1-kurs Fizika (yo’nalishlar bo’yicha) magistri Abidov Hikmatning Kvant elektronikasi fanidan bajargan mustaqil ishi

Aktiv muhit tomonidan kuchaytirilishdan tashqari, rezonator ichidagi to‘lqinning amplitudasini kamaytiradigan qator faktorlar ham ta’sir qiladi. Rezonator ko‘zgularining qaytarish koeffitsiyenti birga teng emas. Uning ustiga nurlanishni rezonatordan chiqarish uchun ko‘zgulardan hech bo‘lmaganda bittasi qisman shaffof qilib yasaladi. Bundan tashqari, nurlanish rezonator o‘qi bo‘ylab tarqalayotganda nurlanish oqimining energiyasi oqimning difraksiyasiga, rezonatordagi muhitda sochilishiga va hokozalarga ham sarflanadi. Energiyaning bunday isroflarini ko‘zgular uchun ularning haqiqiy r qaytarish koeffitsiyentidan kichik bo‘lgan r_eff effektiv qaytarish koeffitsiyentini kiritib hisobga olish mumkin.

Agar to‘lqinning L yo‘ldagi kuchayishi uning ko‘zgulardan qaytgandagi energiya isroflarining yig‘indisidan katta bo‘lsa, har bir yugurishdan so‘ng to‘lqinning amplitudasi borgan sari kattaroq bo‘ladi. To‘lqin energiyasining u() zichligi kuchaytirish koeffitsiyentining kattaligi to‘yinish effekti natijasida ancha kamayadigan bo‘lguncha to‘lqin kuchayaveradi. Statsionar holat muhitdagi kuchayishning energiya isroflari yig‘indisi bilan raso kompensatsiyalanish shartiga mos keladi. Shunday qilib, lazerlardan nurlanishni generatsiya qilish masalasida to‘yinish effekti prinsipial

3. Kvant elektronikasi fanining xronologiyasi va boshqa bo’limlar bilan bog’liqligi

1954 yilning oxiri - 1955 yilning boshlarida lazerlarning nazariy asoslari yaratildi va lazerlarning birinchi qurilmasi – molekulyar generator yoki dastali ammiakli lazer yaratildi.
Invers to‘ldirilganlik kvant sistemasi xajmiy rezonatorga joylashtirilganda lazerlar paydo bo‘ldi. Bu xolat 1954 yilning oxirlarida, bir vaqtning o‘zida, Moskvadagi FIANda A.M.Proxorov rahbarligidagi laboratoriyada va Nyu-yorkdagi Kolumbiya universiteti, Fizika fakulteti CH.Tauns rahbarligidagi laboratoriyada yuzaga keldi.
Lazerlar radiodipapozon soxasida yuzaga kelgan molekulyar generatorda
1.25 smli to‘lqin uzunligida birinchi marta toza holda to‘g‘ridan-to‘g‘ri
majburiy nurlanish kuzatilgan. Bu holat musbat teskari aloqali avtotebranishlar generatori rejimida kuzatilgan.
Majburiy nurlanishni kuzatish uchun qo‘zg‘otilgan atomlar bo‘lishi kerak va bundan tashqari majburiy nurlanish ehtimolligi spontan nurlanish ehtimolligidan katta bo‘lishi kerak. Aytib o‘tish kerakki, 1940 yilga kelib, qo‘zg‘otilgan atomlar sistemasi yorug‘lik nurlanishini kuchaytirishini optika sohasida ilmiy ishlar olib boruvchi olimlar tushunib etgan edilar.
Shunday olimlar qatoriga avvalo V.A.Fabrikant ham kiradi. Lekin u
paytda yorug‘lik nurining kuchayishi asosidagi optik generator yaratishni hech
qaysi tadqiqotchilar aytmagan edi. A.Eynshteyn va A.M.Dirak optikani
nazarda tutgan xolda majburiy nurlanish to‘g‘risidagi o‘z ilmiy fikrlarini
aytgan bo‘lsalar ham o‘sha davrda optikada bunday taxminlar mumkin emas
edi.
20 asrning birinchi yarmida radio va optika alohida-alohida rivojlangan. Optika soxasida kvant tushunchalari, radioda esa to‘lqin tushunchalari rivojlangan. Bu davrda radio va optika soxasining borligi doimo to‘lqin nazariyasi nuqtai nazardan qaralgan va e’tirof etilgan.
Elektromagnit tebranishlarning kvant tabiatiga asoslangan radio va
optikaning umumiyligi uzoq vaqtlar mobaynida bilinmadi.
