Lazerli texnologik qurilmalar

LAZERLI TEXNOLOGIK QURILMALAR.
Reja:

1. 
   Lazerli texnologik qurilmalarning ishlash printsipi.
   
2. 
   Yoqut uzakli lazerli texnologik qurilmalarning ishga tushirilish shartlari
   
3. 
   Yqqut uzakli lazerli texnologik qurilma parni ishlatish shartlari.
   

1. Ma‘lumki lazer deb induktsiyalangan (majburiy) nurlanIsh ta‘sirida optik diapazondagi monoxromatik tulkinlarni generatsiyalash uchun kullaniladigan optik kvant generatorlari (OKG) ga aytiladi.

Bog’langan zarrachalar xar qanday sistemaning nisbiy xarakat energiyasi (kvant mexanikasi konunlariga asosan) ixtiyoriy bo’lmasdan balki va x.k. energiya darajalari (satxi) deb ataladigan ma‘lum kiymatlar qatorini kabo’l qiladi.Sistemaning energetik spektri deb energiya ruxsat berilgan kiymatlarning butun to’plamini atash kabo’l qilishngan.

2. Termodinamik muvozanat xolatida atomlarning turli energetik daraja bo’yicha tarkalishi Boltsman konuniga buysunib u kuydagicha ifodalanadi.

(1)

Bu erda 1 va 2 satxlarga mos keluvchi atom energiyasi; k-Boltsman doimiysi k=1.38∙10-23j∙k-1, T- xarorat, sonlari energiya satxlarining bandligi (egallaganligi deb ataladi).

Agar 2-satxda energiya kup bo’lsa, bu satxning bandligi ( egallaganligi) yopik sistemaning mumkin bo’lgan xar qanday xaroratida past bo’ladi. Xar qanday zarrachalarning xolati elektromagnit maydon ta‘sirida yoki boshqa zarrachalar bilan ta‘sirlashIshdan uzgarIshi mumkin. Bunday xolda yuqori energiya Equri dan kuyi satx Emga o’tishda zarracha o’zidan elektromagnit tulkin (EMT) nurlantirib, bu tulkinlar davrtezligi - kuydagi munosabat orqali ifodalanadi:

(2)

Bu erda J∙s – Plank doimiysi.

Yuqorirok energetik satxlarga o’tishda zarrachalar xuddi shunaka davrtezlikli EMT ni yo’tadi.

Xar qanday davrtezlikli EMT, jumladan yoruglik, energiyasi ga teng bo’lgan kvantlar yoki fotonlar – aloxida energiyaning portsiya (ulush) lari okimidan tashqil topgan bo’ladi.

Shunday qilishb, (2) formula fotonlarning mikrozarrachalar bilan o’zaro ta‘sirlashIshda energiyaning saklanIsh konunini ifodalab, bu konunga muvofik nurlangan yoki yutilgan foton energiyasi zarracha energiyasining uzgarIshi orqali aniqlanadi. Mikrozarrachalar xolatlari oraligida o’tish fakat rezonans davrtezlikli fotonlari bilan o’zaro ta‘sir natijasida, ya‘ni

bo’lganidagina sodir bo’ladi.

3. Atomning bir energetik satxdan boshqasiga o’tishi spontan (uz-o’zicha) va induktsiyalangan (majburiy) bo’lishi mumkin. Atomning uz-o’zicha (spontan) o’tishi fakat bir yo’nalishda – yuqorirok satxlargagina mumkindir. Bunday xolda atom energiyada va ixtiyoriy yo’nalishdagi impuls vektoriga ega foton induktsiyalanadi.An‘anaviy yoruglik manbalari ( kizigan qismlar, gaz elektrsizlanIsh plazmalari ) uz-o’zicha ( spontan) nurlanadigan yoruglikni xosil qiladi. Induktsiyalangan o’tishlar nurlanIsh atomining ta‘siriga asoslangan bo’lib, xam katta energiyali, xam kichik energiyali satxlarga teng extimolligida mavjuddir. Yuqorirok satxga o’tishda atom o’ziga tushayotgan nurlanIshni yo’tadi; kuyirok satxga o’tishda atom kaysi foton ta‘sirida bu o’tish sodir bo’lgan bo’lsa, ushanga kushimcha ravIshda foton nurlantiradi.

