Лазер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ІІ Негізгі  бөлім

1.Лазердiң негізгі құрылысы

 

Барлық лазерлер үш негiзгi бөліктен тұрады:

• Белсенді орта
• Толтыру жүйесі  (энергия көзі)
• Оптикалық резонатор

1.1-сурет

 

1.1.-cуретте берілген: 1-белсендi орта; 2 - лазердiң толтыру энергиясы; 3-мөлдiр емес айна; 4-селдiр айна; 5-лазер сәулесi.

Олардың әрқайсылары өзінің нақтылы функцияларының орындауын  лазердiң жұмысы үшiн қамтамасыз етедi.

 

1. Белсенді орта

 

Дәл қазiргі уақытта лазердің  жұмыс ортасы  ретiнде әр түрлi заттың агрегаттық күйлерi қолданылады: қатты, сұйық, газ сияқты, плазма. Қозған энергетикалық деңгейдегі  атомдар санының кәдімгі күйі Больцманның үлестiрiлуiмен анықталады:

   (1.1)

мұндағы N - Е энергиямен қозған күйде орналасқан атомдар саны, -негізгі күйде орналасқан атомдар саны, k —Больцман тұрақтысы, T — орта температурасы.

Басқаша айтқанда қозған күйдегі  атомдар негізгі күйдегіге қарағанда  аз, сондықтан таңғаларлығы орта бойынша  таралатын фотон   оның жұтуының ықтималдығымен  салыстырғанда аз көлемді сәуле шығарады.

Сондықтан электрмагниттiк  толқын, затқа өту барысында  атомдарды  қоздыруға өз энергиясын тұтынады. Сонымен бiрге осында сәуле шығарудың  қарқыны  Бугер заң бойынша құлайды:

   (1.2)

мұндағы —бастапқы қарқын, — заттағы бұрынғы арaқашықтығының сәуле шығару қарқыны, —заттың жұтылу коэффициенті. Тәуелділік қаншалықты экспотенциалдық болса,  сәуле шығару соншалықты тез жұтылады.

Сондықтанда қозған атомдар  қозбаған атомдардан көп болғанда жағдай тура қарама-қарсы болады.  Жұтылу үстiндегі мәжбүр сәуле  шығарудың  актлерi  басым болады және мына заң бойынша өрнектеледі:

    (1.3)

мұндағы — кванттық күшейудің коэффициенті. Шынайы лазерлерде  күшею мәжбүр сәуле шығарушы энергияның шамасы резонаторда жоғалтылатын энергияның шамасымен тең болмайынша жүреді. Бұл жоғалтулар жұмыс затының мета тұрақтылық деңгейiнiң қанығуымен байланысты, содан  кейiн тарту энергиясы  тек қана оның жылытуына, сонымен бiрге (ортаның бiртектi еместiктерi, қоспалармен жұту, шағылатын айналардың мөлдір еместiгi, қоршаған ортаға пайдалы және жағымсыз  сәуле шығару) басқа факторлардың жиынының бар болуымен жүредi.

 

1.2. Толтыру жүйесі

 

Лазердiң ортасының инверсия ауданының жасаулары үшiн әр түрлi тетiктердi қолданады.

 Қатты денелi лазерлерiнде қуатты газ разряды шам-жарқ күннің сәуле  шығаруымен фокустелу ( оптикалық тарту)   және басқа лазерлердің жеке алғанда (жартылай өткiзгiш) сәуле шығару есебiнен iске асады. Бұл жерде жұмыс тек жұмыс заты болып табылатын шыбықты күшті жылытудың ұзақ әсерін шақыратын керемет үлкен энергияның тығыздығы керек болатындай импульстік тәртіпте ғана болуы мүмкін. Газды және сұйық лазерлерiнде (бояғыш заттардағы лазер, гелий-неондық лазер)  электрлік дәрежесiмен толтыру қолданылады. Мұндай лазерлер үздiксiз тәртiптерде жұмыс iстейдi.         Химия лазерлердің толтырылуы олардың  химиялық реакциясының белсендi ортасындағы ағу арқылы да жүзеге асады. Бұл жерде орналасу инверсиясы тiкелей реакцияның өнiмдерiнде немесе энергетикалық деңгейлердiң құрылымымен әдейi енгiзiлген қоспаларында да пайда болады. Жартылай өткiзгiш лазерлердiң толтырылуы p-n өткелі арқылы өтетін күшті тоқтың әсерінен жүреді. Толтырудың тағы басқа әдiстерi: алдын ала қыздырылған газдардың динамикалық бар болуы; химия тартуын фотодиссоциациясы; химиялық толтырулардың  дербес жағдайы және тағы басқалар.

