Лазер

Әртүрлі  газды лазердiң  түрлері:  газды динамикалық лазерлер, химиялық  лазерлер және эксимерлік лазерлер болып табылады.

Эксимерлік лазер- көз хирургиясында (Кератэкто ) және жартылай өткiзгiш өндiрiс салсында кең қолданылатын ультракөгiлдiр газды лазердiң бiр түрi.

Эксимер термині (excited dimer ағылшынша) қозған димерді және лазердің  жұмыс  денесі  ретiнде қолданылатын материалдың  түрiн білдіреді.

Бiрiншi эксимерлік лазерді 1971 жылы Мәскеу қаласындағы  П.Н.Лебедеваның  атындағы институтта Николай Басов, В. А. Даниличев және  Ю. М. Попов  сияқты аттақты орыс ғалымдары ұсынған.   Лазерді 172 нм толқын ұзындығымен мәжбүрлеп  электрондардың шоқ қоздыруын алу  үшін  (Xe2 ) ксенон димерінде пайдаланды. Содан кейінгі уақытта 1975 Сирлесомы  Хартпен және  Джорджтың АҚШ-тағы зерттеу лабораториясынан алынған  галогендік (мысалыға, Xe2 ) асыл газдардың  қоспасын пайдалана бастады.

Эксимерлік лазер –  көз көрудің лазерлік коррекциясындағы революция

Қазіргі офтальмологияда  көз көруін лазермен түзету озықты бағдар. Лазерлі операция  бүгінгі  күні миллиондаған адамдарға әр-түрлі  көру нашарлығын  түзетуге  мүмкіндік  береді.

LBV – қазіргі күнге  дейін емдеуге мүмкінсіз болатын  жастық қырақтықты (преспиобияны) емдеуге  мүмкіндік береді. Және де бұл  лазердің моделі    көз көруін  лазермен түзету жүргізілген пациентке қайта операция жасауға мүмкіндік береді. 

MEL80 эксимер лазері аурудың  оптикалық күшінің сәйкес келмеуі  (рефракция аномалиясын) эксимерлі  лазермен түзетуге  одан әрі  қауіпсіздендіреді,  операциямен  байланысты жайсыздық және стрессті  азайтады, сонымен жекешелендірген  операция жасауға үлкен мүмкіндік  туғызады. Қазіргі заманғы құрал  жұмысының технологиялық ұстанымы  операцияның  жоғары тиімділігімен,  рефракциялық қорытындылардың нақтылығымен, операциядан кейінгі көз көруін  тез қалыптастыруымен  қамтамасыздандырады.  Осының барлығы  абляцияның  жоғары  жылдамдығымен,   көзді  қадағалау тиімді жүйесімен, циклоторсия   өтемі және CRS  мастері – топография  талдауының жүйесімен және  толқынды  фронттың аберрациясы көмегімен  жетілдіріледі. Лазерді тез арада  күйіне келтіру және лазер  жұмысының жоғары жылдамдығы  көп пациенттерге операция жасауға  мүмкіндік береді. Операция пациент  үшін жоғары технологиялы және  ыңғайлы, өйткені қысқа мерзімде (ауырсыну, қан, тігіс болмау жағдайында) көз көруін көзілдіріксіз немесе  линзасыз  қалпына келтіре алады.

Клиникалық тәжірибеде эксимерлік лазердің пайдалануы көз көрудің  оперативтік коррекциясында алға басушылық  жасауға мүмкіндік берді. Эксимерлік лазердің сәулесі дәлме-дәл және жинақы көздің қасаң қабағына ықпал  етеді. Лазер қасаң қабақ тканін, оның қалындығының 1/8 ғана «буландырады». Көз көрудің эксимер-лазерлік коррекциясына  арналған қазіргі компьютерлік қондырғылар, қасаң қабақтың «идеалды жаңа профилін»  жасауға мүмкіндік береді, бұл  рефракцияның барлық формалары мен  деңгейінің барлығын дерлік түзетуге  мүмкіндік берді.  Ал, «ақылды» тілмен айтатын болсақ, эксимерлік лазерлер – қасаң қабақтың қажетті  «фотохимиялық  абляциясын» қамтамасыз ететін, дәлдігі  жоғары жүйелер. Егер де ткан орталық  зонадан алып тасталынса, қасаң қабақ  тегістеу болады, бұл алыстан көрмеушілікті  түзетеді. Егер де қасаң қабақтың перифериялық бөлігін буландырса, оның ортасы «қаттырақ» болып, бұл жақыннан көрмеушілікті  түзетеді. Қасаң қабақтың әртүрлі  меридиандарында шамалап алып тасталуы астигматизмді түзетуге мүмкіндік  береді.

