Golografiyada qo'llanilishi

Lazerlar yoki optik kvant generatorlariBir qator noyob xususiyatlarga ega bo'lgan izchil nurlanishning zamonaviy manbalari. Lazerlarning yaratilishi 20-asrning ikkinchi yarmida fizikaning eng ajoyib yutuqlaridan biri bo'lib, fan va texnikaning ko'plab sohalarida inqilobiy o'zgarishlarga olib keldi. Bugungi kunga qadar turli xil xususiyatlarga ega bo'lgan juda ko'p miqdordagi lazerlar yaratilgan - turli xil optik diapazonlarda yorug'lik chiqaradigan gaz, qattiq holat, yarimo'tkazgich. Lazerlar impulsli va uzluksiz rejimlarda ishlashi mumkin. Lazer nurlanish kuchi millivattning fraksiyalaridan 1012-1013 Vt gacha (impulsli rejimda) o'zgarishi mumkin. Lazerlar harbiy texnikada, materiallarni qayta ishlash texnologiyasida, tibbiyotda, optik navigatsiya, aloqa va joylashuv tizimlarida, aniq interferentsiya tajribalarida, kimyoda, shunchaki kundalik hayotda va boshqalarda keng qo'llaniladi.Birinchi optik kvant generatori nisbatan yaqinda (1960) yaratilgan bo'lsa-da, zamonaviy hayotni endi lazerlarsiz tasavvur etib bo'lmaydi.

Lazer nurlanishining eng muhim xususiyatlaridan biri bu lazer bo'lmagan manbalarning nurlanishida erishib bo'lmaydigan darajada yuqori darajadagi monoxromatiklikdir. Lazer nurlanishining bu va boshqa barcha o'ziga xos xususiyatlari ishchi moddalarning ko'plab atomlari tomonidan yorug'lik kvantlarining muvofiqlashtirilgan, kooperativ emissiyasidan kelib chiqadi.

Lazer bilan ishlash printsipini tushunish uchun atomlar tomonidan yorug'lik kvantlarining yutilishi va emissiya jarayonlarini yaqindan o'rganish kerak. Atom energiyasi E1, E2 va boshqalar bilan har xil energetik holatlarda bo'lishi mumkin. Bor nazariyasida bu holatlar barqaror deyiladi. Darhaqiqat, eng kam energiyaga ega bo'lgan holatgina barqaror holat bo'lib, unda atom tashqi buzilishlar bo'lmaganida cheksiz uzoq vaqt bo'lishi mumkin. Ushbu holat asosiy holat deb nomlanadi. Boshqa barcha davlatlar beqaror. Hayajonlangan atom bu holatlarda juda qisqa vaqt ichida 10-8 sekundgacha turishi mumkin, shundan so'ng u o'z-o'zidan eng past holatlardan biriga o'tib, yorug'lik kvantini chiqaradi, uning chastotasini Borning ikkinchi postulati. Atomning bir holatdan ikkinchi holatga o'z-o'zidan o'tishi paytida chiqadigan nurlanish spontan deyiladi.Ba'zi energiya darajalarida atom ancha uzoqroq turishi mumkin, 10–3 sek. Bunday darajalar metastabil deb nomlanadi.

Atomning yuqori energetik holatga o'tishi fotonni rezonansli yutish jarayonida sodir bo'lishi mumkin, uning energiyasi atomning oxirgi va boshlang'ich holatidagi energiyalari orasidagi farqga teng.

Atomning energiya sathlari orasidagi o'tish fotonlarni yutilishi yoki emissiyasi bilan bog'liq bo'lishi shart emas. Atom o'z energiyasining bir qismini olishi yoki undan voz kechishi va boshqa atomlar bilan o'zaro ta'siri yoki elektronlar bilan to'qnashishi natijasida boshqa kvant holatiga o'tishi mumkin. Bunday o'tishlar nurli bo'lmagan deb nomlanadi.

Endi eng muhim narsa keladi. 1916 yilda A. Eynshteyn atomdagi elektronning yuqori energiya sathidan pastki darajaga o'tishi tashqi elektromagnit maydon ta'sirida sodir bo'lishi mumkinligini bashorat qildi, uning chastotasi o'tishning tabiiy chastotasiga teng. Olingan nurlanish stimulyatsiya qilingan yoki induktsiya qilingan deb nomlanadi. Stimulyatsiya qilingan nurlanish ajoyib xususiyatga ega. Spontan emissiyadan keskin farq qiladi. Hayajonlangan atomning foton bilan o'zaro ta'siri natijasida atom xuddi shu yo'nalishda tarqalib, bir xil chastotali boshqa foton chiqaradi. To'lqinlar nazariyasi tili bilan aytganda, bu atom elektromagnit to'lqinni chiqaradi, uning chastotasi, fazasi, qutblanishi va tarqalish yo'nalishi asl to'lqin bilan bir xil. Fotonlarning stimulyatsiya qilingan emissiyasi natijasida muhitda tarqaladigan to'lqin amplitudasiortadi. Kvant nazariyasi nuqtai nazaridan, hayajonlangan atomning chastotasi o'tish chastotasiga teng bo'lgan foton bilan o'zaro ta'siri natijasida ikkita bir xil egizak fotonlar paydo bo'ladi.