Мысалы, рубиндік лазерлерде  жұмыс ортасының толтырылуының  классикалық үш деңгейлi жүйесі қолданылады. Рубин лазерлік сәуле шығаруын көздер болып табылатын  хромының иондарының бiраз қоспасыз мөлшері   кристалл корундасы болып табылады.

Электр өрiсiнiң кристалды торға ықпалынан хромының сыртқы энергетикалық деңгейі  (Штарктiң эффектісі) ыдырайды. Тап осы монохроматты емес  сәуле шығаруды қолдануға мүмкіндік береді.

Бұл жерде атом  негiзгi энергияның күйiнен қозған энергияның жанында өтеді. Бұл күйде атом  салыстырмалы түрде қысқа мерзімде болады, яғни толығымен бірден сәуле шығармайтын метатұрақтылық деңгейі деп аталатын атомның едәуір ұзақ уақыт болатындай ауысулар  деңгейіне өтеді.

 

1.2.-сурет

1.2.-cуретте: лазердің белсенді ортасының а-үш деңгейлi б-төрт деңгейлі  толтырылу схемасы.

Бұл жерде атом  негiзгi энергияның күйiнен қозған энергияның жанында өтеді. Бұл күйде атом  салыстырмалы түрде қысқа мерзімде болады, яғни толығымен бірден сәуле шығармайтын метатұрақтылық деңгейі деп аталатын атомның едәуір ұзақ уақыт болатындай ауысулар  деңгейіне өтеді.

Басқа кездейсоқ фотондардың  әсерiмен индукцияланған сәуле шығаруды жүзеге асыруға мүмкiндiк пайда  болады. Метатұрақтылық күйіндегі атомдар  саны негізгі күйден қарағанда көбейе бастайды. Осыдан генерацияның үрдісі басталады.

Cr атомының орналасу инверсиясын деңгейінен деңгейіне тікелей толтыру арқылы  құруға болмайтынын айта кету керек.

 Бұл егер жұту және мәжбүр сәуле шығару екi деңгейлердiң арасындағы болған кезде, онда  бұл процесстердің екеуіде  бiрдей жылдамдықпен ағатынымен байланысты. Сондықтан қазіргі уақытта генерацияның пайда болуы үшін толтыруды тек екі деңгейлі орналасуды теңестіру арқылы жүзеге асыра аламыз.

Кейбiр лазерлерде, мысалы,генерацияның сәуле шығаруы + неодим ионында жүзеге асатын неодиндық лазерлерде төрт деңгейлі схема қолданылады.   Бұл жерде мета тұрақтылық деңгейі мен деңгейінің арасында аралық-жұмыс деңгейі болады.

Мәжбүр сәуле  шығару және деңгейлерiнiң арасындағы атомның өткелiнде болады. Бұл схеманың артықшылығы осы жағдайда инверсияның орналасу  шартын оңай орындағандығында, яғни  жоғарғы жұмыс деңгейiнiң уақыты төменгi деңгейінің   уақытынан бiрнеше реттерге көбiрек болғандығында.

Бұдан басқа, бұл схема  сол сияқты кейбiр өте маңызды  қолданулар үшiн пайдаланылатын үздiксiз  тәртiпте  жұмыс iстейтiн қуатты лазерлер құруға мүмкiндiк бередi.