Қазірде көз көрудің эксимер-лазерлік коррекциясының екі технологиясы  басым болып табылады:

PRK ( ФРК - фоторефрактивті  кератэктомия ): рефракциялық лазерлік  хирургияның алғашқы жобасы –  «фоторефрактивті кератэктомия»  операциясы, нақтырақ айтсақ, «буландыру  әдісі арқылы эксимерлік лазердің  көмегімен қасаң қабақ таканін  шамалап алып тастау».

LASIK ( лазерлік кератомилёз  ): LASIK технологиясы – бұл көз  көрудің ең замануи көррекциясы  – бұл микрохирургиялық және  эксимер-лазерлік  технологиялардың  бірегей комбинациясы. Бұл, қасаң  қабақ қабығының анатомиясына  зиян келтірмейтін, ең «аяншақты»  және тиімді әдіс. Атап өту  керек, операциядан кейін пациент  көзілдірігі мен линзаларын кимеуіне  болады, көз көру қабілеті нормаға  келеді. Кешке қарай пациент теледидар қарап, газет немесе кітап оқи алады.

Еркiн электрондардағы  лазер (Free Electron Laser, FEL -ағылшынша) - шығаруын (электр немесе магниттi) ауытқытқыш өрiстердiң периодты жүйесiне электрондарының ондулятор таралып жатқан энергетикалық шоғымен шығаратын лазердiң түрi. Электрондар, энергиясыз электрондар және ондулятордың параметрлерiнiң энергиясынан тәуелдi болатын фотондар периодты тербелiстер жасай сәуле таратады.

2.3.сурет

(Рентгендік лазерлік  сәулені алу)

Ол атомдар және молекулалардың құрылысын зерттеу де және кристаллографияда  қолданылады.

 Рентгендік лазер өзіне  FEL жүйесін қоса отырып, медицинада  қолданылатын  ұзындықты рентгендік  сәуле шығаруға қабілетті.Ол тiптi қағаз парағы арқылы кiре алмайды, бiрақ ( және одан қысқа толқын ұзындығы, сәуле сол тереңiрек тығыз плазмаға кiредi) энергияның иондалған биiк тығыздығы бар газдарының барлап байқауы үшiн тамаша жақындайды, сонымен бiрге қазіргі  жаңа материалдардың зерттеуi үшiн, атмосфераны зерттеуде, материал тану, дәрiгерлiк, ракетаға қарсы қорғаныста қолданылады.

Шалаөткізгіш  лазер (орыс. Полупроводниковый лазер) — белсеңді орта ретінде р-n өткелі бар шалаөткізгіш материалдар пайдаланылатын лазер. Сәулеленетін кванттық әсер етулер валенттік және өткізгіштік аймақтар арасында пайда болады. Жарықты күшейтуге қажет толтыру инверсиясы негізгі емес заряд тасымалдаушылардың инжекциясы (инжекциялық шалаөткізгіш лазер) арқылы пайда болады. Еріксіз сәулелену негізіндегі лазерлік генерация болу үшін, белсенді орта резонаторы электромагниттік еріспен езара әрекеттесу қажет. Ашық резонаторы жартылай мөлдір айна болып табылатын шалаөткізгіш лазердің жұмыс денесі кристалдан жасалады. Негізгі емес заряд тасымалдаушылардың белсенді ортадағы тығыздығын ұлғайту үшін р — n өткелінің асты мен үстінен қосымша шалаөткізгіш материалдар ор- наластырады. Бұл белсенді аймақтан тасымалдаушылардың диффузиясына бөгет жасайтын потенциалдық тосқауылды қалыптастыруға мүмкіндік береді (гетероқұрылымы бар шалаөткізгіш лазер).

Шалаөткізгіш лазердің артықшылықтары: толықтыру қарапайымдылығы, инжекция тогын өзгертумен қарқындылықты модуляциялау мүмкіндігі, шапшаңдығы жоғары (~10ГГц-ке дейін), шағын өлшемді, талшықты сәуле таратқыштармен үйлесімділігі.

3. Лазердің қолданылуы

3.1. Әр түрлi технологиялық және ғылыми үдерiстердегi лазерлердің қолданылуы

Лазердің ғылымның және техниканың әр түрлі салаларында қолданылуы оның сәуле шығыруының кейбір ерекше қасиеттеінде болып табылады.