Spektroskopiyaning O‘YUCH diapazoniga mos keluvchi molekulalar, atomlar,
molekulyar ionlarni o‘rganuvchi bo‘limi- radiospektroskopiya paydo
bo‘lgandan keyin yuqoridagi umumiylik yuzaga keldi.
Radiospektroskopiya ikkinchi jaxon urushidan keyin tez rivojlandi.
Bu rivojlanish santimetrli to‘lqinlar texnikasining intensive rivojlanishi bilan bog‘liqdir. Bu esa radiolokatsiya soxasi ehtiyojini to‘la qondirdi. O‘sha davrlarda O‘YUCH energiya kanalining to‘lqin metodlari ishlab chiqilgan, yuqori asllilikka ega bo‘lgan O‘YUCH xajmiy rezonatorlar ishlab chiqilgan, sezgirligi yuqori bo‘lgan priyomniklar (qabul qilgichlar) yaratilgan. Bularning hammasi radiospektroskopiyaga oddiy radiospektroskopiyaga nisbatan bir qator afzalliklar berdi.
O‘sha davrdagi radiospektroskopiyani optik spektroskopiyadan prinsipial farqi ishlatuvchi nurlarning monoxromatik harakterga ega ekanligidir. Bundan tashqari, radiodiapozon soxasida spontan nurlanishlar etarli darajada kuchsiz edi. Qo‘zg‘otilgan sathlar esa yuqori darajadagi to‘ldirilgan va bu majburiy nurlanishga olib kelar edi.
Bularning hammasi, ya’ni radiospektroskopiya lazerlarning bazasiga
aylandi va radiospektroskopiya soxasi bilan shug‘ullanuvchi olimlar
lazerlarning asosiga fundament bo‘lib hizmat qildilar.
Sobiq ittifoqda radiospektroskopiya bo‘yicha ilmiy tadqiqot ishlari RFA FI da A.M.Proxorov rahbarligidagi tebranishlar laboratoriyasida boshlangan edi. Spektroskopiya soxasi masalalar echish bilan birga standart
chastotalar va vaqtni yaratish uchun O‘YUCH spektridan foydalanish
yo‘nalishlarida tadqiqotlar olib borilgan. Xuddi mana shu asnoda lazerlar
yaratilgan.
Haqiqatdan ham standart chastotaning aniq ishlashi yutilishning spektral liniyasi chastotasining barqarorligiga tayanuvchi liniya kengligiga bog‘liq. Liniya kengligi qancha kichik bo‘lsa, yutilish liniyasi chastotasining
nominal qiymatiga bog‘lanuvchi stabillovchi chastotaning aniqligi ortadi.
Radiodiapazonlar soxasida molekulyar gazlarning past bosimlarida
donlar kengayishi kuzatiladi. SHuning uchun molekulyar dastalarda eng kichik
tor liniyalar kuzatiladi. Bularda tezliklar taqsimoti yo‘q. YAxshi uchlangan
dastada zarralar soni kam bo‘lganligi uchun va qo‘zg‘otilmagan molekulalar
orasidagi farq kichik bo‘lganligi uchun molekulyar dastaning yutilish
liniyasi intensivligi kichik bo‘ladi.
Tadqiqot ishining shu etapida, sun’iy ravishda qo‘zg‘otilgan va qo‘zg‘otilmagan orasidagi farqni o‘zgartirib sezilarli darajada sezgirlikni oshirish mumkin xulosaga kelindi. Agar molekulalar ichidan qo‘zg‘otilgan molekulalar dastasi hosil qilinsa, yutilish o‘z ishorasini o‘zgartirar ekan va u nurlanishga aylanar ekan.
Molekulalar dastasi manfiy yo‘qotishlarga ega bo‘lgan muhit bo‘lib qoladi.
Tebranishlar nazariyasi bilan shug‘ullanuvchi mutaxassislarga mana shunday nur dastasini rezonans kontur bilan bog‘lasa monoxromattik tebranishlar generatorini yaratish mumkinligi aniq bo‘lib qoldi.
Mana shu davrga kelib, tebranishlar nazariyasida monoxromatik tebranishlar generatori nazariyasi ishlab chiqilgan edi. Bu musbat teskari aloqali avtotebranishlar sistemasi edi. O‘YUCH radiodiapazon soxasida, nurlar dastasi bilan ishlash uchun qulay hajmiy rezonatorlar ishlab chiqilgan edi.
