1-ma'ruza lazer fizikasi fani tarixi, predmeti va vazifalari

1-MA'RUZA
Lazer fizikasi fani tarixi, predmeti va vazifalari

Kvant elektronikasi – radiofizika, spektroskopiya va to’lqin optikasi sohalarining kesishishidan hosil bo’lgan fizikaning yangi sohasi bo’lib, termodinamik muvozanatsiz kvant sistemalarida elektromagnit to’lqinlarining majburiy (indusirlangan) nurlanish hisobiga yorug’likning kuchayishini, generasiyasini, kuchaytirgich va generatorning xususiyatlarini va qo’llanilish sohalarini o’rganadigan fandir. Kvant elektronikasining asosiy asboblari mazerlar va lazerlardir. Shu sababli kvant elektronikasi mazer va lazerlar haqidagi fandir. Lazerlarni ko’pincha optik kvant generatorlari (OKG) ham deb ataymiz.

Lazer (mazer) so’zi inglizcha so’zlarning bosh harflaridan tashkil topgan bo’lib, [Light (microwave) amplification by stimulated emission of radiation] yorug’likning (radio to’lqinlarning) majburiy (indusirlangan) nurlanish hisobiga ko’chayishi degan ma’noni bildiradi. Bundan ko’rinib turibdiki, mazer va lazer bir – biridan prinsipial jihatdan farq qilmaydi, faqat mazerlar radiochastotalar (SVCh) diapozonida nurlanish hosil qilsa, lazerlar – optik diapozonda nurlanish hosil qiladi. Lazer nuri yuqori darajadagi monoxromatikligi, qat’iy tarqalish yo’nalishga egaligi, yuqori energiya zichligi va juda tor spektral kenglikka ega bo’lganligi bilan oddiy yorug’lik nuridan farq qiladi.
Lazer nurlarining kashf qilinishi nafaqat fizika-texnika sohalari, balki, ximiya, biologiya, medisina, qishloq xo’jaligi, aloqa, telekomunikasiya kabi xalq xo’jaligining ko’plab sohalarni rivojlanishiga turtki bo’ldi.
Endi kvant elektronikasi fanining kashf etilish tarixiga nazar solaylik. 1900 yilda mashhur nemis fizigi Maks Plankning ilmiy izlanishlaridan keyin, fizika faniga kvant tushunchasi kiritildi. 1905 yilda Albert Eynshteyn esa, kvant bu bo’linmaydigan bir butun kichik miqdordagi yorug’lik energiyasi bo’lib, u moddalarda yutilishi yoki moddalardan nurlanish tufayli ajralib chiqishi mumkin deb tasavvur qildi. Fizikaga energiyaning kvanti (porsiyasi) tushunchasini Eynshteyn kiritdi. Foton tushunchasini esa 1909 yilda G.N.Lyuis kiritdi. Foton bu aslida mavjud bo’lmagan elektronmagnit maydonning zarrachasi deb qaraladi. 1913 yilda Daniyalik Nils Bor fotonning nurlanish mexanizmini analiz qilib, o’z postulatlarini e’lon qildi. Unga ko’ra atomlarning holati aniq va qator energetik sathlar bilan xarakterlanadi. Har bir energetik sathning to’la energiya qiymati mavjud, bo’lib ular , , , ..., va hokazolar bilan belgilanadi. Har bir energetik sath atomning ma’lum stasionar holatini ifodalaydi va bu energetik sathlarda atom nurlanmaydi. Atom bir stasionar holatdan ikkinchi bir stasionar holatga faqat sakrab o’tganidagina nurlanish kvanti yoki fotoni chiqarishi mumkin. Nurlanish chastotasi boshlang’ich va oxirgi energetik sathlarning farqi bilan aniqlanadi:

1916 yilda Eynshteyn yorug’likning nurlanishi va yutilishi jarayonini kvant mexanikasi nazariyasi nuqtai nazaridan qarab chiqdi. Eynshteyn o’z tadqiqotlarida atom yoki molekulalar energetik sathlar orasidagi kvant o’tishlarining ikki xil turi mavjudligini aniqladi. Kvant o’tishlarining birinchi turi uyg’ongan atomning tashqi ta’sirsiz pastki energetik sathga o’z – o’zidan (spontan) o’tishi va bunda o’zidan yorug’lik kvantini chiqarishidir. Kvant o’tishlarining ikkinchi turi, uyg’ongan atomning pastki energetik sathga tashqi yorug’lik ta’siri tufayli majburiy o’tishda yorug’lik kvanti chiqarishidir. Agar atom uyg’onmagan pastki energetik sathda joylashgan bo’lsa, tashqaridan bu atomga tushayotgan yorug’lik kvanti majburan yutiladi va atom pastki energetik sathdan yuqori energetik sathga o’tadi. Bu xil o’tish ham majburiy kvant o’tishi yoki majburiy nurlanish nomi bilan yuritiladi. Demak, Eynshteyn fizika faniga majburiy (indusirlangan) nurlanish tushunchasini kiritdi.
