Лазердің жұмыс істеу принциптері

Лазердің жұмыс істеу принциптері.

Лазер жұмыс істеу үшін үш негізгі шарт орындалуы қажет.

Біріншіден, оптикалық диапазонда сәуле шығаратын атомдар, молекулалар немесе иондар жиынтығы- активті орта болуы керек. активті орта ретінде газдар, сұйықтар, қатты денелер қолданылады.

Екіншіден, активті орта инверсиялық қоныстану деп аталатын күйге келтірілуы керек. табиғатта бұл күй өте сирек кездеседі. Лазерде инверсиялық қоныстану толтыру деп аталатын қоздыру процесі нәтижесінде жасалады.

Үшіншіден, лазерлік сәуле пайда болуы үшін (лазерлік генерация) системада оң кері байланыс жасалуы керек. лазерде кері байланыс айналардың жәрдемімен жүзеге асырылады. Бұлар ашық резонатор деп аталады.

Жоғарыда айтылғандарға байланысты лазер үш элементтен активті орта, қоздыру системасы және резонатрдан тұрады.

Осы үш элементтін әр қайсысын жеке-жеке қарастырайық.

Лазерде электромагниттік сәуленің (жарықтың) затпен әсерлесу прцестері негізінде жұмыс істейді. Жарықтың затпен әсерлесуі зат бөлшектерінің жарықты шығаруы, жұтуы және шашыратуы сияқты қарапайым процестермен анықталады.

Лазер шығаратын энергия- электромагниттік сәуле шығару. «Электромагниттік сәуле шығару» термині әр түрлі сәуле шығарудың үздіксіз қатарын белгілеу үшін қолданылады. Электромагниттік сәуле шығарудың толқын ұзындықтары мен жиіліктер диапазондарына бөлінуін электромагниттік диапазондар шкаласы деп атайды.

Электромагниттік сәуле шығару спектрі ұзын толқынды радио толқындардан бастап ең қысқа толқынды рентген және γ-сәулелеріне дейінгі аймақты алып жатады. Ал көзге көрінетін жарық электромагниттік толқындардың азғантай бір бөлігі ғана.

Қазіргі кезде жасалып, қолдану орнын тапқан лазерлердің сәуле шығару спектрдің ультракулгін, көрінетін және инфрақызыл аймақтарына сәйкес келетін жарық, яғни бұлтолқвн ұзындықтары 10-7-10-4 және жиіліктері 1013-1015 Гц диапазондарына сәйкес сәуле шығару болып табылады.

 

Лазер типтері.

Лазердің бірыңғай принциппен жұмыс істейтіндігі айтылған болатын. Қолданылатын энергетикалық деңгейлер саны әр түрлі болғанда бұлардың арасында едәуір айырмашылық болады.

Лазерлер қолданылатын активті зат түріне қарай толтыру амалы бойынша бөлінеді. Қолданылатын активті зат түріне қарай лазерлер қатты денелік, сұйықтық,жартылай өткізгіштік, газдық деп аталатын негізгітүрлерге бөлінеді. Ал олардың өзі нақты қолданылатын заттарға сәйкес түрліше болады. Мысалы, газдық лазерлер гелий-неондық,аргондық және тағы басқа болып бөлінеді. Қатты денелік лазерлер рубиндік, шынылық және тагы басқа болып бөлінуі мүмкін.

Сонымен, лазерлердің классификациясы активті орта типі бойынша да, оны қоздыру тәсілі бойынша да жүргізіледі.

 

 

 

 

 

 

 

Қатты денелік лазерлер.

