k řezání. Lasery v konzervátorství 61 CO2lasery s příčným prouděním (transverse - výhodnější) velmi kompaktní konstrukce: Laserový svazek, proudění plynu a elektrický výboj jsou ve třech různých směrech. až 1 kW na metr rezonátoru, celkem 1-20 kW, těžko řiditelný, tento typ laserů nemůže být obecně pulsován hlavně pro svařování a tepelné zpracování, jen velmi málo pro řezání buzen DC výbojem, výjimečně RF- mnohem lépe řiditelné než při DC Lasery v konzervátorství 62 Dusíkový laser – N2 (Heard 1963) Pulzní: jednotky (3) ns, obvykle <100 Hz, E pulzu obvykle pod 1 mJ (obvykle 40 - 370 μJ) Nízká účinnost (promile), široká čára (cca 0,1 nm)Metastabilní hladina Základní stav molekuly N2 Buzení příčným výbojem (5-40 kV), tlak desítky torr Obrovské zesílení – nepotřebuje ani zrcadla rezonátoru Lasery v konzervátorství 63 Barvivový laser – laditelný, celé viditrelné spektrum, pulzní i kont., akt. prostředí – kyveta s org. barvivem (rhodamin, kumarin, pyronin, tripoflavin), dermatologie – ošetření lézí a fluoresc. spektroskopie novotvarů, spektroskopie Mřížka nebo F-P interferometr: Ladění – výběr λ desítky nm Čerpání jiným laserem, pro VIS zeleným (N2 337 nm) nebo UV (frekv. ztrojený Nd:YAG 335 nm, excimer) nebo pulzní Xe-výbojkou Rhodamin 6G až 75% účinnost konverze, běžně ve VIS 20 %, při buzení výbojkou asi 10 % čerpání laser E 2 1 Široké pásy hladin barviva, krátká doba života hladin 2 => výkonné čerpání Lasery v konzervátorství 64 Excimer λ [nm] Ar2* 126 Kr2* 146 Xe2* 172, 175 ArF 193 KrF 248 XeBr 282 XeCl 308 XeF 351 CaF2 193 KrCl 222 Excimerové lasery: 1970 Nikolaj Basov, pouze pulzní 4-40 ns, energie do asi 0,3 J, opak. frekvence až kH, jako plynové lasery, ale vyšší tlak (nad 200 Pa), nutné intenzivní čerpání el. výbojem v akt. prostředí nebo elektronovým svazkem (102 A cm-2), hladiny vytvořené v exitovaných 2-atomových komplexech (exciplexech) dimerech – hlavně molekuly s aspoň 1 atomem vzácného plynu existující jen v exc. stavu Vibr. hladiny E vaz- by Konverze do zákl. stavu – rozpad exciplexu Mezijaderná vzdálenost Lasery v konzervátorství 65 Buď elektrony pronikají přes tenkou kov. fólii a budí plyn pod vyšším tlakem nebo přes kovovou urychlující mřížku na anodu – excitují nárazem atomy plynu Buzení jiskrovými výboji Kvalitní profil paprsku, výborné obrábění, oftalmologie, LA-ICP-MS, nestabilní náplň (difuze apod…), nákladná optika pod 200 nm (absorpce) Účinnost 0,06-přes 1 % Lasery v konzervátorství 66 propustný směr závěrný směr Polovodičové lasery Schéma polovodičového přechodu Lasery v konzervátorství 67 L Aktivní oblast Nosiče injektované přes přechod PN mohou rekombinovat zářivě nebo nez. Rekombinační záření může interagovat s valenčními elektrony a být jimi pohlceno nebo s elektrony vodivostního pásu a indukovat vyzáření identického fotonu. Je-li koncentrace injektovaných nosičů dostatečně velká, úroveň indukovaného záření může převýšit absorpci => inverze a zesilnění, laser – od hodnoty proudu zvané prahový proud, je-li nižší, svítí jako LED. Spodní hladiny vodivost. pásu mají delší dobu života než horní – elektron shozený z ní fotonem do valenčního pásu je okamžitě nahrazen pádem jiného el. z vyšší vodivostní hladiny – udržování inverní populace. Přesně obrobené a hladké konce se zrcátky L splňuje rezonanční F-P podmínku Lasery v konzervátorství 68 Polovodičový laser - prahový proud Ip Lasery v konzervátorství 69 Šířka pásma (čáry) emitovaného diodou – LED nebo LASER Lasery v konzervátorství 70 Sanyo: 405 nm, až 85 mW 630-650 nm Velká