IR SEL ile Geleneksel Lazerlerin Karşılaştırılması. Ergün KASAP Gazi Üniversitesi

Transkript

1 IR SEL ile Geleneksel Lazerlerin Karşılaştırılması Ergün KASAP Gazi Üniversitesi

2 Spektroskopi, maddenin elektromagnetik radyasyonla (ışık) etkileşmesi ile oluşan soğurma, saçılma veya yayınımı kullanarak madde hakkında bilgi (spectrum) veren deneysel metodun adıdır. Elektromagnetik spektrum : Mutlak sıcaklığın üzerindeki tüm maddeler IR ışın salar. NIR: (1 2,5 μm, cm -1 ) görünür bölge olaylarına benzer MIR: (2,5 50 μm, cm -1 ) moleküler titreşim-parmak izi FIR: ( μm, cm -1 ) dönme (gaz), molekül hareketi (sıvı), fononlar (katı)

3

4 Spektrometre Kaynak Optik Sistem Dedektör Sinyal işlemleri Bölge Kaynak Optik Sistem Uzak UV Soygazdan deşarj LiF, penceresiz Yakın UV Görünür Orta ve Yakın IR neon ark, döteryum deşarj Tungsten flaman, neon ark Nernst flaman, globar kuartz Cam NaCl, KBr Dedektör Fotoçoğaltıcı tüp, Yarıiletken fotodiyod Fotoçoğaltıcı tüp, Yarıiletken fotodiyod Fotoçoğaltıcı tüp, Yarıiletken fotodiyod Golay hücresi, termocouple, bolometre, pyroelectric, yarıiletken fotodiyod Uzak IR Civa ark Polimer Golay hücresi, termocouple, bolometre, pyroelectric mm Dalga Klyston Mika, Polimer Golay hücresi, termocouple, bolometre, pyroelectric, kristal diyod Dalgaboyu nm nm 0,4-0,7 μm 1-50 μm 50 μm-1 mm 1-10 mm Mikrodalga Klyston Mika Kristal diyod 1-10 cm

5 IR Kaynak (Source) IR ışık kaynağı spektrometre veriminde önemli yer tutar. Cihazın sinyal-gürültü oranı kaynakla doğrudan ilişkilidir. Cihaz veriminde spektral bölge, kararlılık ve kaynak ömrüde etkilidir. Tipi Metot Madde Örnek Kaynak Dalgaboyu (μm) Tungstel İnfrared bulb 1 2,5 Isısal Yayınım Akımla direnç ısıtma Diğer güç kaynakları ile ısıtma Nicrome Kanthal Elektrik Isıtıcı 2-5 Silikon Karpit Globar 1-50 Seramik Nernst Glower 1-50 Metal Steath ısıtıcı 4-10 Seramik IRS tipi lamba 4-25 burner 1-20 Deşarj ile ısıtma Karbon Karbon ark lambası 2-25 Soğuk Yayınım Gaz deşarjı Civa,Sezyum,Neon Civa lamba, neon lamba 0,8 2,5 Kendiliğinden Yayınım Lazer Karbon dioksit, GaAs, Pb bileşikleri ,1 1,5 6-7 Hızlandırıcı FEL Elektron 1-100

6 LASER Genel olarak üç ana kısımdan oluşan sistem temel olarak; Kaynak : elektrik deşarj, flaş veya ark lamba, başka laser, kimyasal reaksiyon vb. Kazanç veya Lazer ortamı : oluşan tersine birikimin kendiliğinden veya uyarılma ile yayınımından, tek dalga boylu sürekli veya pulslu ışınım elde edilir. Kavite : Optik sistemde kazanç artırılır.

7 LASER Lazerler tıp, endrüstri, askeri, bilimsel ve iletişim amaçlı vb. çok değişik ve geniş bir kullanım alanına sahiptir. Çeşitleri: Gaz : He-Ne,Ar,Kr,Xe(IR),N,CO 2 (IR),CO(IR),Excimer Kimyasal : HF 2 (IR), DF 2 (IR),COIL(IR) Boya : Değişik boya maddeleri ile Metal Buharı : HeCd,HeHg,HeSe,Cu,Au Katıhal (genelde IR) :Ruby, Nd:YAG,:YLF,:YVO,:YCOB,:Glass, Er:YAG,Ti:Sapphire,Tm:YAG,Yb:YAG vb. Yarıiletken (genelde IR): GaN,AlGaAs,Quantum cascade vb. Diğer Tip : FEL, Nikel-benzeri Samarium, Raman, Nükleer fisyon