Бұл лазерлерде активті орта ретінде кристалдық немесе аморфтық диэлектрик пайдаланылады. Активті центрлер ролін активті ортаға арнайы ендірілген (қоспа түрінде) иондар атқарады. Қатты денелік лазерлерде тек оптикалық толтыру қолданылады. Активті ортадағы инверсия толтыру лампасының қуатты жарығымен жарықтандыру арқылы жасалады. Жарық ағынын тиімді пайдалану үшін активті стержень және лампа шағылдырғыш эллипстік қораптың фокустарына орналастырылады. Толтыру көзінің (лампа) энергиясы түгелдей пайдалы сәулеге айналмайды, оның көпшілік бөлігі (≈85%) стерженьді қыздыруга жұмсалады. Жоғары температурада стержень  қасиеттері өзгеріп, лазер өз жұмысын тоқтатуы мүмкін. Сондықтан қуатты лазерлерде салқындату системасы қолданылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рубин лазері.

  Бірінші лазерлік генерация рубинде алынған. Рубин-хром иондарының қоспасы бар алюминий тотығы. Әдетте лазерлерде 0,05% хром қосылған қызғылт рубин қолданылады. 2-суретте осындай рубиннің энергетикалық схемасы келтірілген. Активті центр рөлін мұнда хром атқарады. Толтыру хром иондарын Е1 энергетикалық күйінен Е3 күйіне немесе Е1 ден Е4 күйіне көшеді. Бірақ Е3 және Е4 күйлерінде ион өте аз, шамамен 5*10-8 с өмір сүреді, содан Е2 деңгейлерінің біріне көшеді. Бұл көшу жарық шыгармай көшу, оның энергиясы кристалдық решетканың жылулық тербелісін қоздыруға жұмсалады. Е4 тен Е1 ге және Е3 тен Е1 ге көшулері де болуы мүмкін, бірақ бұл көшулердің жылдамдығы Е4 тен Е2 ге және Е3 тен Е2 ге көшулері жылдамдықтарымен салыстырғанда өте аз.

Е2 деңгейлерінде ионның өмір сүру уақыты біршама ұзағырақ шамамен 5*10-3 с, яғни бұл деңгейлер метастабильдік деңгейлер. Осы деңгейлерге көп иондар жиналады, соның нәтижесінде Е1 және Е2 деңгейлері арасында инверсиялық қоныстану пайда болады. Бұл Е2 ден Е1 ге көшулерінде күшейтуді және генерацияны іске асыруға мүмкіншілік береді. Осы көшуге толқын ұзындығы λ= 694,3 нм сәуле шығару сәйкес келеді. Толқын ұзындығы λ= 692,7 нм тағы бір толқын шығарылады, бірақ оның интенсивтігі бірінші толқынның интенсивтігінен әлдеқайда төмен.

2-сурет

Рубиндегі генерация импульстық және үздіксіз режимдерде іске асырылады. Ұзақтығы 10-3 с-тан 10-9 с-қа дейінгі импульстарды генерациялайтын лазерлер бар; импульс неғұрлым қысқа болса, лазер соғұрлым зор импульстық қуат бере алады.

Әрине, генерациялайтын имрульстардың ұзақтығы  мен қуаты төменгі Е1 деңгейінен жоғарға Е3 және Е4 деңгейлеріне толтыру арқылы қаншалықты көп ионның көшірілуіне тәуелді. 1,а-суретте келтірілген схема бойынша энергиясы бірнеше жүз Джоуль, ұзақтыға шамамен 10-3 с импульстар алынады. Осыдан бір импульсқа сәйкес орташа қуат жүздеген киловаттқа тең болады. Лазердің осындай жұмыс істеу режимі еркін генерациялау режимі деп аталады. Кей жағдайда қуатты жоғарырақ, ал ұзақтылығы әлдеқайда қысқа импульстар қажет болады. Іс жүзінде ол былай орындалады: толтыру кезінже генератор (лазер) системасынан біраз уақытқа кері байланысты үзіп қояды (резонатор айналарының юстировкасын бұзу арқылы немесе оптикалық затвормен жабу арқылы) Бұл амал Е2 және Е1 деңгейлерінің қоныстануларының айырмашылығын арттыруға мүмкіншілік береді. Барлық иондар дерлік жоғарғы деңгейге көшкен кезде айналар «қосылады», сонда өте қысқа және өте қуатты импульс түрінде генерация пайда болады. Осылай жұмыс істейтін генератор төзімділігі модуляцияланған лазер деп аталады. Мұндай лазерлер ұзақтығы 10-7 -10-9 с, қуатты бірнеше гигаватт импульстар береді. Сондықтан оларды гигант импульстар генераторы деп атайды.

