Ilm-fan va texnologiyasida lazerlarning ahamiyati. Lazer fizikasining rivojlanish tarixi va bosqichlari. Eynshteyn, ishlab chiqaruvchi, Basov, Proxorov, Towns va Meiman tadqiqotlari. Lazer fizikasiga kirish

Mandelstamning spontan va majburiy tarqalishi-Brilluen
Biz molekulalarda elektromagnit to'lqinning notekis tarqalishini tasvirladik, keyin alohida zarrachalarda emas, balki bog'langan molekulalarning yagona tizimida tarqalishni ko'rib chiqamiz. Barcha molekulalar bir-biri bilan bog'liq bo'lgan va faqat bitta zarrachaning harakatini hisobga olmaydigan muhitlar va butun tizimdagi o'zgarishlarni hisobga olish kerak, ular kontsentratsiyalangan muhit deb ataladi.
Avvalgi holatlarda bo'lgani kabi, tarqalishning ta'rifi klassik nazariyani hisobga olgan holda boshlanadi. Mutlaq noldan farqli haroratlarda bog'langan molekulalar doimiy issiqlik harakatlarida bo'ladi. Yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, kontsentratsiyalangan muhitning zarrachalarining harakati alohida tekshirilishi mumkin emas, butun tizimning to'liq holatini hisobga olish kerak. Shunday qilib, molekulalarning tebranishlari natijasida elastik (akustik) to'lqinlarning barcha yo'nalishlarda tarqalishi sodir bo'ladi; bu to'lqinlarning har biri amplituda, chastotada va fazada o'z qadriyatlariga ega. Bunday akustik to'lqin davriy panjara shaklida ifodalanishi mumkin, unda tushgan yorug'lik to'lqinining difraktsiyasi [20-21] paydo bo'ladi. Rasmda
3.14 diffraktsiya tarqalgan nur yo'nalishi va chastotasi o'zgarib, natijada quyultirilgan atrof-muhit, bunday dalgalanmaları kuni tushgan nurlanish taqdim etiladi.

Rasm 3.14-Mandelstam-Brilluenning tarqalishining klassik tasviri
Shunday qilib, akustik to'lqin tomonidan chastotali tushgan yorug'lik modulyatsiya qilinadi, diffuz nurning chastotasidagi nisbiy o'zgarish esa tarqoq burchakka bog'liq θ [20,22]:
(3.6)
bu erda-atrof-muhitning sinishi indekslari, - akustik to'lqinning tarqalishi tezligi (k1 to'lqin vektorining tarqalishi yo'nalishi bo'yicha), - yorug'lik tezligi, - yorug'lik chastotasi
Agar Mandelstam-Brilluenning tarqalishi nuqtai nazaridan qaralsa
kvant nazariyasi, fotonning alohida zarracha bilan emas, balki Fonon – kvazichastik deb ataladigan o'zaro ta'sirini tasvirlaydi, bu butun tizimning salınımlı harakatini ō chastotasi bilan alohida kvant shaklida tasvirlaydi. Shunday qilib, akustik chastotada yorug'lik kvantiga duch kelganda
tushgan fotonning to'lqini chastota bilan tarqalgan fotonga va ō (Stokes komponentlari uchun) chastotasi bilan paydo bo'lgan fononga bunday ta'sir o'tkazish natijasida bo'linadi. Antistoksik tarkibiy qismlarning paydo bo'lishi jarayoni Fononning ō chastotasi va chastota bilan tarqalgan fotonning paydo bo'lishi bilan birga keladi (3.15-rasm).

Rasm 3.15-Mandelstam-Brilluenning tarqalishi uchun kvant talqini a) stoksovoy va b) antistatik component
Agar k0 va k1 to'lqin vektorlari orasidagi burchak keskin bo'lsa, tarqoq radiatsiya burchak to'mtoq bo'lsa, tarqoq nurning chastotasi (antistoks komponenti) teng bo'lsa, tarqalgan radiatsiya chastotaga (Stokes komponenti) ega.
Shakl 3.16 ikkala komponentning oxirgi chastotasi harorat va deformatsiyaga bog'liq bo'lsa, bu akustik to'lqinning tezligi harorat va tarqatish muhitining zichligiga bog'liqligi bilan izohlanadi, bu bilan birga, Rayleigh diseksiyasi liniyasi, shuningdek, stocksov va antistoksning yorug'lik tarqalishi va mandelstam-Brilluenning tarqalishi tarkibiy qismlari mavjud. Kombinatsiyalashgan tarqalishda bo'lgani kabi, Mandelstam-Brilluenning Stoke komponentining intensivligi ham antistatik komponentning intensivligidan yuqori.

