TURUN AMMATTIKORKAKOULU TYÖOHJ 1/7 24AB. Lasertutkimus ja spektrianalyysi 1. Työn tarkoitus Lasereilla on runsaasti käytännön sovelluksia esimerkiksi tiedonsiirrossa, aineiden analysoinnissa ja työstämisessä sekä terapiassa. Työn ensimmäisessä, lasertutkimusosassa tutustutaan interferenssi-ilmiöön ja valon diffraktioon eli taipumiseen. Työn toisessa osassa tutustutaan valon refraktioon eli taittumiseen. Aineen emittoiman eli lähettämän valon spektrin (aallonpituusjakauman) tutkimisella on nykyään keskeinen rooli aineiden ominaisuuksien analysoinnissa. Teollisuudessa käytetään automaattisia hilaspektrometrejä, joissa hila taivuttaa näytteen emittoimat eriväriset viivat eri taipumakulmiin, jotka mitataan herkin ilmaisimin. Työn ensimmäisessä osassa tutkitaan valon taipumista hilassa ja kapeassa esteessä. Työn toisessa osassa tutkitaan kaasupurkausputken emittoimaa viivaspektriä yksinkertaisella prismaspektroskoopilla, jossa hilan sijasta prisma taittaa eriväriset valonsäteet hieman eri kulmiin, jotka havaitaan silmällä. Laitteiden nimissä metri viittaa mittaamiseen ja skooppi katseluun. Ilmaisinten toimintaperiaate on sama. 2. Teoriaa Atomeilla ja molekyyleillä on tietyt tarkat energiatasot, jotka niiden elektronit miehittävät. Normaalisti elektronit sijaitsevat alimmilla mahdollisilla energiatasoilla. lektroni voi nousta jollekin ylemmälle energiatasolle vain, jos se saa jostain energialisän, joka on tarkalleen uuden ja alkuperäisen tason energioiden ero:. Tässä 2 on ylemmän tason energia ja 1 on alemman tason energia, ja siis 2 > 1. Lisäenergiaa elektroni voi saada, jos atomiin tai molekyyliin törmää sähkömagneettisen säteilyn fotoni eli valokvantti, jonka energia on juuri sopivan suuruinen: λ. (1) Tässä h on Planckin vakio, c valon nopeus ja λ fotonin aallonpituus. Tällöin sanotaan, että atomi absorboi ( imee ) fotonin (, joka lakkaa olemasta) ja atomi virittyy, ja että ylempään energiatilaan siirtynyt elektroni on noussut viritystilaan. Mikäli atomi absorboi niin suurienergiaisen fotonin, että elektroni siltä saamansa energian turvin poistuu atomista, sanotaan, että atomi ionisoituu. Aika, jonka atomi pysyy virittyneenä, on hyvin lyhyt, tyypillisimmillään nano- tai pikosekuntien luokkaa. Tämän jälkeen elektroni palaa spontaanisti alimpaan mahdolliseen tilaan joko alempien viritettyjen energiatilojen kautta askel kerrallaan tai suoraan alimpaan tilaan. Vapautuva energia poistuu atomista tai molekyylistä siten, että syntyy fotoni (tai useita fotoneja, jos siirtymiä on peräkkäin useita), jonka energia on sama kuin virittyneen ja alemman energiatason energioiden ero. Tällöin sanotaan, että viritystila purkautuu ja atomi (tai molekyyli) emittoi (lähettää) fotonin. Jokaiseen elektronin siirtymään energiatasojen välillä liittyy siis fotoni, jolla on tietty aallonpituus, joka voidaan laskea yhtälöstä (1). Kuva 1 esittää fotonien emissiota (A) ja absorptiota (B) atomiin ja siihen liittyvää elektronin siirtymistä atomissa energiatilojen 1 ja 2 välillä.