Қатты денелік лазердің импульстарының тағы бір ерекшелігін атап кетейік. Көп жағдайда едәуір енді импульстар көптеген жеке импульстардың жиынтығынан тұрады. (1, б-сурет) Жеке импульстың ұзақтығы 10-6 с, импульстар интервалы 3*10-6 -10-5 с. Осындай қысқа импульстар кішкене шыңдар (пичка )деп аталады.

Рубин лазерлерін (диаметрі 2 мм, ұзындығы 2,5 см стержень) 5 кВт қуатпен қоздырғанда (толтырғанда) одан үздіксіз режимде 2 Вт шамасында қуат алынған. Бірақ үздіксіз режим рубин кристалын сұйық азот температурасына дейін салқындатқанда ғана алынады. Сондықтан рубин лазерлері тек импульстық режимде пайдалынады.

 

 

 

 

 

 

 

Неодим қоспасы бар иттрий-аллюминий гранат Y3Al5O12 (ИАГ:Nd) лазері.

Лазердің активті центрі ретінде көп тараған ионның бірі неодим ионы Nd3+, ол иттрий аллюминий гранаты ИАГ немесе шыны сияқты кристалдық затқа ендіріледі. ИАГ:Nd лазері қазіргі кезде кең қолданылатын қатты денелік лазер болып саналады.

Лазер төрт деңгейлі схема бойынша жұмыс істейді.

Рубин лазеріндегі сияқты цилиндр стержень формалары активті орта оптикалық толтыру арқылы қыздырылады.

ИАГ:Nd лазері импульстық режимде (қоздыру көзі-импульстық ксенон лампа) , үздіксіз генерация режимінде (криптон толтыру лампасы) жұмыс істей алады. Неодиммен активтендірілген шыны лазерлері де кең қолданылады. Неодимі бар шыны лазері, неодимі бар гранат лазері сияқты, төрт деңгейлі схема бойынша жұмыс істейді. Генерацияланған сәуленің толқын ұзындығы λ=1,06 мкм.

Әр түрлә шынылар: боратты (бор тотығы негізінде), қорғасынды (қорғасын тотығы негізінде), фосфатты (фосфатты тотықтары негізінде), фторлы (бериллий фторы негізінде), кварцты және тағы басқалары қолданылады. Шынылы активті элементтер арзан және одан ұзын стержень жасау оңай, олар оптикалық біртекті, бұларды активаторға жоғарғы концетрацияда ендіруге болады. Шынылардың ең негізгі кемшілігі- олардың жылу өткізгіштігі өте нашар. Соның салдарынан шыныларды тек импульстық режимде пайдалануға болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

Сұйықтық лазерлер.

Сұйықтық лазерлерде активті орта ретінде органикалық бояғыш зат ерітінділері немесе жерде сирек кездесетін элементтердің иондарымен активтендірілген арнаулы сұйықтықтар пайдаланылады. Оптикалық толтыру қолданылады.

Сұйықтық лазерлер ішінде кеңірек қолдану тапқаны органикалық бояғыш заттар ерітіндісі негізінде лазерлер.

Бұл лазерлерде активті орта ретінде органикалық бояғыш зат молекулалары (активті центрлер) бар сұйық еріткіш (су, метанол, толуол, бензол, ацетон және басқалар) алынады.