Лазерлік сәуле  шығарудың  кейбiр сирек кездесетiн қасиеттерiн  қарап шығамыз.  Атом түпкi еннiң  спектрлiк сызығын жоспарсыз сәуле  шығаруда  таратады. Өте жоғарғы  қарқынмен түрінде өсіп келе жатқан амалсыздан сыртқа шығарылған фотандардың  сандары бұл жоғарғы қарқынның  шығарылуында инверсия орналасуы бар  ортада өседі, ал ең алдымен, негізгі  атомдық ауысудың спектрлік сызығының  ортасында және осы процестің  нәтижесінде спектрлік сызықтың енінің бастапқа жоспарсыз сәуле  шығыруы азаяды.

Арнайы шарттарда iс жүзiнде  табиғатта байқалатын жоспарсыз  сәуле шығарудың ең тар сызығының  енінен қарағанда  лазерлік сәуле  шығарудың спектрлік сызығының  салыстырмалы енін 107-108 есе кіші етуге  болады. Сызықтың тарылуларының  сәуле  шығаруынан басқа лазерде 10-4 радианнан  кем сәуле шығаруды алуғы болады. Жарықтың бағытталған тар сәулесiн  кез келген жарық ағынының жолына бір түзудің бойында орналасқан кішкентай саңылаулармен алынған  экран қатарын қойып көздің принципінен  алуға болады. Бiз қыздырылған  қара денелердi және диафрагмалар арқылы призма немесе басқа спектрлiк құралдарының лазерлік сәуле шығарудың спектрлік  енімен сәйкес келетін спектрінің енінен алынған сәуледен  жарықтың сәулесiн  алдық деп есептейік.

Лазерлік сәуле шығарудың  қуаттын, оның спектрiнің  енің және сәуленің  бұрыштық аралығын  бiле отырып лазерлік сәулеге экивалентті  жарық сәулесінің көзі ретінде қолданылатын қара дененің температурасын Планк  формуласы арқылы анықтай аламыз.  Бұл есептеу бiзге таңғаларлықтай санды береді: қара дененiң температурасы  миллион градустардың он шақтыларының ретi болуы керек! Лазерлік сәуле  шығарудың тамаша қасиеті- оның тиімді температурасы зерттеушілердің  алдында абсолютті түрде лазерді  қолданбайынша іске аспайтын мүмкіндіктерді ашады.

Лазерлердiң пайда болуы  нақтылы ғылыми және техникалық есептерді  шешу барысында лазердің қолаылу  сияқты  ғылыми және техниканың әр түрлі  аудандарына әсер етуін бірден көрсетті және бүгінгі күнге дейін әсерін жалғастыруда. Өткiзiлген зерттеулер көптеген оптикалық құралдардың көбеюіне мүмкіндік берді және  лазердің жарық көзі ретіндегі жүйелерде  жаңа принципті (жарықтықтың күшейткiштерi, кванттық гидрометрлер, жылдам оптикалық  схемалар тағы басқалар) құралдарды жасауға  әкелді.

Лазердің қолданылуы ғылымның және техниканың бағыттарында голография, сызықты және интегралды оптика,лазерлік технология, лазерлік химия, лазерді пайдалану арқалы термоядролық синтезді басқару және энергетиканың басқа да есептерін шешу сияқты жаңа бағыттар пайда болды.Төменде лазерлік сәуле шығарудың ерекше қасиеттері маңызды прогресті қамтамасыз еткен немес жап-жаңа ғылыми-техникалық шешімдерде келтірілген ғылымның және техниканың әр түрлі аудандарында лазердің қолдауының қысқаша тізімі берілген. Лазерлік сәуле шығарудың жоғарғы монохроматтылығы мен когерентілігі спектроскопияда, сызықты және бұрыштық жылдамдықтарда, химиялық реакциялардың бастауында, изотоптардың бөлiнуiнде, өлшем жүйелерiнде лазердің табысты қолдануын қамтамасыз етеді.

Әсіресе, лазерлердің голографиядағы қолдануын ерекше атап кету керек.

Голография (грекше –«толық жазу» деген ұғым) деп интерференциялық көріністерді толық жазып және оны қайта қалпына келтіретін ерекше тәсілді айтады.