Lazerlarning ishlashi uchun fizik asos bu induksiyalangan nurlanishdir.

Shakl. 6.4.1 atomning ikkita energetik holati o'rtasida yorug'lik kvantining yutilishi yoki emissiyasi bilan o'tishining mumkin bo'lgan mexanizmlarini sxematik ravishda ko'rsatadi.


6.4.1-rasm.
Jarayonlarning shartli namoyishi (a) yutilish, (b) o'z-o'zidan emissiya va (c) kvantning induksiyasi

Atomlari E1 va E2> E1 energiyali holatlarda bo'lishi mumkin bo'lgan shaffof materiya qatlamini ko'rib chiqing. Ν = ΔE / h o'tish rezonans chastotasining nurlanishi ushbu qatlamda tarqalsin. Boltzman taqsimotiga ko'ra, termodinamik muvozanatda moddaning ko'p miqdordagi atomlari pastki energiya holatida bo'ladi. Ba'zi atomlar yuqori energiya holatida bo'ladi va boshqa atomlar bilan to'qnashuvda kerakli energiyani oladi. Pastki va yuqori darajadagi populyatsiyalarni navbati bilan n1 va n2
Moddaning qatlamidan o'tgan to'lqin kuchayishi uchun n2> n1 bo'lgan sharoitlarni sun'iy ravishda yaratish kerak, ya'ni darajalarning teskari populyatsiyasini yaratish kerak. Bunday vosita termodinamik jihatdan muvozanat emas. Optik kuchayishni olish uchun muvozanatsiz muhitdan foydalanish g'oyasi birinchi marta VA Fabrikant tomonidan 1940 yilda taklif qilingan. 1954 yilda rus fiziklari N.G.Basov va A.M.Poxorov va ulardan mustaqil ravishda amerikalik olim C.Tauns induksiya qilingan emissiya fenomenidan foydalanib to'lqin uzunligi λ = 1,27 sm bo'lgan radio to'lqinlarning mikroto'lqinli generatorini yaratdi.1964 yilda radioto'lqinlarni hosil qildi, uchalasi ham Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.

Darajalarning teskari populyatsiyasi yaratiladigan muhit faol deb nomlanadi. U yorug'lik signali uchun rezonans kuchaytirgich bo'lib xizmat qilishi mumkin. Yorug'lik paydo bo'lishi uchun teskari aloqadan foydalanish kerak. Buning uchun faol muhit yorug'likni qaytarib aks ettiradigan ikkita yuqori sifatli nometall orasiga joylashtirilishi kerak, shunda u bir necha marta faol muhitdan o'tib, koordinatali fotonlarning induktsiyalangan emissiya jarayonini keltirib chiqaradi. Bunday holda, darajalarning teskari populyatsiyasi o'rtacha darajada saqlanishi kerak. Lazer fizikasidagi bu jarayon odatda nasos deb ataladi.

Muayyan sharoitlarda bunday tizimdagi ko'chkiga o'xshash jarayon tasodifiy o'z-o'zidan paydo bo'lishi mumkin, unda tizim o'qi bo'ylab yo'naltirilgan nurlanish mavjud. Biroz vaqt o'tgach, bunday tizimda statsionar avlod rejimi paydo bo'ladi. Bu lazer. Lazer nurlanishi ko'zgularning biri (yoki ikkalasi) orqali chiqariladi, ular qisman shaffoflikka ega. Shakl. 6.4.2 - lazerda ko'chkiga o'xshash jarayon rivojlanishining sxematik tasviri.


6.4.2-rasm.
Lazerda ko'chkiga o'xshash lasing jarayonini ishlab chiqish

Darajalar soni teskari bo'lgan muhitni olishning turli usullari mavjud. Yaqut lazerida optik nasos ishlatiladi va atomlar yorug'likni yutish orqali hayajonlanadi. Ammo buning uchun faqat ikkita daraja etarli emas. Nasos nuri qanchalik kuchli bo'lmasin, hayajonlangan atomlar soni hayajonlanmaganlar sonidan oshmaydi. Yaqut lazerda nasos yuqori joylashgan uchinchi daraja orqali amalga oshiriladi

Yaqut tayoq yonida joylashgan kuchli chiroq yonib turgandan so'ng, yoqut kristaliga nopoklik sifatida kiradigan ko'plab xrom atomlari (taxminan 0,05%) energiyasi E3 ga aylanadi va τ after 10 dan keyin (–8 daraja) ) lar energiyasi E2 bo'lgan holatga o'tadi. Ko'tarilmagan E1 darajasiga nisbatan hayajonlangan E2 darajasining haddan tashqari ko'payishi E2 darajasining nisbatan uzoq umr ko'rishidan kelib chiqadi.