Bu xususiyat shundan iboratki, kushimcha induktsiyalangan nurlanIsh majburiy nurlanIsh bilan kat‘iy ravIshda kogerentdir va bir xil kattalikdagi energiya kvantiga ega (elektornning utib ketayotgan foton elektir maydoni orqali rezonansli tebranIshiga uxshash xodisa sodir bo’ladi). Natijada atomga tushayotgan nurlanIsh tulkinning davr tezligi, yo’nalish tezligi , fazasi va kutiblanIshi uzgarmagan xolda, amplitudasi kuchayib ketadi, ya‘ni tushayotgan nurlanIsh kuchayIshi sodir bo’ladi.

Lekin (1) shartga ko’ra 2 satxning egallanganligi 1 satxning egallanganligiga nisbatan kamdir. Shuning uchun xam termodinamik yopik sistemada nurlanIsh kuchaymaydi. NurlanIshni kuchaytirIsh energiya kiritish bilan sistemada termodinamik muvozanat xolatidan chiqarIsh va yuqori satxlarning egallanganligini kuydagicha o’zgartrishquri lozim: a) bir xil bo’lmagan elektr maydoni xosil qilishsh orqali; b) yordamchi nurlanIshni qo’llash orqali; v) moddadagi ba‘zi bir kuyi satxlarni ajratib buza oluvchi molekulyar aralashmalar kiritish orqali. Fakat shu xoldagina ana shunday zarrachalardan tuzilgan muxit aktiv bo’ladi, ya‘ni rezonans davrtezligli tulkinlarni kuchaytirIshga kobiliyatli bo’ladi.

4. Birinchi OKG da 1960 yil N.G. Basev va A.M. Prexorov taklif qilgan uch satxli sxema yordamida amalga oshirilgan. Ish muxiti – yokut (la‘l) rubin kristali xrom ionlari (0,04 – 0,05 %) bilan aktivlashtirilgan.

1-rasm.

1 rasmda yokut uzakli lazerning printsipal sxemasi keltirilgan: 1-nur qaytargich, 2-razryad naychasi, 3-yoruglikni qisman qaytaradigan sirt, 4 -qaytargich xolati, 5- yassi tulkinlar, 6-yokutli uzak.

5. Lazer bilan yoruglik nurlantirIsh jarayoni ikki boskichdan iborat (12.2-rasm). Rasmdagi uchta gorizantal chiziklar sistemaning uchta energetik satxiga mos keladi, ko’rsatkichlar (strelkalar) orqali esa ular orasidagi mumkin bo’lgan o’tishlar belgilangan. Kuyi satx atomning asosiy xolatiga mos keladi; yuqorigisi – ko’zgalgan xolatiga , o’rtadagisi esa – nobarkaror (oralik) xolatga.

2-rasm. Lazer bilan yoruglik nurlantirIsh jarayoni.

Xrom atomlari, 1 energetik kuyi satxda tinch xolatda joylashgan , impulsli kseonli lampa yordamida xosil qilishngan fotonlar yordamida ko’zgatiladi va yuqorirok energetik satx – 3 ga o’tadi.

Atomlarni ko’zgatilgan xolatga utkazIsh uchun OKG Ishchi qismga energiya berIsh jarayoni «nakachka» ( « damlash», elektromagnit maydon ta‘sirida moddani termodinamik muvozanat xolatdan chikarib, uni nurlanuvchan xususiyatga ega qilishsh ) deb ataladi. 3 satxda yashash vakti juda kam 10-3. Bu vakt ichida ba‘zi ionlar uz- o’zicha(spontan) 3 satxdan 1 satxga (asosiy) o’tadi. Ionlarning asosiy qismi nurlanmasdan ortikcha energiyani alyuminiy oksidining kristallik panjarasiga oshirib 2 satxga o’tadi. Bu nobarkaror satx( yashash vakti 10-4 dan 1 s gacha ) va damlash quvvati etarli bo’lganda 2 satxda bo’lgan xrom ionlari soni, 1 satxdagi ionlardan kuprok bo’ladi,ya‘ni satxlar inversiyasi (agdarilish) bo’ladi. Bu inversiyaga 2 satxdan, 1 satxga uz-o’zicha o’tish kam extimolligi yordam beradi.