Rasm 3.16-harorat va deformatsiyaning ta'sirini hisobga olgan holda elastik va to'lanmagan tarqalish komponentlari
Kombinatsiyalashgan tarqalishda bo'lgani kabi, Mandelstam - Brilluenning tarqalishi spontan bo'lishi mumkin (ingliz tili. spontaneous Brillouin scattering) (erta tasvirlangan) va majburiy (eng. stimulated Brillouin scattering). Bu hodisa 1964 yilda ochilgan va asosiy nurlanishning ma'lum bir chegara intensivligi (kuchi) ga erishilganda, akustik to'lqinning paydo bo'lishi, ogohlantiruvchi nurlanishga yaqin quvvatga ega. Tarqalgan to'lqin asosiy (Stokes komponenti) bilan solishtirganda kamroq chastotaga ega va teskari yo'nalishda tarqaladi.
Mandelstam-Brilluenning majburiy tarqalishi elektr oqimining ta'siri bilan izohlanadi: elektr maydon dielektrikka ta'sirlanganda moddaning miqdori o'zgaradi, bu esa muhitning zichligi o'zgarishlariga olib keladi, natijada elastik akustik to'lqinlar paydo bo'ladi.
Optik tolalardagi Mandelstam - Brilluenning spontan va majburiy tarqalishi o'rtasidagi farq 3.17 naqsh bilan tushuntirilishi mumkin. Mandelstam-Brilluenning spontan tarqalishi tolaga (ko'k chiziqlarga) radiatsiya kiritilganda, harorat o'zgaruvchanligi bilan bog'liq bo'lgan svetovod materialining (akustik to'lqinlar yoki fononlar) zichligining tasodifiy o'zgarishlariga olib keladi (shakl 3.17(a))). O'zgarish ma'lumotlari statistik taqsimotga ega. Mandelstam-Brilluenning spontan tarqalishining Stokes tarkibiy qismlarining kuchi kichik( qizil chiziqlar), lekin nasos to'lqinining kuchini oshirish bilan o'sadi; bir nuqtada, tarqalish boshqa yo'nalishlarda ustun turadi, bu esa bunday taqsimotni qo'llab-quvvatlovchi to'lqin shaklining tuzilishiga bog'liq (3.17(b))). Mandelstam-Brilluenning majburiy tarqalishi akustik chastotaga teng chastotada farq qiluvchi ikkita to'lqin paydo bo'lganda paydo bo'ladi
to'lqinlar (fonon) bir-biriga(shakl 15 (b)) tarqalgan, spontan tarqalish to'lqinining kuchi brilluen ostonasidan (shakl 3.17(g)) oshib ketadi. Ikkinchidan, Mandelstam - Brilluenning tarqalishining Stokes tarkibiy qismlarining chiziqli bo'lmagan o'sishi (kuchayishi) mavjud.