8 LASER

9 LASER

10 LASER Lazerin Özellikleri monochromatic : Tek dalgaboyuna sahip ışın salar coherent : Salınan ışınlar aynı fazdadır elektro magnetik dalga: Salınan ışın emd özelliklerinin tümüne sahiptir. collimated : Salınan ışın çok dar bir alanda yüksek yoğunlukta ve biribirine paralel olarak ilerler, yüksek yoğunluktadır cw or pulsed : Salınan ışın kaynağa bağlı olarak sürekli veya puls modunda olabilir polarize : Salınan ışın kaynağa bağlı olarak kutuplanmış olabilir

11 IR SEL ve Lazerlerin Farkları Özellik IR Lazer IR SEL Dalgaboyu Tek dalgaboyludur,belli dalga boyunda çıkış verir (1-10 μm) Tek dalga boyludur, geniş bir aralıkta dalga boyu değiştirilebilir (1-150 μm) Faz Işınım aynı fazdadır Işınım aynı fazdadır Güç (Tıp çalışmasında önemli) Puls (Tıp çalışmasında önemli) Oluşumda ve aktarmada ısı enerjisi Güçlü ve yoğun Sürekli veya ns mertebesinde pulslu Akustik hızda (~10 3 m/s) Çok güçlü pik ve ortalam güçde, çok yoğun (10 katdan fazla) ps-ns mertebesinde puslu Işık hızında (~10 8 m/s) S/N oranı Düşük Daha düşük

12

13

14

15 IR kaynak ve küçük boyutlu deliklerden geçen ışınların delik boyutlarına bağlı gürültü oranları Thermal IR source Synchrotron IR source

16 Işık kaynağının S/N oranının delik boyutlarına bağlı değişimi

17 IR Dedektör Termal ve quantum tipinde olmak üzere iki tipdir. Termal dedektörler, infrared enerjiyi ısı olarak kullanır ve dalgaboyundan bağımsız davranır, soğutma istemez fakat yanıt zamanı yavaş ve dedeksiyon kabiliyeti düşüktür. Quantum (Yarıiletken) dedektörler, dalgaboyuna bağlıdır, genelde soğutmak gerekir (yakın IR de gerekmeyebilir), yanıt zamanı çok hızlı ve dedeksiyon kabiliyetleri yüksektir. Spektral bölgeleri 0,7-40 μm arasında değişir.

18 IR FEL: (Osaka Un μm, FELIX μm, California(UCSB) 1-60 μm, CLIO 3-60 μm vb.) IR de FEL kaynağının bu çalışmalara ne tür katkı yapabileceğini özelliklerinden faydalanarak çıkarabiliriz. IRFEL, -birkaç ps, oda sıcaklığındaki linacda μs ve süperiletken cihazlarda ms uzunluğunda mikro-puls serileri şeklinde zaman yapısına sahiptir ve yüksek çıkış gücü vardır. - Puls uzunluğu ve çizgi genişliği cihaz limitleri içinde değiştirilebilir. -Düşük çizgi genişliğine sahip ışık ile non-linear spektroskopi çalışılabilir MW mertebesinde pik gücü vardır.makroatmalarda ortalama güç birkaç kw dır. -Dalgaboyu geniş bir alanda hassas olarak değiştirilebilir. -Demet çizgisel polarizedir. -Uzun ve sürekli çalışma süresi (tipik 2000 h/yıl (8h) 250 gün/yıl (260gün))

19 IR FEL ile Mikroskopi ve Spektroskopi Uygulamaları IR spektroskopisi uzun yıllardır birçok araştırmacının, bir çok konuda deneyler yaptığı çok geniş bir alandır. IR yi üç bölgede ele alabiliriz (terahertz bölgesi ~30 μm=10 THz), NIR (1-2,5 μm) bölgesi, Titreşim üstton ve kombinasyon bandlarının bulunduğu bölgedir. Titreşimle ilgili çok fazla bilgi vermez, reaksiyon izlemede kullanılabilir. Katı ve sıvı madde çalışılabilir. MIR (2,5-50 μm) bölgesi: Titreşim spektroskopisinde en yoğun kullanılan bölgedir. Parmak izi bölgesi olarak isimlendirildiğinden çok geniş bir kullanım alanı vardır. Katı, sıvı ve gaz madde çalışılabilir. FIR ( μm) bölgesi: metal-metal veya ligant-metal bağı gibi kuvvetli bandların gözlenebildiği bölgedir. Çok yaygın kullanılmaz. Katı, sıvı ve gaz madde çalışılabilir. Teşekkürler