rozbíhavost svazku, široké čáry, levné Lasery v konzervátorství 71 Př.: Philips CQL10 laser 790 nm ve vzduchu. Hloubka výpalu = asi ¼ λ Typ výkon λ Použití GaAs 5 mW 840 nm CD přehrávače AlGaAs 50 mW 760 nm tiskárny GaInAsP 20 mW 1300 nm optická vlákna Lasery v konzervátorství 72 Rezonátor, šířka čáry, podélné módy Délka rezonátoru L = několik set tisíc λ, zesilují se jen násobky půlvlnné délky => extrémně úzké čáry (10-4-5 nm) – téměř jen přirozená šířka zesílení práh Číslo módu Výkon laseru Podélné módy Profil čáry laserového přechodu bez rezonátoru (spontánní emise) – hlavně Dopplerovo rozšíření (viz dále) S rezonátorem Někdy nutná selekce centrálního módu: zmenšením zesílení, disperzním prvkem nebo absorbérem v rezonátoru Vzdálenost 2 sousedních podélných módů rezonátoru Lasery v konzervátorství 73 Rezonátor, příčné módy Transversálně elektromagnetické (TEMpqr)…indexy p, q – počet minim v příčných směrech, r…počet podélných minim – velmi vysoký Z teorie elmag. pole plyne pro válcový rezonátor, že energeticky nejvýhodnější je TEM00. Je-li profil jiný, něco nebývá v pořádku. Lasery v konzervátorství 74 Interakce s materiálem – nutná velká plošná hustota výkonu, běžně u kont. laserů „rozumné velikosti“ nedosažitelná Proto generování pulzů Q-switch: režim modulované kvality rezonátoru Jakost (kvalita) rezonátoru Q = výkon obsažený v rezonátoru/ výkon přeměněný na teplo U laserů více než 108, běžně 109, přímo ovlivňuje šířku zesilované čáry Δf = f/Q => velmi tenké čáry ≈ desetiny MHz u plynových, u polovod. široké ≈ 0.1 nm (10 GHz) a více Ztráty jsou: nerovnoběžností, nerovností, absorpcí, difrakcí na okrajích zrcadel, absorpcí v rezonátoru Toho lze využít pro generaci pulzů s mnohem větším výkonem než v kont. režimu. Lasery v konzervátorství 75 Lin. polarizátor Nd:YAG KDP λ/4 Kruhový pol. - tam a zpět - výsledně 90° lineárně Pockelsova cela - kruhový polarizátor, opt. aktivní při zapnutí = U ≈ kV nastaveno proti λ/4° => projde světlo zpět, jinak ne a absorbuje se R výstup R total Aktivní Q-spínání: Po dobu čerpání výbojkou uměle udržujeme zhoršenou Q rezonátoru – světlo jdoucí na R výstupní a zpět 2× prochází čtvrtvlnnou destičkou a pak neprojde zpět do akt. prostředí, dokud se nezapne U na celu, která jej otočí zpět. Po dobu vypnutého U není proto dostatek fotonů na stimulovanou emisi a na metastabilní hl. se hromadí elektrony. Pak se zapne U a fotony projdou zpět a „srazí“ nahromaděné el. z metastab. hladiny dolů => krátký výkonný puls Lasery v konzervátorství 76 Počet pulzů za 1s…opakovací frekvence Velká opakovací frekvence snižuje výkon v pulzu – nestačí se populovat metastabilní hladina. Bývá běžně 1-25 Hz pro Nd:YAG, pro N2 i 100 kHz (MALDI) Lasery v konzervátorství 77 Generace vyšších harmonických frekvencí Vlnové vysvětlení El. pole dopadající vlny pod vhodným úhlem na vhodný krystal jej polarizuje – vychýlení elektronu od iontu jako oscilátor na pružině. Je-li el. pole silné, neplatí přímá úměra mezi silou a výchylkou F = -kx, ale přibližně F ≈ - kx2 a výchylka je asymetrická. Při depolarizaci se navrátí elektrony do rovnovážné polohy a přitom vyzařují ne stejnou λ, ale spektrum, protože kmitají anharmonicky – ne sinusoidně, ale deformovaně, spíše obdélníkově v čase. Každý takový průběh lze rozložit do Fourierovy řady složené z nekonečně mnoha sinusovek. Výběr požadované λ selektivním (dichroickým) zrcadlem. Řazení krystalů za sebou pro vyšší násobky, ale klesá účinnost. Účinnost závisí na úhlu dopadu, teplotě a intenzitě dopadající vlny60 % 10 % Lasery v konzervátorství 78 Rozklad deformovaných asymetrických kmitů (a) na základní (stejná f jako budicí vlna) (b), 2. harmonickou s 2f (c) a konstantní posuv (d) Lasery v konzervátorství 79 Částicové vysvětlení: Při velké intenzitě světla se mohou 2 a více fotonů spojit do jednoho o větší energii. Je možné generovat součtové i rozdílové frekvence Krystaly s hexagonální symetrií Př. Lasery v konzervátorství 80 Rozbíhavost (divergence) laserového svazku pro ideální profil tvaru rotačního gaussoidu diverg. úhel Hranice profilu vlnoplocha Osa šíření paprsku Poloměr křivosti Průměr w Gaussovského paprsku ve vzdálenosti z w…průměr gaussovského svazku – hranice pro pokles intenzity z centrálního maxima na 1/e2, obsahuje 86,5 % energie svazku Lasery v konzervátorství 81 DOF = (8λ /π )(f/D)2=2.44 λ (f/D)2 Zaostřování – spojná čočka Hloubka ostrosti – Depth Of Field Rovinná vlna Pro ideální čočku je průměr kotouče ve středu DOF = průměru Airyho disku (centrální minimum Fraunhof. dif. - viz dříve). Ohnisk. vzdálenost f Optická mohutnost [D…dioptrie] = 1/ohnisková vzdálenost Lasery v konzervátorství 82 Pro analýzu je nejlepší plochý profil paprsku. Někdy se gaussovský svazek tvaruje optickou soustavou. S1 S2= ideálně Prakticky vždy ztráty energie tvarováním, paprsek je plochý např. na 2/3 průměru, pak klesá intenzita prudčeji než Gauss. 1) 2) Lasery v konzervátorství 83 Čočky a jejich vady, zaostřování Běžné čočky – sférické, nemají skutečné ohnisko – mají jej jen v paraxiálním přiblížení = paprsky jdoucí blízko optické osy Chromatická aberace – barevná vada Každá vlnová délka má jiný index lomu –rozklad na barvy jako spektrometr - také otvorová vada – roste s poměrem průměru k ohn. vzdálenosti Lasery v konzervátorství 84 Astigmatismus – pro paprsky jdoucí ve dvou navz. kolmých rovinách je v každém směru jiná ohn. vzdálenost – jakoby přidána cylindrická čočka – místo 1 ohniska 2 kolmé úsečky 2) Souosé roviny – např. oko 1) Mimoosé roviny Lasery v konzervátorství 85 Protažení a rozmazání obrazu do 1 směru pro paprsky vstupující nerovnoběžně s osou Běžně výše uvedené efekty daleko přesahují difrakčí limit uvedený dříve. Je nutné vést paprsek středem čočky optickou osou – nejmenší zkreslení. Eliminace sférické vady – asférické čočky – velmi drahé nebo omezení vhodnou kombinací tvarů více sférických čoček Eliminace barevné vady není nutná pro laser (monochromatické záření) – vhodná kombinace spojky a rozptylky rozdílných indexů lomu Lasery v konzervátorství 86 Interakce laserového paprsku s látkou Absorpce, odraz v IC, UV, multifotonové procesy Paprsek ztrácí energii již před dopadem na vzorek Absorpce atmosférou, rozptyly, průraz (breakdown) Absorpce optickou soustavou – v materiálu čočky, okénku před vzorkem + odraz na každém rozhraní – jednotky % paprseklaser Povrch vzorku čočka paprseklaser Možný průraz atmosféry – ztráta energie i přes 1/2 Typické uspořádání 1) 2) Lasery v konzervátorství 87 Odraz paprsku Bezpečnost práce – odrazy a rozptyl - ochranné brýle, ochrana laseru před odrazy od předmětu i od čočky Difuzní - typické Jako rovinné zrcadlo Čočku ve tvaru menisku jako vypuklé zrcadlo Hrozba poškození laseru odrazem Lasery v konzervátorství 88 Zaostřování paprsku pomocí Schwarzschildova objektivu – kombinace vypuklého a dutého zrcadla – absence barevné vady, menší otvorová vada – parabolické zrcadlo s geometrickým ohniskem U zrcadla větší nároky na odolnost odrazné vrstvy vůči velké hustotě výkonu vzorek S otvorem uprostřed dutého zrcadla Bez otvoru šikmo