Lazer va ularning turlari

Lazer nima? Lazer deb ataluvchi optik kvant generatorlarining paydo bo‘lishi fizika fanining yangi sohasi – kvant elektronikasining ulkan yutug‘idir. Lazer deganda, juda aniq yo‘naltirilgan kogerent yorug‘lik nurining manbayi tushuniladi.
Lazer so‘zining o‘zi inglizcha «majburiy tebranish natijasida yorug‘likning kuchaytirilishi» so‘zlaridagi birinchi harflaridan olingan («Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation»).

Birinchi kvant generatorlari rus fiziklari N. Basov, A. Proxorov va amerikalik fizik Ch. Tauns tomonidan yaratilgan (ushbu sohadagi ishlari uchun 1964-yilda Nobel mukofotiga sazovor bo‘lishgan).
Bunday generatorlarning ish prinsipini tushunish uchun nurlanish jarayoni bilan batafsilroq tanishaylik.

Atomning majburiy nurlanishi. Oldingi mavzuda qayd etilganidek, atom asosiy holatda bo‘lganida nurlanmaydi va unda cheksiz uzoq vaqt davomida turadi.
Ammo atom boshqa ta’sirlar natijasida uyg‘ongan holatga o‘tishi mumkin.

Odatda, atom uyg‘ongan holatda uzoq bo‘lmay, yana qaytib, asosiy holatga o‘tadi va bunda energetik sathlarning farqiga teng energiyali foton chiqaradi.
Bunday o‘tish o‘z-o‘zidan ro‘y bergani uchun chiqariladigan nurlanish spontan nurlanish deyiladi va chiqarilgan nurlar kogerent bo‘lmaydi.
Ammo A.Eynshteynning ta’kidlashicha, bunday o‘tishlar nafaqat o‘z-o‘zidan balki majburiy ham bo‘lishi mumkin.

Bunday majburiy o‘tish uyg‘ongan atom yonidan o‘tayotgan foton ta’sirida ro‘y berishi mumkin (7.2-rasm)

Natijada atom uyg‘ongan holatdan asosiy holatga o‘tishida chiqariladigan foton, bu o‘tishni vujudga keltiradigan foton bilan bir xil bo‘ladi. Boshqacha aytganda, har ikkala foton ham bir xil chastotaga, harakat yo‘nalishiga, fazaga va qutblanish yo‘nalishiga ega bo‘ladi. Rus fizigi V. Fabrikant majburiy nurlanish yordamida yorug‘likni kuchaytirish usulini taklif qildi.
Bu usulning mohiyatini tushunish uchun quyidagi misolni ko‘raylik. Ayrim moddalarning atomlarida shunday uyg‘ongan holatlar mavjudki, atomlar bu holatlarda uzoq vaqt davomida bo‘lishi mumkin. Bunday holatlar metastabil holatlar deyiladi. Metastabil holatlar bilan yoqut kristali misolida batafsil tanishaylik.

Yoqut lazeri. Yoqut kristali aluminiy oksid Al2 O3 dan iborat bo‘lib, Al ning ba’zi atomlari o‘rnini xromning uch valentli Cr 3+ ionlari egallagan bo‘ladi. Kuchli yoritilish natijasida xrom atomlari 1 asosiy holatdan 3 uyg‘ongan holatga majburiy ravishda o‘tkaziladi (7.3-rasm). Xrom atomining uyg‘ongan holatda yashash davri juda kichik (10–7s) bo‘lganligi uchun u yoki spontan ravishda (o‘z-o‘zidan) 1 asosiy holatga o‘tishi yoki nurlanishsiz 2 holatga o‘tishi (metastabil holat) mumkin (7.3-rasm).
Bunda energiyaning ortiqcha qismi yoqut kristalining panjarasiga beriladi. 2 holatdan 1 holatga o‘tishning tanlov qoidalariga muvofiq man qilinganligi xrom atomlarining 2 holatda to‘planishiga olib keladi. Agar majburiy uyg‘otish juda katta bo‘lsa, 2 holatdagi atomlarning konsentratsiyasi 1 holatdagidan juda katta bo‘lib, 2 holatda elektronlarning juda zich joylashuvi ro‘y beradi (7.4-rasm).

Agar yoqutga xrom atomining metastabil holati (E2 ) va asosiy holati (E1 ) energiyalarining ayirmasiga teng, E2 –E1 = hv energiyali birorta foton tushsa, unda ionlarning 2 holatdan 1 holatga majburiy o‘tishlari ro‘y berib, energiyasi dastlabki fotonning energiyasiga teng bo‘lgan fotonlar chiqariladi.