 Энергияның жоғарғы  тығыздығы,лазерлік шоқтың қуаттылығы, лазердің сәуле шығарудың мүмкіндігі аз өлшемдерде термоядролық синтездің лазерлік жүйесінде, лазерлік кесу, дәнекерлеу, бұрғылау, шалағай шынықтыру және әр түрлі бөлшектерді өлшемдi өңдеу сияқты технологиялық үдерiстерінде қолданылады.   Бұл қасиеттер және лазерлік сәуле шығарудың бағыттары лазерлердiң әскери техникада табысты қолдануларын қамтамасыз етедi.  Лазерлік сәуле шығарудың бағыттары және оның өте кіші аралығы мынадай бағыттарда қолданылады: құрылыста, геодезияда, картографияда,нысананы дәлелдеуде, локацияда, соның ішінде жердiң жасанды серiгiне дейін арақашықтықты өлшеуде,ғарыш арқылы  байланыс жүйелерiнде,су асты байланысында қолданылады. 

Лазерлердiң жасауымен гармониялардың генерациясы, жарық шоғының өздігінен жұтылуы, көп фотонды жұтылу, жарықтың ыдырауының әт түрлі түрлері,лазерлік сәуле шығарудың өрісін шақыру сияқты құбылыстарды зеттеу мен қолдану арқылы сызықты емес оптиканың дамуында таңғажайып жетілулер пайда болды. Содай-ақ лазер медицина саласында ойдағыдай қолданылады: хирургияда (соның ішінде көздің хирургиясы, бүйректен тасты алу хирургиясы) және кішкентай дақ жасушаға және оның бөліктеріне әсер ететіндей  биологиядағы әр түрлі ауырулардың терапиясында.  Лазерлердiң қолдануларының жоғарғы облыстарының көпшiлiгi ғылымның және техниканың  өзіндік және дербес бөлімдерінде қолдауды талап етеді. бұл жерде келтірілген  лазерлердiң қолдануларынның қысқаша және толық емес тiзiмнiң мақсаты – лазердің ғылым мен техниканың әр түрлі бөлімдерінде пайда болуының қоғамдық өмірге әсерін ашып көрсету.

  Сондай-ақ лазердің  көмегімен Айға дейінгі арақашақтықты жоғары дәлдікпен анықтауға болады. Айдағы ұшуды меңгерiлетiн және ұшқышсыз аппараттар ұшуы кезінде , оның  бетіне бiрнеше арнайы бұрыштық шағылдырғыштар апарып орналастырылған. Жерден телескоптың көмегімен арнайы фокустелген лазерлік сәуле жіберілді және ай бетiне дейiн және кері қайтқан жолға жұмсалатын уақытты өлшеді. Жарықтың жылдамдығының ( барлық зерттеулерді үлкен дәлдікпен өлшеген) мәнінің негізінде Айға дейінгі арақашақтықты анықтауға мүмкіндік туды.Қазіргі кезде Ай орбитасының параметрі бірнеше сантиметрге дейінгі дәлдікпен белгілі.

Лазерлік сәулелер қар қалыңдығын жоғары дәлдікпен анықтай алады. Зерттеушілердің айтуынша, ультрадыбысты құрылғыларға қарағанда лазерлік қондырғылар атмосфералық жағдайларға тәуелді емес. Сынақ барысында ғалымдар лазерлік сәуле көмегімен көптеген жерлердегі қар қалыңдығын есептеген.

3.2. Зергерлiк саладағы лазерлерiнiң қолдануы

Соңғы жылдары лазердің зергерлік салада қолданылуының кеңейген тенденциясы байқалды. Соның ішінде өте кең таралғаны зергерлiк өнеркәсiптiң негiзгi  қамбат металдары және тастарының материалдарымен жақсы жұмыс үшін  жеткiлiктi дәрежедегі сәуле шығару алюминий - иттрий гранатындағы қатты денелi лазерлермен өңдеу үшiн станоктер болып табылады.Лазер өңдеудің технологиялық үдерiстерiнің бөлiгі зергерлік салада зергерлік өнеркәсіптің бұйымдарын өңдеу үшін толығымен және жан—жақты зерттелген. Мысалы,тастарға тесiк жасау. Лазерлердiң зергерлік салада алғашқы қолдануларының  бiрі тастарға тесiк жасауы болды.  Саңылауларды бұрғылау әрдайым өте сыйымды операция болды.

 Қазiргi лазер технологиясы  тастарға әр түрлі  жоғарғы  жылдамдық пен және сапамен  тиісті форманың саңылауын салуға  мүмкіндік береді. Сондай-ақ лазерлік дәнекерлеу.  Зергерлiк саладағы лазерлердiң алғашқы қолданулардың бiрлерi лазер дәнекерлеуi көмегiмен әр түрлi бұйымдардың жөндеудi операциялары болды. Лазер дәнекерлеуiн сериялы жаппай өндiрiстегi қолданулар, мысал, шынжырлардың лазер дәнекерлеуi олардың өндiрiсiнде болып табылады.