TURUN AMMATTIKORKAKOULU TYÖOHJ 2/7 fotoniemissio 2 elektronin siirtymä 1 2 1 fotonin absorptio elektronin siirtymä 0 0 Kuva 1. (A) fotonin emissio (B) fotonin absorptio Virittymisen syitä on useita. sim. korkea lämpötila, valokaaren tai kaasupurkausputken sähkökenttä, säteilyn absorptio, kemiallinen reaktio jne. voivat tuottaa virittymiseen tarvittavia sopivan energian omaavia fotoneja. Samoin viritystilan purkautuminen voi tapahtua usealla eri mekanismilla. ri atomeilla ja molekyyleillä on yksilölliset energiatilat, joten kukin voi absorboida tai emittoida vain tietyn aallonpituuden omaavia fotoneja. Atomin tai molekyylin absorptio- tai emissiospektri (ts. absorboituvien tai emittoituvien fotonien aallonpituuksien kirjo) on kullekin aineelle tyypillinen kuten sormenjäljet ihmiselle: jokaisella yksilölliset ja kaikilla erilaiset. Aine voidaan tunnistaa spektristään, joten spektrometriset menetelmät ovat hyvin tärkeitä analyysimenetelmiä. Laservalon erikoisten ominaisuuksien aikaansaaminen vaatii erityisolosuhteet, jotka poikkeavat siitä miten aine normaalisti voi säteillä valoa. Laser on lyhennys sanoista Light Amplification by Stimulated mission of Radiation, mikä tarkoittaa valon vahvistamista emissiota tehostamalla. Laserin lähettämän kirkkaan valon erityisominaisuudet ovat, että se on monokromaattista ja koherenttia. Näiden ominaisuuksien ansiosta laservalo toisaalta keskittyy kapeaksi kimpuksi, joka ei hajoa pitkälläkään matkalla, ja toisaalta tässä kapeassa säteessä valon kuljettama energia kohdistuu hyvin pienelle alueelle. Monokromaattisuus tarkoittaa, että valo on yksiväristä eli säteilyssä on vain yhden tietyn aallonpituuden omaavia fotoneja. Tätä varten laservalolähteen atomeissa tai molekyyleissä pitää jollain keinolla saada viritetyksi jokin tietty energiatilojen välinen siirtymä. Säteilyn koherenttisuus tarkoittaa sitä, että säteilyn valoaallot ovat samassa vaiheessa ja siten vahvistavat toisiaan interferenssi-ilmiön johdosta. Tämä saadaan laserissa aikaan stimuloimalla fotonien emissio siten, että kaikki viritystilat laukeavat yhtä aikaa. Stimuloidun emission toteutumiselle on eräitä lisäehtoja, ns. laserehtoja. (Ks. esim. Momentti 2, s. 488. Lisätietoa erilaisista lasereista saat esim. tietosanakirjan Spectrum osasta 6 tai Wikipedian englanninkielisestä artikkelista.) Työssä tutkittavat ilmiöt perustuvat valon interferenssiin ja diffraktioon, joihin on tutustuttava etukäteen (esim. Momentti 2, s. 387 400).
TURUN AMMATTIKORKAKOULU TYÖOHJ 3/7 Osa A: Lasertutkimuksia Tässä työssä käytetään He-Ne-kaasulaseria, joka on tunnetuin kaasulaser. Siinä valoa muodostuu heliumin ja neonin seoksessa, joka on suljettu kaasupurkausputkeen, jossa täytekaasujen osapaineiden suhde on 7:1 ja kaasun kokonaispaine on n. 1 mbar. Putken elektrodeihin kytketään korkea tasajännite ja kaasupurkaus saadaan alkamaan 5-6 kv jännitepulssilla. Purkauksen aluksi kaasuatomeista irtoaa elektroneja, jotka alkavat kiihtyä putken voimakkaassa sähkökentässä. Törmätessään He-atomeihin elektronit virittävät niitä. Kun virittyneet He-atomit puolestaan törmäävät Ne-atomeihin, siirtyy He:n viritysenergia Ne-atomeille. Tämän jälkeen Ne-atomit siirtyvät alemmalle energiatasolleen emittoiden valoa aallonpituuksilla 632,8, 1152,3 ja 1117,7 nm. Laitteen erikoispeilien ansiosta He-Ne-laser antaa vain punaista valoa, jonka aallonpituus on 632,8 nm. Valo-opillinen hila on lasilevy, johon on naarmutettu tasavälein hyvin kapeita yhdensuuntaisia viivoja. Naarmujen valoa läpäisevät välit ovat hilan rakoja. Valoaaltojen edetessä rakojen kautta kukin rako toimii itsenäisenä aaltoliikekeskuksena (Huygensin periaate), joka lähettää oman aaltonsa kaikkiin suuntiin. Hilan takana aallot vahvistavat toisiaan eräissä suunnissa ja kumoavat toisensa toisissa suunnissa interferenssi-ilmiön mukaisesti. Aallot vahvistavat toisiaan suunnissa, joissa toteutuu ns. hilayhtälö d sin Θ = k λ. (2) Tässä d on hilavakio eli hilan rakojen välimatka, λ valon aallonpituus, k interferenssin kertaluku (kokonaisluku 0, 1, 2,...) ja Θ taipumiskulma eli suunnanmuutos. Kuva 2 esittää kapean raon (leveys a) tuottaman diffraktiokuvion intensiteettijakautumaa. Yhdensuuntaisten valosäteiden tasoaaltorintaman kohdatessa kapean raon syntyy interferenssin seurauksena varjostimelle raon geometriasta ja valon aallonpituudesta riippuva diffraktiokuvio, jossa keskellä olevan kirkkaan valomaksimin molemmilla puolilla on huomattavasti himmeämpiä sivumaksimeita (k pariton). Maksimien väleissä on pimeitä minimejä (k parillinen). Varjostin a rako Θ x k=8 k=6 k=4 k=2 k=0 k=7 k=5 k=3 Intensiteetti L k=2 k=4 k=6 k=8 k=3 k=5 k=7 Kuva 2. Yhden raon tai ohuen langan antama diffraktiokuvio.