Бояғыш заттар- күрделі органикалық қоспа. Спектрдің көрінетін және  жақын ультракүлгін аймақтарында бұлар кең жұтылу жолақтарына ие болады.

Қазіргі кезде 200-ден астам әр түрлі бояғыш заттардан лазерлік генерация алынды. Әр түрлі бояғыш заттар генерациялайтын толқын ұзындықтардың диапазоны 0,3-1,3 мкм аралығында.

Бұл лазерлердің тамаша қасиеттерінің бірі-жиілігін өзгертуге болатындығы. Белгілі бір бояғыш затты пайдаланғанда генерация сызығының толқын ұзындығының өзгеру диапазоны 30 нм-ге жетеді. Ал бояғыш затты іріктеу арқылы спектрдің жақын инфрақызыл аймағынан жақын ультракүлгін аймағына дейін лазерлік генерация алуға болады. Бұл лазердің тағы бір ерекшелігі күшейту коэффициенті үлкен, қатты денелік лазердікіне бара-бар. Артықшылығы-активті орта оңай дайындалады.

Бояғыш зат лазерін толтыру оптикалық тәсілмен: импульстық лампа немесе басқа лазерлер жәрдемімен жасалады.

 

 

 

 

 

 

Газдық лазерлер.

Активті орта ретінде газ, бірнеше газдар қоспасы немесе газдың металл буларымен қоспасы алынатын лазерлер газ лазерлері делінеді. Газ-активті орта біртекті болады. Бұл оған үлкен оптикалық резонаторды қолданып, өте монохромат және бағытталған сәуле шығарып алуға мүмкіншілік береді. Газ активті ортаның тағы бір ерекшелігі- оның тығыздығы аз, сол себепті активті бөлшектердің (атом,молекула, ион) өзара әсерлесуінен энергетикалық деңгейлері кеңіп өзгермейді. Сондықтан газдың энергетикалық деңгейлері өте тар болады. Бұл газ лазерінің сәуле шығару энергиясынын бірнеше, тіпті бір модаға шоғырландыруға мүмкіндік береді. Активті ортаны таңдап алу арқылы газ дазерлерінде ультракүлгін аймақтан алыс инфрақызыл аймаққа дейінгі спектрдің кез келген бөлігінде генерация алуға болады.

Газ лазерлерінің артықшылығы –олар үздіксіз және импульстық режимдерде жұмыс істей алады.

Алғаш жасалған газ лазерлері резонатр осі бойымен бағытталған электр разряды жәрдемімен қоздырылды. Олар газразрядтық деп аталды. Газразрядтық лазерлердегі активті бөлшектер- газдардың атомдары, илндары және молекулалары. Осы бөлшектерді әр түрлі жолмен қоздыруға болады. Осыған байланысты газ лазерлерін мына типтерге бөлуге болады: 1) нейтрал атомдар негізіндегі газ лазерлер; 2) иондық лазерлер; 3) молекулалық лазерлер.  Нейтрал атомдар лазерлерінде қоздырудың негізгі механизмі электронның атоммен серпімсіз соқтығысуы. Неон, аргон, криптон және ксенон атомдарын, қорғасын, марганец, мыс булары осылай қоздырылды. Атомдарды қоздырудың тағы бір маңызды механизмі- бір газдың қозған атомдарының басқа газдардың қозбаған атомдарымен серпімсіз соқтығысуы. Осылай қоздырылатын гелий және неон газдарының қоспасы активті газдық ортаға мысал бола алады.

3-сурет. Газ лазерінің құрылысы.

 

Иондық лазерлерде инертті газдар (аргон, гелий, криптон,неон) әр түрлі химиялық элементтердің (кадмий, селен, цинк, йод) булары, фосфор, күкірт, хлор, бром және басқа элементтердің иондары активті зат бола алады.

Молекулалар лазерлерде кең қолданылатын активті заттар азот, көмір қышқыл газының азот және гелиймен қоспасы.