 

 

 

 

1.3. Оптикалық резонатор

 

 

1.3.-сурет

 

Жасыл түспен бейнеленген спектрлiк сызық еніне резонатордың үш меншiктi жиiлiктерi жатқызылады. Осы жағдайда шығарылатын лазермен сәуле шығару үш деңгейлі  болады. Сия күлгін сызық үшiн  сәуле шығару тек монохроматты болады (1.3.-сурет).

Лазердiң айнасы тек оң керi байланыстың болуын қамтамасыз етпейді, керiсiнше бір сәуле шығаратын  лазердің осы резонатордың толқындармен сәйкес келетін модасынан тұратын  резонатор ретiнде  жұмыс істейді. Осы резонатордың тиiстi бейтарап толқындары басқаға қарағанда  басым  жұмыс iстейдi және егер резонатордың L оптикалық ұзындығында n жарты толқындарын бүтiн саны жатқызылса.

    (1.4)

Онда осындай толқандар  өзінің фазасын ауыстырмайтын және интерференциялары бірін-бірі күшейтіп жататын резонатор арқалы жүреді. Барлық қалған, жақын орналасқан толқындар, бір-бірінен біртіндеп өшеді.

Сондақтан да оптикалық резонатордың меншікті жиіліктерінің спектрі мына  байланыспен анықталады:

 

     (1.5)

Бұл жерде - ваккумдағы жарық жылдамдығы. Резонатордың көршілес жиіліктерінің арасындағы интервал бірдей және мынаған тең:

     (1.6)

Әр түрлі себептердегі (доплерлік кеңею, сыртқа электрлік  және магниттік өріс, кванттық-механикалық  эффекті және т.б) күшке байланысты  сәуле шығару спектріндегі сызық  әрқашанда нақтылы енді   алап жатады.

Сондықтан спектрлік сызықта  еніне  резонатордың бірнеше меншікті жиіліктері жатқызылған кезде мұндай жағдайлар пайда болуы мүмкін. Бұл жағдайда лазердің сәуле шығаруы  көп модалық болады. Шығару өзі қысқа және қуатты импульс тізбек ұсыну үшін, бұл сәндердің синхронизация сол қол жеткізу мүмкіндік беріп жатыр. Бұл моданың синхрондануы сәуле шығарудың қысқа және қуатты импульстің тізбегін алуға қол жеткізуге мүмкіндік береді. Егер де болса, онда лазердің сәуле шығаруына тек бір ғана жиілік қатасатын болса, осы жағдайда айналар жүйесінің резонанстық қасиеті спектрлік сызықтың резонанстық қасиетінің фонында әлсіз бейнеленеді.

Көптеген қиынырақ есептерде ауысулардың толқыны тек резонатордың параллель оптикалық өстімен ғана  таралмайтынын, оған жақын жатқан бұрыш арқылы да таралатынын есепке алған дұрыс.

 

  (1.7)

Лазердің сәулелерінің шоғының  қарқыны бұл шоққа перпендикуляр  әр түрлі нүктелердегі тұрғыға алып келеді. Мұнда қара торапты сызықтармен таралған ашақ дақтар жүйесі байқалады.  Бұл жағымсыз әсерлер жою үшін әр түрлі диафрагмалар қолданып жатыр, сонымен қатар оптикалық резонаторлардың әр түрлі схемалар қолданып жатыр.

 

1.4. Лазердің негізгі бөлігі - лазерлік диод

Лазер диоды - диод базасында  құрастырылған жартылай өткiзгiш  лазер. Оның жұмысы зарядтың сақтаушыларының  инжекциясының жанында өтетін p-n аймағында орналасқан инверсиясының  пайда болуында негiзделген.

 

1.4.-cурет

( лазер диоды)

 

Лазер диодтары - маңызды  электрондық компоненттер. Олар талшықты-оптикалық  сызықтар байланысында басқарылатын жарық  көздерi  ретінде кең қолданулар табады.

Сондай-ақ лазер қашықтық өлшегiштерiнiң әр түрлi өлшеу жабдықтарында, мысалыға, лазерлік дальнометрде қолданылады. Лазер диодының басқада кең таралған қолдануылуы - штрих-код оқу барысында болып табылады.