Invers to‘ldirilganlikka ega bo‘lgan molekulalar nuri dastasini hajmiy rezonator orqali o‘tkazilganda, yuqorida aytilgan barcha imkoniyatlarning sintezi muxim ahamiyatga ega qadamga aylandi.
Shunday qilib, sobiq ittifoqdan N.G.Basov va A.M.Proxorov, Amerika
Qo‘shma SHtatlaridan Dj.Gordon, CH.Tauns, G.Seygerlar birinchi bo‘lib mazerni yaratdilar. Ma’lumki, 1964 yilgi Fizika soxasi bo‘yicha Nobel
mukofoti, mazerlar va lazerlar yaratilishiga olib kelgan lazerlar soxasidagi buyuk ilmiy ishlari uchun CH.Tauns, A.M.Proxorov va N.G.Basovlarga berilgan edi.
Keyingi asosiy qadam, 1955 yili N.G.Basov va A.M.Proxorov tomonidan inversiyani aktiv rezonator usuli yordamida hosil qilish yoki uch energiya sathli damlash usulini taklif etishganda qo‘yildi. Keyinchalik bu metod keng tarqaldi.
1956 yili N.Blambergan (AQSH) paramagnit kristalllar asosidagi mazer kuchaytirgichlar yaratish uchun uch energiya sathli usulni taklif etdi. Bu
esa, albatta, lazerlar soxasini sezilarli kengayishiga olib keldi.
Radiodiapazon soxasidagi lazerlarning muvaffaqiyatlarga qisqa to‘lqinlar sohasi tomoniga siljish to‘g‘risidagi savolni qo‘ydi. Bu esa radiofizika va radioinjenerlar uchun tabiiy savol edi. Qisqa to‘lqinlar soxasi tomon siljishlar rezonatorlar to‘g‘risidagi qiyinchiliklarni keltirib chiqardi, chunki monoxromatik tebranishlar generatorining ishlashi rezonatorsiz umuman mumkin emas edi.
1958 yili A.M.Proxorov tomonidan ochiq rezonatorlarni qo‘llashni taklif etgani muxim bosqich bo‘lib qoldi. Ma’lumki, ochiq rezonator bu Fabri-peroning interferometridir. Lekin, shunday radiotexnik yondashish A.M.Proxorov uchun rezonator sifatida foydalanish imkonini berdi.
Lazerlarning optika sohasidagi dastlabki qadam 1960 yilning oxirlarida T.Meymanning monoxromatik nurlanishning optik generatori-birinchi lazerni yaratishi va Ali Dshavaning neon va geliy gazlari aralashmasi asosidagi lazerlari bo‘ldi. SHu davrdan boshlab lazerlarning jadal rivojlanishi boshlandi. Hozirgi, zamonaviy lazerlar keng soxani o‘z ichiga oladi. O‘YUCH
elektronikasiga nazar tashlasak, kvant elektronikasi ko‘proq optika soxasiga o‘zgartirishlar kiritgan. Mazer va lazerlarning ishlash prinsiplari bir xil bo‘lgani bilan ulardagi farq sezilarli.

4. Kvant elektronikasi fanining maqsadi va vazifalari.

Radiodiapazon soxasidagi mazerlar yangi ishlash prinsipida yaratilgan
bo‘lsa ham, ular klassik elektron hususiyatlarga ega. Lekin ular
radioqurilmalar parametrlarining sifatini oshirdilar.
Kuchaytirgichlarning sezgirligi 2-3 tartibga, chastotalar generatorining
stabilligi 3-4 tartibga oshdi. Bu yutuqlarning radiodiapazondagi lazerlarda qiymati yuqoridarajada, lekin, umuman olganda, bu aniq bo‘lgan sifat hususiyatlarining miqdoriy o‘zgarishidir, chunki lazerlarning yaratilishigacha ham elektronikada kogerent radiokuchaytirgichlar va monoxromatik tebranishlar radiogeneratorlari bor edi.
Optika soxasi esa bundan mustasno. Optika soxasida hamma yorug‘lik
manbalari o‘z tabiatiga ko‘ra kvant hususiyatiga ega. Kvantlar to‘g‘risidagi
tushuncha optik nurlar hususiyatlarini tahlili natijasida paydo bo‘lgan.