Yaqut lazer 694 mm to'lqin uzunligida (quyuq olcha nuri) impulsli rejimda ishlaydi, radiatsiya quvvati bir pulsga 106-109 Vt ga yetishi mumkin. Tarixiy jihatdan bu 1960 yilda amerikalik fizik T.Mayman tomonidan qurilgan birinchi operatsion lazer edi.

Hozirgi kunda eng keng tarqalganlardan biri bu geliy va neon aralashmasiga asoslangan gaz lazeridir. Aralashmadagi umumiy bosim He va Ne tarkibiy qismlarining nisbati 10 ga teng bo'lgan holda taxminan 102 Pa ni tashkil qiladi: 1. Neon - bu faol gaz bo'lib, unda avlod uzluksiz rejimda 632,8 nm to'lqin uzunligida sodir bo'ladi (yorqin qizil chiroq). Geliy - bufer gaz, u neonning yuqori darajalaridan birining teskari populyatsiyasini yaratish mexanizmida ishtirok etadi. He-Ne lazerining radiatsiyasi favqulodda va noyob monoxromatiklikka ega. Hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, He - Ne lazerining spektral chiziq kengligi taxminan
Ammo He-Ne lazer nurlanishining amalda erishilgan monoxromatikligi ushbu qurilmani ko'plab ilmiy va texnik muammolarni hal qilishda mutlaqo almashtirib bo'lmaydigan qiladi. Birinchi geliy-neon lazeri 1961 yilda yaratilgan. Shakl. 6.4.4 geliy va neon darajalarining soddalashtirilgan diagrammasini va lazer o'tishining teskari populyatsiyasini yaratish mexanizmini ko'rsatadi.


6.4.4-rasm.
He - Ne lazerli nasos mexanizmi. To'g'ri o'qlar neon atomlarida o'z-o'zidan o'tishni ko'rsatadi

Neonda E4 → E3 lazer o'tish quyidagi tarzda pompalanadi. Yuqori kuchlanishli elektr razryadida, elektronlar bilan to'qnashuv tufayli geliy atomlarining muhim qismi E2 yuqori metastabil holatiga o'tadi. Hayajonlangan geliy atomlari asosiy holatdagi neon atomlari bilan egiluvchan holda to'qnashib, o'z energiyasini ularga o'tkazadi. Neonning E4 darajasi geliyning metabolizmli E2 darajasidan 0,05 eV yuqori. Energiya etishmasligi to'qnashgan atomlarning kinetik energiyasi bilan qoplanadi. Neonning E4 darajasida E3 darajasiga nisbatan teskari populyatsiya paydo bo'ladi, bu pastki darajalarga o'z-o'zidan o'tishi tufayli kuchli darajada tugaydi. Geliy va neon aralashmasida pompalanishning etarlicha yuqori darajasida ko'chkiga o'xshash bir xil izchil fotonlarni ko'paytirish jarayoni boshlanadi.Agar gazlar aralashmasi bo'lgan hujayra yuqori darajada aks etuvchi oynalar orasiga joylashtirilgan bo'lsa, unda lasing paydo bo'ladi. Shakl. 6.4.5 geliy-neon lazerining diagrammasini ko'rsatadi.


6.4.5-rasm.
Geliy-neon lazerining diagrammasi: 1 - geliy va neon aralashmasi bo'lgan shisha hujayra, unda yuqori voltli deşarj hosil bo'ladi; 2 - katod; 3 - anod; 4 - transmissiyasi 0,1% dan kam bo'lgan zerikarli sharsimon oyna; 5 - o'tkazuvchanligi 1-2% bo'lgan sferik oyna

Zamonaviy juda barqaror geliy-neon lazerlari monoblok dizaynida ishlab chiqarilgan. Buning uchun shishasimon moddadan foydalaniladi - deyarli nolga teng harorat koeffitsientiga ega bo'lgan sitall. Sital qismida to'rtburchaklar parallelepiped shaklida kanal ochiladi, uning uchlariga optik kontaktda lazer nometalllari yopishtiriladi. Kanal geliy va neon aralashmasi bilan to'ldirilgan. Katod va anot qo'shimcha yon kanallar orqali kiritiladi. Ushbu monoblok dizayni yuqori mexanik va issiqlik barqarorligini ta'minlaydi.