Газ лазерлерінің құрылысы схема түрінде 3 суретте көрсетілген. Түтік активті орта болып саналатын газбен немесе газ қоспасымен толтырылған. Түтіктің екі шеті түтік осіне Брюстер бұрышымен ϑ көлбеу орналастырылған терезелермен жабылған жабылған. Терезелерді осылай орналастыру олардан өтетін жарық шығынын азайтады, өйткені бұл жағдайда  терезе тек түсу жазықтығында поляризацияланған тербелістерді өткізеді. Түтік екі айнаның (резонатор) арасына орналастырылады.  Көпшілік жағдайда толтыру электр разряды жәрдемімен жасалады.

Нейтрал атомдар лазеріне  гелий-неон лазері жатады. Газ разрядтық түтіктегі жалпы қысым 130 Па шамасында болатын етіліп гелий мен неон шамамен 10:1 қатынасында қосылады. Индукцияланған жарықты неон атомдары шығарады, ал гелий атомдары неон атомдарынан тек энергия беруге қатысады, толтыру процесін күшейту үшін пайдаланады. Газдағы солғын разряд неон атомдарының біраз бөлігін негізгі Е1 деңгейден өмір сүру уақыты ұзағарақ қозған Е4 және Е5 деңгейлеріне көшіреді (4 сурет) инверсиялық қонытану осы деңгейлердің өмір сүру уақыты қысқа Е3 деңгейімен салыстырғанда көбірек қоныстануы нәтижесінде жасалады. Таза неонда инверсияның жасалуына метастабильдік Е2 деңгейі кедергі жасайды, сондықтан неонға гелий қоспасын енгізу пайдалы болады.

Электр разрядының әсерінен гелий атомдарын біразы иондалып, үлкен кинетикалық энергиялы электрондары бар плазма пайда болады. Бұл электрондар гелий атомдарымен соқтығысып, оларды негізгі Е1 деңгейінен өмір сүру уақыты ұзағырақ қозған Е2 және Е3 деңгейлеріне көшіреді. Бұл деңгейлер неонның Е4 және Е5 деңгейлеріне өте жақын орналасқан. Сондықтан қозған гелий атомдары қозған неон атомдарымен соқтығысқанда қозу энергиясын резонансты беруі ықтимал. Нәтижеде неон атомдары Е4 және Е5 деңгейлеріне, ал гелий атомдары негізгі күйге көшеді. Гелий атомдарымен соқтығысып, неон атомдарының Е2 және Е3 деңгейлеріне көшіп қону ықтималдығы аз, себебі бұл күйлер энергияларының гелийдің Е2 және Е3 деңгейлеріндегі энергияларынан айырмашылығы үлкен.

Сонымен, қоспа газ-гелийді пайдалану неонның қажетті энергетикалық деңгейлерін қосымша қоныстандыруға және Е3,Е4,Е5 деңгейлері арасында инверсиялық қоныстану мүмкіншілік береді.

Неонның Е3 деңгейінің өмір сүру уақыты аз болғандықтан Е4 тен Е3 ке және Е5 тен Е3 ке көшірулерінде үздіксіз генерация алуға болады. Е4 тен Е3 ке көшуіне толқын ұзындығы 1,153 мкм (жақын инфрақызыл аймақ), Е5 тен Е3 ке көшуіне толқын ұзындығы 0,6328 мкм (қызыл сызық, көрінетін аймақ) генерация сәйкес келеді. Е3,Е4,Е5 деңгейлерінің әрқайсысы шындығында бірнеше деңгейден тұрады, сондықтан гелий- неон лазерінің спектрі көп спектр сызықтарынан тұрады. Осылардан қажетті спектр сызығын бөліп алу оптикалық резонатордың айнасын таңдап алу, резонаторға дисперсиялайтын немесе кейбір сызықтарды жұтатын элементті енгізу арқылы жүргізіледі.