Ammo, lazerlar paydo bo‘lgunga qadar, hamma optik yorug‘lik manbalari
monoxromatik bo‘lmagan nur chiqargan, kogerent bo‘lmagan tebranishlar hosil qilgan. Optika soxasida, kogerent kuchaytirgichlar bo‘lmagan, elektromagnit
tebranishlarning monoxromatik generatori ham yo‘q edi. Faqatgina
lazerlar, yuqori yo‘nalganlikka ega bo‘lgan yorug‘lik to‘lqinlarini fazoga
tarqatgan, spektral monoxromatik va vaqtli kogerentlikka ega bo‘lgan.
SHuning uchun lazerlarning paydo bo‘lishi optika soxasiga oldin imkon
bo‘lmagan xoldagi nurlanish energiyasini vaqt bo‘yicha, spektral intervalda
fazoda jamlash imkonini berdi. Xuddi shu faktlar, dalillar, imkoniyatlar
optika soxasini yangi, sifatli, yuqori sathga olib chiqdi.
Zamonaviy optika soxasidagi bu yangi qo‘llanishlar, yorug‘lik
generatsiyasi uchun lazerlar metodlarida to‘g‘ridan to‘g‘ri majburiy nur
chiqarish effektidan foydalaniladi. Bu- lazerlarning asosidir. YAna bir
marta aytib o‘tish kerakki, lazerlar optika soxasini yangi imkoniyatlarini
aniqlaydi. Lekin uning fundamental qismini ko‘rib chiqmaydi. Bundan
tashqari, lazerlar 20 asr optikasining fundamental asoslari zamirida
tashkil topgan.
Zamonaviy optika soxasidagi bu yangi qo‘llanishlar, yorug‘lik generatsiyasi uchun lazerlar metodlarida to‘g‘ridan to‘g‘ri majburiy nur chiqarish effektidan foydalaniladi. Bu- lazerlarning asosidir. YAna bir marta aytib o‘tish kerakki, lazerlar optika soxasini yangi imkoniyatlarini aniqlaydi. Lekin uning fundamental qismini ko‘rib chiqmaydi. Bundan tashqari, lazerlar 20 asr optikasining fundamental asoslari zamirida tashkil topgan.
Hozirgi paytga kelib, lazerlar juda keng diapazonda ishlamoqda:
submillimetrli to‘lqin uzunliklaridan UB to‘lqin nurlanishlarigacha.
Uzlukli va uzluksiz rejimlarda ishlamoqda. Lazerlarning turli-tuman va
har xil ko‘rinishlari mavjud. SHunga mos ravishda ko‘plab lazerlarning
faol muxitlari va ularni qo‘zg‘otish uchun fizik jarayonlar mavjud. Hamma
lazerlar uchun umumiy bo‘lgan invers to‘ldirilganlikni hosil qilishda faol
muxitda energiya sarfi kerak bo‘ladi va energiya ishchi muxitida shunday
termodinamik nomuvozanat holat hosil qilishi kerakki, unda majburiy
nurlanish yutilish jarayonidan yuqori turishi kerak.
YAqinda Michigan universiteti olimlari yorug‘lik va moddiy olam
kesishishida mavjud bo‘ladigan sirli zarralarning xossalaridan foydalanib, kogerent yorug‘lik nuri olishning yangi, amaliy va samarali
usulini topdilar. Bu qurilma avvalgi barcha lazerlardan farqli ravishda
tashqi manbaning yorug‘ligi hisobiga emas, balki elektr energiya hisobiga
ishlaydi. Polyariton lazerlarning yana bir ajoyib hususiyati shundaki, u
xona temperaturasida ham ishlay oladi va uni boshqa lazerlarga o‘xshab
sovutish shart emas.
Bu yangi lazerning ahamiyati 1960 yilda yaratilgan birinchi yarim o‘tkazgichli lazerniki kabidir. Bu yangi lazerning imkoniyatlaridan foydalangan holda lazer texnologiyasini yarimo‘tkazgichlar bilan birlashtirib, kompyuter chiplari orasidagi metall o‘tkazgichlar o‘rnini bosish va uzatiladigan axborot xajmini ancha oshirish mumkin. Bu kelgusida kichik o‘lchamli va yuqori quvvatli elektron raqamli qurilmalar yaratishga imkon beradi. SHuning bu texnologiya juda ko‘p soxalarda, xususan meditsinada keng qo‘llanilishi mumkin.