TURUN AMMATTIKORKAKOULU TYÖOHJ 4/7 Intensiteettiminimien ja -maksimien paikat voidaan laskea, jos tiedetään valon aallonpituus λ, raon leveys a ja varjostimen etäisyys raosta L. Kun oletetaan, että θ on pieni (L >> x eli rako kaukana varjostimesta) ja että a << L, on voimassa x k L λ = 2 a (3) TYÖN SUORITUS Minimit ovat sellaisilla etäisyyksillä x keskimaksimista, joilla k = 2, 4, 6,..., ja maksimit kohdissa x, joilla k = 0, 3, 5, 7,... Työssä tutkitaan kapean kiinteän esteen tuottamaa diffraktiokuviota, joka on samanlainen kuin samanpaksuisen kapean raon tuottama kuvio (ns. Babinet n periaate). 1. Hilavakion määritys Laservalon annetaan kulkea hilan läpi, jolloin sen takana olevalle varjostimelle syntyy sarja valoisia täpliä, joiden muodostama kuvio on jokseenkin kuvan 3 kaltainen. Valoisat täplät ovat hilassa tapahtuvan interferenssin eri kertalukujen maksimeita. Kuva 3. Hilan tuottama interferenssikuvio Koejärjestely on esitetty kuvassa 4, jossa näkyvät myös mitattavat suureet. Varjostimena olevalta mittanauhalta luetaan vähintään neljän ensimmäisen kertaluvun (k = 1, 2, 3, 4) maksimien (valotäplien) paikat keskimaksimin vasemmalta (X v ) ja oikealta puolelta (X o ). Mittaukset suoritetaan kahdella etäisyyden L arvolla. Huom! Aseta peilin avulla lasersäde kohtisuoraan hilaa ja mitta-asteikkoa vastaan. asteikko x v laser hila θ L Kuva 4. Koejärjestely hilaa käytettäessä x o
TURUN AMMATTIKORKAKOULU TYÖOHJ 5/7 Hilayhtälössä tarvittava taipumakulman sini on kuvan 3 mukaan: sinθ = x 2 2 L + x, (4) jolloin hilayhtälöstä (2) ratkaistu hilavakio voidaan laskea yhtälöstä λ. (5) Maksimin etäisyys x keskimaksimista on oikeanpuoleisen ja vasemmanpuoleisen saman kertaluvun valotäplän välimatkan puolikas. Havainnot taulukoidaan ja jokaisesta mittauksesta lasketaan hilavakio ja lopputulokseksi saatujen tulosten keskiarvo. Virhe lasketaan lyhyemmälle L:n arvolle ensimmäisen kertaluvun x:lle kaavasta (6): λ λ. (6) 2. Hiuksen paksuuden mittaus Määritetään hiuksen (tai langan) paksuus. Koejärjestely on sama kuin yllä, mutta hila korvataan hiuksella, jonka etäisyys varjostimesta L asetetaan riittävän pitkäksi ja mitataan se. Havainnot on tehdään siten, että asetetaan valkoinen paperi varjostimelle diffraktiokuvion kohdalle ja piirretään sille diffraktiokuvion kirkkaiden täplien rajat. Kuviot piirretään kahdella eri L:n arvolla. Piirroksesta mitataan vastinkertalukujen minimien välimatkat, jotka jaetaan kahdella ko. kertalukujen x:n arvojen saamiseksi. Minimeillä kerroin k saa parilliset arvot 2, 4, 6,... Havainnot taulukoidaan. Yhtälöstä (3) ratkaistaan a ja lasketaan havaintotaulukkoon sen arvot kaikille havainnoille. Lopputulokseksi lasketaan keskiarvo. Virhe lasketaan lyhyemmälle L:n arvolle ensimmäisen kertaluvun x:lle kaavasta (7): λ λ. (7)
TURUN AMMATTIKORKAKOULU TYÖOHJ 6/7 Osa B: Spektrianalyysi Valonsäteiden kulkiessa prisman läpi ne taittuvat molemmissa rajapinnoissa siten, että ne yhä enemmän poikkeavat alkuperäisestä suunnastaan. Punaiset valonsäteet (pisimmät aallonpituudet) taittuvat vähiten ja violetit eniten. Prismaspektroskoopin dispersio- eli valonhajoitus käyrä kuvaa spektroskoopin taittamiskyvyn riippuvuutta aallonpituudesta. Dispersiokäyrä voi esittää joko valon taittumiskulman tai prismamateriaalin taitekertoimen aallonpituuden funktiona. Kuvassa 5 on esitetty periaate vasemmalta tulevan monivärisen