Kezi kelganda shuni ham eslatib o’tish lozimki, absolyut qora jismning nurlanishini ifodalovchi Plank formulasi kvant mexanikasining va kvant elektronrikasining yuzaga kelishiga, yuksalishiga juda katta hissa qo’shdi.
1925 – 1926 yillarda jahonning bir guruh fizik olimlari kvant mexanikasini yaratdi. Bu fan yorug’likning atom va molekulalar bilan o’zaro ta’sirini ifodalashda zaruriy nazariy asos bo’lib xizmat qildi.
1927 yilda mashhur ingliz fizigi P. Dirak nurlanishning kvant nazariyasini yaratdi. U yorug’likning nurlanish nazariyasida Eynshteynning spontan va majburiy nurlanishi kabi gipotezalari haqiqatdan ham mavjudligini va o’sha hodisalarning asosiy xususiyatlarini qat’iy isbotladi. P. Dirak majburiy nurlanishdan hosil bo’lgan fotonning uyg’ongan atomning majburiy nurlantiruvchi tashqi foton bilan mutlaqo bir xil xususiyatga ega ekanligini, ya’ni fotonlarning yo’nalishi, energiyasi yoki nurlanish chastotasi va qutblanish ko’rsatkichlari aynan bir xil ekanligini isbotladi. Kvant elektronikasi, asboblari xususan lazerlar, moddalarning majburiy nurlanishdan hosil bo’lgan fotonlarning shu moddalarga tashqaridan tushayotgan fotonlarga aynan o’xshashligiga asoslangandir.
Shunday qilib, P. Dirak kvant elektronikasini yuzaga keltiradigan fizikaning poydevorini yaratdi desak mubolag’a bo’lmaydi.
Lazer bu kogerent yorug’lik manbaidir. “Kogerentlik” degan so’z atomlar, molekulalar oddiy kvant nurlanuvchilari bo’lib, ular chiqargan kvantlar xususiyatlari jihatdan aynan bir xildir. Ular o’zaro hamohang, birdamlikda nur chiqaradi. Lekin odatda molekulalar termodinamik muvozanatda bo’lganda atom yoki molekulalarning ko’pchilik qismi yorug’likni yutuvchi bo’lib, kam qismi nurlanuvchi bo’ladi. Nurlanuvchi moddalarning tarkibida majburiy nurlanuvchi atomlar juda ham kam va majburiy nurlanishni ko’rish juda qiyin bo’ladi. Shu tufayli 30–chi yillarga kelib, qandaydir usullar bilan moddada termodinamik muvozanatsizlik vaziyati hosil bo’lsa, ya’ni uyg’ongan atomlar soni, uyg’onmagan atomlar sonidan oshirilsa, nurlanish jarayoni mutlaqo o’zgaradi degan fikrlar paydo bo’ldi.
V.A. Fabrikant 1939 yilda gazlarda razryad hosil qilib, gazorazryad orqali yorug’lik o’tganda uning kuchayishini tajribada kuzatdi. Yorug’likning kuchayishi majburiy nurlanish hisobidan bo’lishini tajribada aniqladi.
Ikkinchi Jahon urushi yillarida radiolokasiya (turli obyektlarni radiotexnika qurilmasi yordamida topish, uning o’rnatilgan joyini va koordinatlarini aniqlash) jadal sur’atlar bilan rivoj topdi. Bu radiotexnika fanining ilk qadamlari bo’lib, u radiogeneratorlarning quvvatini va sezgirligini oshirish hamda qisqa elektromagnit to’lqinlar bilan ishlaydigan asboblarni yaratish ustida ish olib borishga undadi. O’ta yuksak chastotali radio to’lqinlari diapazonida ishlaydigan generatorlar yaratildi va bu generatorlar yordamida molekulalarning radiodiapazon oblastida joylashgan elektromagnit to’lqinlarning yutilish spektrini o’rganish yo’lga qo’yildi. Natijada radiospektroskopiya fani paydo bo’ldi va kvant mexanikasi fani molekulalarning radiodiapazon oblastida joylashgan yutilish spektrini to’lig’icha tushuntira boshladi.