Polyariton lazer lazerning yangi tipi bo‘lib, yarimo‘tkazgichlarda
ultrapast generatsiya olish uchun eksiton polyaritonlarning kelishilgan
boze-kondensatidir. 1996 yilda Imamoglu kogerent yorug‘lik nurining
shunday yangi tipini taklif qildi va uni atomlarning boze-eynshteyn
kondensati bilan tushuntirdi: majburiy sochilish yordamida katta
miqdordagi boze zarralar kvant xolatidagi kondensatni hosil qiladi. Poyaritonlar kondensati yorug‘likning kogerent nurlanishini ta’minlaydi.
Ishlash prinsipiga ko‘ra polyariton lazerlar energetik jihatdan tejamkor
sanaladi. Bunday lazerning yarimo‘tkazgich strukturasi bregg qaytargichlari
orasiga o‘rnatilgan optik mikro bo‘shliqlardan tashkil topadi.
Optik qo‘zg‘otish orqali polyariton generatsiyasi va odatdagi generatsiya
bilan taqqoslanishi 2003 yilda X.Deng tomonidan amalga oshirilgan.
Polyariton lazerlarni elektr yordamida qo‘zg‘otish 2013 yilda Michigan va
Vyursburg universiteti olimlari bilan hamkorlikda amalga oshirildi.
Ularning muvaffaqiyatga erishishlariga sabab polyaritonlarning gibrid
tabiati va tashqi magnit maydoniga sezgirligidadir.
Pallab Bxattachariy guruxi (Michigan) elektronlarning polyariton
sochilishini amalga oshirish uchun aktiv soxadagi kvant o‘ralarni legirlash
hamda polyariton-fonon sochilishini ko‘paytirish va eksiton –polyariton
zichligini oshirish uchun tashqi magnit maydonidan foydalandi. Ular 12
A/sm2 da polyaritonlar generatsiyasiga erishdilar va 2014 yil 5 iyunda elektr
energiyasi hisobiga va xona temperaturasida ishlaydigan birinchi polyariton lazerni yaratdilar.
Eksiton-polyaritonlar eksiton va fotonlarning o‘zaro ta’siri natijasida yuzaga keladi. Ular sovuq atomlar gazida kuzatiladigan Boze- Eynshteyn kondensati kabi kondensat tashkil qila oladi. Bu kondensatlar bir kvant xolatida juda ko‘p miqdorda eksiton polyaritonlarni to‘plashi mumkin. Bu eksiton-polyaritonlarning yashash vaqtlari nanosekunddan ham kam bo‘lib, ular o‘z energiyasini fotonlarga beradi va natijada fotonlar sochiladi. Bu fotonlar monoxromatik, kogerent yorug‘lik nurini hosil qiladi.
Polyariton lazerlarning ikkita muxim qo‘llanilish soxalari bor: yuqori tezlikka ega bo‘lgan optik qayta ulagichlar (pereklyuchatel) va kompakt teragers nurlanish manbalari.
Optik yoki spinli qayta ulagichlar aylanma qutblangan yorug‘lik hisobiga optoelektron qurilmalarda ulash va uzish uchun qo‘llaniladi.
Odatdagi qayta ulagichlar nochiziqli optik effektlarga asoslangan bo‘lib,
yuqori quvvat va tashqi optik elementlarni talab qiladi. Polyariton lazerlar asosidagi qayta ulagichlar esa eksiton polyaritonlarning spin xossalari va ular orasidagi o‘zaro ta’sirlar asosida ishlaydi. Fotonlar kabi eksiton-polyaritonlar chap va o‘ng aylanma qutblanishga mos ikkita spin qutblanishiga ega va ular eksiton-polyariton kondensati orqali boshqariladi, bu kondensat esa tashqi maydon orqali nazorat qilinadi. Birinchi optik spinli qayta ulagichlar 2010 yilda yaratilgan bo‘lib, polyaritonli integral sxemalar uchun muxim blok hisoblanadi. Ular spin-qutblangan eksiton polyaritonlar sifatida axborotni tashishda hizmat qiladi. Polyariton IS odatdagi integral sxemalarga nisbatan kam energiya sarf qiladi va axborotni ancha tez uzatadi.
Teragersli nurlanishni qo‘llash uchun yaqinda vertikal yorug‘lik nurlantiruvchi polyariton lazer taklif qilindi. Boshqa odatdagi lazerlardan farqli ravishda bu lazer to‘lqin uzatgich va rezonator talab qilmaydi hamda barcha konstruksiyani mikro masshtablarda joylashtirishga imkon yaratadi. TGs chastotali lazerlar meditsjinada, kommunikatsion texnologiyalarda va xavfsizlik soxalarida keng qo‘llanilishga ega bo‘lishi mumkin.