Agar yoruglik energiya kvantlar bilan nobarkaror xolatdan asosiy xolatga o’tish davrtezligiga teng, unda atomlar ionlarda asosiy xolatga o’tadilar, shu bilan birga yoruglik energiyasini nurlatib. Shunday qilishb atomlarning nobarkaror xolati lazer Ishida ifodalovchi bo’ladi. Atomlarni 2 satxdan utkazIsh jarayoni zaryadsizlanIsh (razryadli) naychani yoritish yordami bilan bajariladi va o’zi nobarkaror satxni egallash jarayonini ko’rsatadi.

Ta‘minot manbaiga ulangan zaryadsizlanIsh naychani chaknashda aktiv element – (rubinda) yokutli uzak kuzgotiladi. Unda paydo bo’lgan nur , yoruglik ekranlaridan kup marta akslanib kuchayadi va qisman yuzasidan yoruglik aks etib kogerent yoruglik nurlanIsh xosil bo’ladi. Bir davrtezlikli nurlanIsh , bir tomonga yo’nalish va bir xil fazalar ayirmasi doimiyligini kogerent deb ataladi.

Yokut kristalligiga yonma-yon (parallel) asosli tsilindr shaklini berib fotonlar tarkalishini bir yo’nalishga soladi. Uchi oynadik kumushlangan , boshqa uchi qisman kumushlangan, shunday qilishb nurlanIshning bir qismi (taxminan 8%) undan o’tadi. Atomlar energiyasining bir qismi esa uzak devoridan utib tashkariga tarkaladi. Fotonlarning uzakka yonma-yon boshqa bir qismi uz yo’nalishida zanjirli reaktsiyani chikaradi va yangi fotonlar xosil qiladi.Bu uzakdagi ko’zgalgan atomlarning o’zaro ta‘siri tufayli yuzaga keladi. Yokut uzakning uchidagi oynalardan kup marta akslanib yoruglik energiyasining okimi xar safar akslanganda kuchayadi va uzakning uchidan juda kuchli nur chikaradi. Agar ana shu yoruglik okimi yuliga yiguvchi linza kuyilsa barcha energiyani kichik maydonga fokuslash mumkin. Nazariy jixatdan eng kichik maydonning diametri tulkin uzunligi teng deb olsak, ob‘ektivga kirish teshigining diametiri D=2,26 F bo’lish shart , bunda F- fokus masofasi.

Energiyaning oz qismi lazer nuriga aylanib, kolgani Ish qismida issiqlik ta‘sirida ajraladi, shuning uchun kristall jadal (intensiv) sovutiladi. Kullaniladigan OKG lar kuydagi xususiyatlari bo’yicha bo’linadi. aktiv muxitda inversli egallashni yaratish usuli bo’yicha yoki damlash usuli ( optik damlash, elektron ko’zgatish, kimyoviy reaktsiyalar va boshqalar;

Ish muxiti bo’yicha (gazlar, suyuqliklar, kattik dielektriklar, yarim o’tkazgichlar)

rezonatorning to’zilishi bo’yicha;

Ish xolati bo’yicha ( impulsli,uzluksiz).

OKGlar xar bir tipi uz energetik tavsifiga ega quvvat, kay bir energiyaning nurlanIsh energiyasiga aylanIsh F.I.K , impulsdagi energiya va boshqalar.

OKG ni nurlash uchun R=1MVt quvvat, tulkin uzunligi =0,69 mkm, solishtirma teshik

D/F=1,2

( bunda D,F – optik sistemaning diametiri va fokus masofasi, - muxitning tebranIsh qarshiligi ). Bu energiya okimi zichligining - mikdori kuyosh yuzasidagi energiya okimi zichligidan million marta kupdir, atomlar va molekulalar tashqi elektronlarining bog’lash kuchlanganligi esa yuqoridagidan kamrok. Bunday yuqori energiyalar va maydon kuchlanganliklarida istalgan moddalarni parchalash mumkin.