Radiospektroskopiya bilan shug’ullanuvchi olimlar qo’lida spektral ravshanligi juda katta bo’lgan elektromagnit to’lqin chiqaruvchi manba paydo bo’ldi. Optika diapazonida hali bunday elektromagnit to’lqin manbai yo’q edi. Radiodiapazonida spontan nurlanishning imkoniyati juda kichik bo’lib, radio to’lqinlarning molekulalar bilan o’zaro ta’sirida majburiy energetik o’tishlar asosiy hal qiluvchi vazifani bajaradi. Olimlar birinchi marta Eynshteyn aytgan molekulalar tomonidan majburiy yutilishi bilan bir qatorda, uyg’ongan molekulalarning majburiy nurlanishini kuzatdi. Tajribada molekulalar dastasini hosil qilib bir jinsli bo’lmagan elektr maydonida molekulalarning kvant holatiga ko’ra saralash imkoni yaratildi. Ana shu ilmiy tekshirishlar asosida N.G. Basov, A.M. Proxorov va ular bilan bir vaqtda amerikalik Ch. Tauns 1954 – 1955 yillarda 1,27sm to’lqin uzunligini beruvchi, ammiak gazida ishlovchi molekulyar generator mazer asbobini yaratdilar. Mazer, uyg’ongan molekulalarni tayyorlashga va u molekulalarning hajmiy rezonatorda majburiy nurlanishiga asoslangandir. Natijada mikro to’lqinli (raiodiapazonidagi) kvant elektronikasi paydo bo’ldi. Olimlar oldidagi endigi vazifa radiodiapazonida ishlaydigan mazerning prinsipini qanday qilib bo’lsa ham, optika diapazoniga tadbiq qilishdan va optikaga ko’chirishdan iborat bo’lib qoldi. Bu muammoni birinchi bo’lib akademik A.M. Proxorov hal qildi va u 1958 yilda Fabri – Pero interferometrini ochiq optik rezonator sifatida foydalanish mumkinligini nazariy jihatdan isbotladi va amalda lazerning ishlash jarayonini taklif qildi. Tezda ya’ni 1960 yilda amerikalik olim T. Meyman tomonidan optika diapozonida ishlaydigan yoqut lazeri va A.Javani tomonidan geliy–neon gaz lazeri yaratildi.
Kvant elektronikasi sohasidagi kashfiyotlari uchun 1963 yilda N.G.Basov, A.N.Proxorov va Ch. Taunslar Nobel mukofatiga sazovar bo’lishdi.
Shunday qilib, kvant elektronikasining asosi 1960 – chi yillardan boshlab yaratildi va o’shandan boshlab kvant elektronikasi fan sifatida gurkirab rivoj topib kelmoqda.
Hozirgi davrda kvant elektronikasi, aniqsa, lazer fizikasi va texnikasi yuksak sur’atlarda rivojlanib, mikroelektronikadek muhim soha bilan raqobat qilmoqda. Buning ustiga lazer fizikasi va texnikasi mikroelektronikaning o’zida ham keng qo’llanila boshladi, bundan keyingi yangi texnologik jarayonlar lazerning keng qo’lanishiga asoslanadi. Shuni eslatib o’tish kerakki, tolali optik aloqa lazer nurlari manbalarining mavjudligi tufayligina hosil bo’ldi. Umuman, hozirda lazerlar fan va texnikaning turli – tuman sohalariga kirib borayapti va juda ko’p sohalarning kelajagi ularni qo’llash bilan bog’liq, desak mubolag’a bo’lmaydi.
Lazer nurlarining intensivligi juda katta bo’lgani uchun muhitning sindirish ko’rsatkichi yorug’likning intensivligiga bog’liq ravishda o’zagardi, optik qonuniyatlar o’zgaradi, bu esa nochiziq optika fanining paydo bo’lishiga va rivojlanishiga asos bo’ldi. Lazer nurlari o’ta kogerent bo’lgani tufayli buyumlar haqidagi axborot to’la va hajmiy ravishda yoziladigan bo’ldi, bu esa golografiya fanining rivojlanishiga va yaratilishiga sabab bo’ldi.
Hozirgi lazerlar uzluksiz va impuls rejimlarda ishlay oladi. Hozir olimlar femtosekund diapazonidagi yorug’lik impuslarini kuzatmoqdalar (eslatib o’tamiz 1fs=10^–15s). Har yili yangi lazerlar, ular uchun yangi aktiv moddalar yaratilmoqda. Navbatda rentgen va γ – nurlar diapazonida ishlaydigan kvant generatorlarini yaratish turibdi.
Lazer nurlarini qo’llash sohalari yildan – yilga kengayib bormoqda. Lazer asboblari yordamida metallarga ishlov berish, metallarni yo’nish, teshik ochish, payvandlash kabi ishlar bajarilayotir. Lazerlardan aloqada, qurilishda, qishloq xo’jaligida, madaniyat sohasida, hisoblash mashinasini mukammallashtirishda, geodeziyada, ximiyada, biologiyada, tibbiyotda va turli sohalarda foydalanilmoqda.