valon hajaantumisesta prismassa. Kulmaa ε sanotaan prisman taittavaksi kulmaksi. ε Kuva 5. Valon kulku prismassa. TYÖN SUORITUS Prismaspektroskoopin pääosat ovat kollimaattoriputki, prisma ja havaintokaukoputki. Kaaviokuva prismaspektroskoopista ylhäältäpäin katsottuna on kuvassa 6. hav.kaukop. okul. prisma kollim. S lamppu Kuva 6. Prismaspektroskooppi. Lamppu siirretään spektroskoopin viereen siten, että kollimaattorirako on n. 1 cm päässä lampun pinnasta. Lampusta valonsäteet pääsevät kollimaattoriin ( yhdensuuntaistimeen ), joka suuntaa ne yhdensuuntaisena kimppuna prismaan. Raon leveyttä säätämällä säädetään kollimaattoriin tulevan valon määrää. Aluksi tarkennussäätöjä varten rako voi olla enemmän auki, mutta tarkennusten kuluessa rakoa kavennetaan niin, että kuva havaintokaukoputkessa on lopulta vain ohut, terävä, pystysuorassa oleva viiru. Kollimaattorissa on linssi, jota kiertämällä sädekimpun kuvaa voi tarkentaa. Havaintokaukoputken tehtävänä on koota prismasta tulevat valonsäteet havainnointia varten ja siinä on tarkentamista varten kierrettävä linssi. Kaukoputken okulaarin sisällä on hiusviiva, joka saadaan teräväksi ja pystyyn liikuttamalla lähinnä silmää olevaa osaa S ulos- tai sisäänpäin ja kiertämällä. Tarkennukset tehdään säätämällä hitaasti yhtä linssiä kerrallaan. Prisma lepää suojuksen alla vaakatasossa
TURUN AMMATTIKORKAKOULU TYÖOHJ 7/7 pyörivällä levyllä, jonka asentoa säädetään pyörittämällä mikrometriruuvia. Mikrometrin lukema on tällöin verrannollinen valonsäteen poikkeamakulmaan. 1. Spektroskoopin dispersiokäyrän määrittäminen Valolähteeksi asetetaan valvojan antama tunnettu spektrilamppu. Spektriviivat säädetään mikrometriruuvia kiertämällä yksi kerrallaan hiusviivan kohdalle ja luetaan mikrometrin lukema. Työpaikalla on annettu tunnetun lampun spektriviivojen aallonpituudet. Havainnoista piirretään mm-paperille dispersiokäyrä, eli spektriviivojen aallonpituus mikrometrilukeman funktiona (havaintopisteet ja niitä myötäilevä tasoitettu käyrä). Dispersiokäyrästä tulee oheisen kuvan 7 kaltainen. 2. Tuntemattoman valonlähteen tunnistaminen Valolähteeksi vaihdetaan valvojan antama tuntematon spektrilamppu. Spektriviivat säädetään yksi kerrallaan hiusviivan kohdalle ja luetaan mikrometrin lukema, kuten edellisessä osassa. Dispersiokuvaajaan piirretään pystysuora katkoviiva kunkin havaitun mikrometrilukeman kohdalta ylös käyrälle. Tältä korkeudelta piirretään vaakasuora katkoviiva pystyakselille, jolta luetaan vastaava aallonpituus. Työpaikalla olevien taulukoiden avulla pyritään tunnistamaan tuntemattoman lampun täyteaine. λ (nm) d (mm) Kuva 7. Dispersiokäyrän periaatekuva. Työn osassa 1 määritettiin spektroskoopin kalibrointikäyrä (mikrometriruuvilukeman ja aallonpituuden vastaavuus), jonka jälkeen käyrän avulla voidaan mitata tuntemattomia aallonpituuksia. Yhdessä dispersiokäyrän kanssa spektroskooppia voi siten käyttää spektrometrina eli pelkän katselun lisäksi (kreikaksi skopeîn = nähdä) siitä saatiin mittaväline (kreikaksi metri = mittaminen). Lopuksi tutkitaan työpaikalla olevien muiden lamppujen spektrejä ja luokitellaan ne sen mukaan, ovatko ne viivaspektrejä, jatkuvia spektrejä vai näiden kahden yhdistelmiä. Kirjallisuutta Inkinen, Pentti Manninen, Reijo Tuohi, Jukka. Momentti 1-2, Insinöörifysiikka. Keuruu, Otavan kirjapaino. Wikipedia-artikkeli: http://en.wikipedia.org/wiki/laser