Лазер нұсқағыштарында және компьютер тышқандарында әдетте қызыл және кейде жасыл сәуле  шығаратын лазер диоды орналасады. DVD және CD  ойнатқыштарындағы және  дисктерінде инфрақызыл және қызыл лазерлер болады.

HD DVD және Blu-Rayнiң құрылымдарында  сия күлгін лазерлер болады. Ал  көк лазерлер – жасыл  (көк  жарықтың әсерiмен алынатын флюоресценция  есебiнен арнайы құрам) және  көк жарықтың құрамды  көзі  ретінде   проекторларда болады.

Спектроскопия үшiн тез  және қымбат емес құрылымдардағы жартылай өткiзгiш лазерлердiң қолдануды  мүмкiндiктерiн зерттелді. Өңдеушiлер  сенiмдi жартылай өткiзгiш лазерлердi өңдіргенге дейін  CD ойнатқышы және штрих-кодты оқуда гелий-неондық  лазерлер қолданды.

 

2. Лазердің  түрлері

 

Бояғыш заттағы  лазер (2.1.-сурет) лазерлiк спектроскопияға төңкерiстердi әкелдi және (аса қысқа импульстердiң лазерлерi) ұзақтығы пикосекунд төмен импульстi жаңа лазерлердің түрлерінің бастамасы болды.

Шам-жарқ  құрамдас бояғыш заттардағы  лазерді сирек кездестiруге болады. Бояғыш заттардағы  лазерлердiң  негiзгi ерекшелiгi – күшейту контурының  енi керемет үлкен.

2.1.сурет

Бояғыш заттардағы лазер  көптеген ғылыми зеттерулерде, спектроскопияда, косметикалық хирургияда, изотоптарды  бөлуде қолданылады.

Газды лазер -газ сияқты күйде болатын (бояғыш зат лазерлеріндегі сұйықтар және қатты денелерге қарағанда қаттыденелік лазерлер) затты белсендi орта ретiнде қолданылатын  лазер.

Ол оптикалық резонаторға  газы бар ыдыстың  орналасуынан  тұрады. Оптикалық резонатордағы  ыдысты газбен толтыру электрондары газ атомдарымен соқтығысу арқылы қозған энергетикалық деңгейлерiне өтетін  жоғарғы вольтты электр  разрядының көмегiмен жүзеге асады. Газды  лазерлердiң сапалық   дәрежесіне жұмыс ортасының затының  арзандығы, жоғарғы  энергетикалық  тиiмдiлiгі және мүмкiндiктерi жатады.

2.2.-сурет

(Көмірқышқыл газды лазер)

 

Газды лазерлердің көптеген түрлері бар: гелий-неондық лазер, аргондық лазер, криптондық  лазер, ксенондық  лазер, азоттық  лазер, фторлық сутегідегі лазер.

Олардың әрқайсысының өзіндік  ғылым саласында қолдау өрістері бар: мысалы,гелий-неондық лазер интерферометрия, голография, спектроскопия,  штрих-кодты оқуда, оптикалық құбылыстардың демонстрациясында;  аргондық лазер көздің торлы қабығын емдеуде, литографияда, басқа лазерлерді толтыру жүйесінде; криптондық  лазер ғылыми зерттеулерде, аргонның ақ жарықпен қоспасында, лазерлік шоуда; ксенондық  лазер:Ғылыми зерттеулерде; азоттық  лазер бояғыш заттардағы лазерлерді толтыру, атмосфераның ластануын зерттеуде, оқу жүйесінің лазерлерінде: фторлық сутегідегі лазер миллион ватты қуатты және терра ватты қуат төңiрегiдегi импульсті тәртiпте  тұрақты жүйеде жұмыс істеуге қабілетті.Сонымен қатар лазерлік қару-жарақтар жұмысында, лазерлік термоядролық синтезде қолданылады; көмірқышқыл газды лазер металды кесу, жапсыру, дәнекерлеуде және медицинада хирургияда қолданылады.