Bu xususiyat OKG ni texnologik qo’llash asosiga olingan,teshiklar xosil qilishsh uchun, yupka plyonkalar Ishlash, payvandlash, kuzni operatsiya qilishshda, konni tuxtatishda, kIshlok xo’jaligida uruglarni ekIshdan oldin Ishlov berIshda, kimyo va geologiya va boshqa soxalarda tadbiq etiladi.

OKG ni tip va ta‘minot manbalari Ish muxitiga, xolatiga va boshqalariga bog’lik.

L. 2 xil ish rejimiga ega. Agar unda uzluksiz energiya manbaidan foydalanilsa, uzluksiz ingichka nur hosil qilish mumkin. Agar manba impulyeli energiya bersa, L. nur impulslarini beradi.

Qattiq jismlardan tayyorlangan L.da (mas, yoqutli L.da) 0,05% gacha xrom (Sg3+) ionlari (aktivator) qoʻshilgan alyuminiy oksid (A12O3) dan tayyorlangan kizil kristall shisha tayoqcha ishlatiladi. Bunda yoqut silindr shaklida boʻlib, yoqut oʻqining ikki uchiga optik rezonator hosil qiluvchi koʻzgular joylashtirilgan. Impulsli lampadan chiqayotgan yorugʻlik tebrantirishni vujudga keltiradi. Lampaning yorugʻligi yoqutga tushganda, xrom ionlari lampadan chiqayotgan radiatsiya spektrining yashil va sarik, qismlarini yutib "uygʻongan" aktivlashgan holatga oʻtadi. Natijada nurlanishga tayyor aktiv muhit hosil boʻladi va yoqutning oʻqi boʻylab koʻzguga tik yoʻnalgan jala shaklida koʻpayib boruvchi yorugʻlik kvantlari paydo boʻladi. Yoqutli L.larda generatsiyalanayotgan yorugʻlikning quvvati 20 kVt gacha yetadi. Ularning f.i.k. 0,1% dan 10% gacha. L. nuri generatsiyasi aktivatorning energiya sathlari orasidan oʻtishiga bogʻliq. Unda hosil boʻlgan infraqizil nurning toʻlqin uzunligi >.=0,69 mkm. Qattiq jismli L.lardan neodim L.ida aktiv modda vazifasini neodim (Nd3+) ionlari qoʻshilgan shisha (CaWO4) tayoqchadan foydalaniladi. Bu L. L.=1,06 mkm li infraqizil nur chiqaradi.

Suyuq jismlardan tayyorlangan L.da aktiv modda oʻrnida "Rodamin-6J", piranin, tripaflavin va boshqa ishlati-ladi. Boʻyoqni erituvchi sifatida spirt, atseton, toluol va boshqalardan foydalanib, aktiv modda shisha kyuvetaga joylash-tiriladi (2rasm). Azot L. yordamida uygʻotiladigan boʻyoq L.ning sxematik tuzilishi koʻrsatilgan. Gazli L.da [bi-rinchi gazli L. (He-Ne) aralashmasida amerikalik olim A. Javan tomonidan yaratilgan] aktiv muhit gaz (yoki gaz aralashmasi)dan boʻladi. Mac, geliy-neon (Ne—Ie)li aktiv muhit geliy va neon gazlar aralashmasidan iborat (3-rasm). Gaz aralashmasi elektr razryadi bilan aktivlashgan holatga keladi. Bun-day L.da generatsiya Ne ning sathlar orasidan oʻtishida sodir boʻladi. Bunda 3 ta toʻlqin uzunlikdagi nur chiqadi: ^.=0,63 mkm (qizil nur), L2=1,15 mkm va X3=3,39 mkm (infraqizil nurlar). Gazli L.dan (CO2+N2) da X=10,6 mkm uzunlikdagi nur chiqadi. Ionli va kimyoviy L.lar ham gazli L. hisoblanadi. Ionli L.da aktiv muhit — ionlashgan atomlar, kimyoviy L.da esa kimyoviy reak-siyalarda "uygʻongan" holatga oʻtgan atomlar boʻladi (ion sathlarda ishlovchi argon L.i koʻk nur chiqaradi). Oʻzbekiston milliy unti (OʻzMU)ning kvant radiofizika kafedrasida oʻta yuqori chastota sohasiga oid tranzistorli avtogeneratorlarda ishlovchi ixcham yengil SO2 L.i yaratilgan.