Rasm 3.17-Mandelstam-Brilluenning spontan va majburiy tarqalishining namoyishi: a) spontan tarqalishi b) "ishlaydigan panjara" ning shakllanishining boshlanishi C) barqaror akustik to'lqinning shakllanishi D) majburiy tarqalish
IKKI FOTONNING ZAIFLASHUVCHI MUHITDA IKKI FOTONNING IKKI FOFOTONLI EMISHI. IKKI FOTONLI ABSORBSIYA TENGLAMASINING ECHIMI. TO'RT FOTONLI O'ZARO TA'SIRLAR
Ko'p fotonli ionlanish ko'p fotonli ajitatsiya kvant tizimidagi elektronning (atomda, molekulada) bir (boshlang'ich) bog'liq holatdan bir nechta fotonlarning faol radiatsiya singishi natijasida boshqa (yakuniy) bog'liq holatga o'tadigan jarayondir. Har bir keyingi fotonning emishi kvant tizimini bir bog'liq davlatdan boshqasiga (yuqori) bog'liq davlatga aylantirganda, ko'p fotonli ajitatsiya qadam yoki kaskadli qo'zg'alishga qarama-qarshidir. Elektronning bir bog'liq davlatdan boshqasiga (bog'langan-bog'langan o'tish) ko'p fotonli o'tishining asosiy ehtimoli noaniqlik nisbati bilan bog'liq energiya-vaqt. Ushbu nisbatga ko'ra, oraliq (virtual) davlatlar uchun energiya tejash qonuni bajarilmasligi mumkin; u faqat boshlang'ich va yakuniy davlatlar uchun amalga oshiriladi.
Foton bilan to'qnashganda, atom yoki modda molekulasi bir foton fotonizatsiyasi bilan ionlashtiriladi. Shu bilan birga, energiya tejash va momentum qonunlarini bajarishda bevosita ionlash jarayoni mumkin.
(Error: Reference source not found.6)
bu erda lazer nurlanishining tarqalishining boshlang'ich yo'nalishini (fotonlarning harakat yo'nalishi) belgilaydigan yagona vektor elektronning massasi va tezligi ion massasi va tezligi hisoblanadi. Shartning bajarilishi va fotonning deyarli barcha energiyasi elektronga uzatiladi. Fotoiyonizatsiya jarayoni bevosita (to'g'ridan-to'g'ri mexanizm).

yoki oraliq holat orqali (bilvosita fotoiyonizatsiya)


bu erda neytral, hayajonlangan, ionlashtirilgan atom degan ma'noni anglatadi.
Bir vaqtning o'zida ko'p fotonli ionlanish ehtimoli ko'p fotonli ionlashning samarali kesimiga va lazer nurlanishining qizg'inligiga (foton zichligi)bog'liq.
(Error: Reference source not found.7)
(- lineerlik darajasi,, - ionlanish salohiyati).
Ko'pfotonli ionlanish jarayonlari zichlik (3.7) bo'yicha chegara jarayonlari emas, chunki ko'pfotonli qo'zg'alish ehtimoli radiatsiyaning istalgan past intensivligida yakuniy qiymatga ega, biroq gaz atomlarining ko'pfotonli ionizatsiyasi tufayli muhim zichlikdagi plazma shakllanishi radiatsiya intensivligi uchun chegara jarayonidir. Haqiqatan ham, moddani ionlashtirish jarayoni rivojlanishi uchun, ma'lum bir muhim ionlashtiruvchi darajaga erishish kerak, bu erda ijobiy absorbsion geribildirim paydo bo'ladi.
Belgilangan gaz zichligida, qiymatga erishish uchun ma'lum bir ionlanish darajasi talab qilinadi, ya'ni.
(Error: Reference source not found.8)
bu erda-nurlangan zonada atomlarning va elektronlarning to'liq soni-moddaga lazer nurlanishining ta'sir qilish vaqti - erkin elektronlarning zichligi.
Nisbati (3.8) dan ma'lum bir chegara intensivligi moddaning sobit, zichligi va erkin elektronlarning ma'lum bir zichligi bilan mos kelishini ko'rish mumkin . Shuni ta'kidlash kerakki, (3.7) va (3.8) nisbati optik buzilishning yuzaga kelishining chegara intensivligini faqat ko'p fotonli ionlashni hisobga olgan holda baholashga imkon beradi. (3.8) tomonidan hisoblangan qiymatlar taxminan eksperimental olingan qiymatlardan kattaroq buyurtma. Bu shuni anglatadiki, chiziqli bo'lmagan ionlanish zich plazma hosil bo'lishining asosiy sababi emas.
Gaz zichligi yoki lazer pulsining davomiyligi kichik bo'lgan hollarda, ionlanish tufayli erkin elektronlarning kichik soni hosil bo'ladi. Agar lazer nurlanishining kichik yo'nalishi bo'lsa, unda hosil bo'lgan erkin elektronlar ta'sir doirasini tark etishga vaqt topadilar – ularning kontsentratsiyasi juda muhim ahamiyatga ega emas. Ushbu shartlar uchun gazni ionlashtirishning yana bir mexanizmi bo'lishi kerak.