Bu jarayon ko‘chkisimon rivojlanib, fotonlarning soni keskin ortib boradi (7.5-rasm). Bu fotonlarning nafaqat chastotalari, balki fazalari, tarqalish yo‘nalishlari va qutblanish tekisliklari ham bir xil bo‘ladi. Natijada yoqutdan kuchaygan kogerent yorug‘lik dastasi, ya’ni lazer nuri chiqadi. 7.6-rasmda yoqut lazerini hosil qilish sxemasi ko‘rsatilgan.
Yoqut tayoqcha 1 xrom atomlarining metastabil holatga o‘tishini ta’minlovchi 2 gazli lampa bilan o‘ralgan. Yoqutning temperaturasi zarur qiymatda saqlanishini ta’minlash maqsadida sovitish sistemasi 3 ulangan.

Boshqa lazerlarning hosil bo‘lish mexanizmi ham shunga o‘xshaydi.
Lazerning turlari. Kvant generatorlari kvant mexanikasi qonunlari asosida istalgan (elektr, issiqlik, yorug‘lik, kimyoviy va h.k.) energiyani

kogerent yorug‘lik nuri energiyasiga aylantirib beradi. Bu ajoyib xossaga egaligi lazer nurining juda keng qo‘llanilishiga sabab bo‘lmoqda.
Lazerlar faollashtiruvchi moddalarning turlariga, ya’ni qanday energiyani kogerent yorug‘lik nuri energiyasiga aylantirishiga qarab bir nechta turlarga bo‘linadi. Bular: qattiq lazerlar, yarim o‘tkazgichli lazerlar, gaz lazerlari, kimyoviy lazerlar, tolali lazerlar, rentgent lazerlari va hokazolar.

Ular impuls, uzluksiz va kvaziuzluksiz rejimlarda ishlashi mumkin. Lazerning xossalari bilan tanishaylik. Yuqori darajada kogerent, ya’ni fotonlarning fazalari bir xil. Qat’iy monoxromatik. Dastaga kiruvchi fotonlar to‘lqin uzunliklarining farqi 10–11 m dan oshmaydi, ya’ni ∆λ < 10–11 m Nurlanish quvvati juda katta. Lazer nurida nurlanish quvvati 1016–1020 W/m2 gacha bo‘lishi mumkin.
Bu juda katta qiymat hisoblanadi. Vaholanki, Quyoshning to‘la nurlanish spektri bo‘yicha nurlanish quvvati 7 · 107 W/m2 ni tashkil qiladi. Nurning yoyilish burchagi juda kichik. Masalan, Yerdan Oyga yo‘naltirilgan lazer Oy sirtida 3 km diametrli joynigina yoritadi. Odatdagi projektor nuri esa 40 000 km diametrli maydonni yoritgan bo‘lardi.

Lazerning qo‘llanilishi. Qulayligi va kam energiya sarflanishi lazerning juda qattiq materiallarni qayta ishlash va payvandlashda keng qo‘llanilishiga imkon yaratdi. Masalan, oldin olmosdan kichkina teshikcha ochish uchun 24 soat vaqt sarflangan bo‘lsa, hozir bu ish lazer yordamida 6–8 minutda amalga oshiriladi. Soatsozlik sanoati uchun zarur bo‘lgan yoqut va olmos toshlarda ochiladigan diametri 1–10 mm, chuqurligi 10–100 μm bo‘lgan nozik teshikchalar lazer yordamida hosil qilinadi.
Lazer juda keng qo‘llaniladigan sohalardan yana biri – materiallarni kesish va payvandlashdir. Bu ishlar nafaqat mikroelektronika, poligrafiya kabi nozik sohalarda, balki mashinasozlik, avtomobilsozlik, qurilish materiallarini ishlab chiqarishda ham bajariladi. Lazer nurlari buyumlardagi nuqsonlarni aniqlash, kimyoviy reaksiyalar mexanizmini o‘rganish va ularni tezlashtirish, o‘ta toza materiallarni hosil qilishda ham juda yaxshi yordamchidir.

Hozir lazer yordamida izotoplar, jumladan, uran izotoplari ajratib olinmoqda. Lazer o‘lchov ishlarida ham juda keng qo‘llaniladi.
Ular yordamida uzoqdan turib ko‘chishlarni, muhitning sindirish ko‘rsatkichini, bosimni, temperaturani o‘lchash mumkin. Lazer nuri Yerdan Oygacha bo‘lgan masofani aniqlashtirishga, Oy xaritasiga aniqliklar kiritishga yordam berdi.

Lazerli disklar tushunchasi kompyuterda ishlovchilar va musiqasevarlar kundalik hayotining ajralmas qismiga aylanib qoldi.
Hozirgi paytda lazerning qo‘llanilish sohasi shu qadar ko‘pki, ularning hammasiga to‘xtalib o‘tishning imkoni ham yo‘q. Ammo bizning izlanuvchan o‘quvchimiz bu ishni mustaqil amalga oshiradi, degan umiddamiz.

Download 1.04 Mb.