Yarimoʻtkazgichli mas, GaAs L.larda aktiv muhit yarimoʻtkazgichlardan boʻladi. Bunday L.da muhit optik va elekt-ronlar oqimi yordamida aktiv holatga keltiriladi. Bu turdagi L.larda lazer oʻtishlari oʻtkazuvchanlik-valent zonalari va donorakseptor sathlari orasida boʻladi. Bular L. diodlari deyiladi. Yarimoʻtkazgichli diod qalinligi 0,1 mm va yuzasi bir necha mm2 boʻlgan kristall plastinkadan iborat (4-rasm). Bu diodlar orqali toʻgʻri tok oʻtkazilganda elektronlar yuqori zona yoki sathlarga oʻtib, inversiya holati roʻy beradi. Elektronlar quyi zona (yoki sathlar)ga oʻtganida elektron-kovaklar rekombinatsiyasi natijasida ajralgan energiya hisobiga L. nuri generatsiyasi kuzatiladi. GaAs L.idan chiquvchi in-fraqizil nurning toʻlqin uzunligi ^.=0,84 mkm. Yarimoʻtkazgichli L.lardan aktiv moddasi CdS (koʻk nur), CdTe (qizil, toʻq qizil nur — qirmizi), CaSb (qizil; infraqizil nur) boʻlgan L.lar mavjud. Yarimoʻtkazgichli L.larning tuzilishi sodda, oʻlchami kichik va ular uzoq ishlay oladi.

L.lardagi nur quvvati qattiq jismli L., suyuq jismli L., gazli L., va yarimoʻtkazgichli L. tartibida, f.i.k. esa yarimoʻtkazgichli L., suyuq jismli L., gazli L. va qattiqjismli L. tartibida kamayib boradi. Nurning ingichkali-gi (tor burchak ostida yoʻnalgashgagi) gazli L.larda eng yaxshi, yarimoʻtkazgichli L.larda esa eng yomon. Kurilmaning oʻlchamlari, ogʻirligi qattiq jismli L.larda eng katta, gazli va suyuk, jismli L.larda oʻrtacha, yarimoʻtkazgichli L.larda esa eng kichik. Turli L.lar nuri ultrabinafshadan tortib, koʻzga koʻrinadigan soha va infraqizil diapazonlarni qamrab oladi.

L. turli sohalarda keng qoʻllaniladi. Qattiq jismli L.lar lazer spektroskopiyasida, L. texnologiyasi (qattik, jismlarni qirqish, payvandlash, teshish) da, nochizigʻiy optikada, gazli L.lar esa chastota va uzunlikni standartlashda, optik sistemalarni sopash, marksheyder ishlarida, L.lar kimyosida, tibbiyotda; yarimoʻtkazgichli L.lar ixcham, yengil boʻlib, optik aloqa sistemalarida, audio va video sistemalarida, tunda koʻrish qurilmalarida, maʼlu-motni optik qayta ishlash va proyeksion L. televideniyesida keng qoʻllanilmoqda. Kimyoviy L.lar atmosfera tarkibini nazorat qilish sistemalarida ishlatiladi. L.lar kriminalistika, Yer ustidagi uzok, masofalarda va suv osti optik aloqasida, nur tolali telefon aloqa sistemalarida, L. kompakt-diski yasashda, xirurgik operatsiyalarda, oftalmologiyada, boshqariluvchi termoyadro sintezida va h.k. k.da ishlatiladi.

Nazorat savollari.

1. 
   Lazer nima ?
   
2. 
   Qanday lazerli texnologik qurilmalarni bilasiz?
   
3. 
   Lazerli texnologik qurilmalarda yoqut nima?