Oliy va o’rta maxsus ta’lim vazirligi z. M. Bobur nomidagi andijon davlat universiteti magistratura bo’limi Fizika kafedrasi

2.2. Lazer nurining turli muhitlarga ta`siri

Lazer nurining yoki umuman elektromagnit to‘lqinning har qanday materialga ta’siri va uning samaradorligi nur energiyasining zichligi bilan aniqlanadi [2]. Lazer nurining materialga issiqlik ta’siri faqatgina nurning quvvatiga emas, balki materialda yutilgan va foydali natijaga olib kelgan energiyaga bog‘liqdir. Nurninng yutilishi darajasi har qandiy lazer texnologiyada e’tiborli jarayondir.



2.2-rasm. Ikki muhit chegarasiga tushgan nur sxemasi: 1-tushgan nur; 2- qaytgan nur; 3-sinib, materialga o‘tgan nur.

Birinchi bosqichda lazer nurining issiqlik ta’siri ostida qattiq jismda faza o‘zgarishlari kuzatilmaydi. Asosiy hodisalar nurning iqlikning chuqurga tarqalishi bilan bog‘liqdir (4-rasm).

Nurning noshaffof jism bilan o‘zaro ta’sirlashishi quyidagi tartibda bo‘ladi: yorug‘lik to‘lqini sirtga tushib elektronlarning tebranishini hosil qiladi. Elektronlarning majburiy tebranishi qaytgan to‘lqinni hosil qiladi. Agar elektronlar to‘la erkin bo‘lsa, nur to‘la qaytadi, yutilishi kuzatilmaydi. Agar elektronlar qisman bog‘langan bo‘lsa, energiyaning bir qismi jismga beriladi va uni qizdiradi. Barcha jarayonlar juda yupqa qatlamda yuz beradi, shuning uchun odatda nurning qattiq jism sirti bilan ta’sirlashishi nazarda tutiladi. Temperaturaning funksiyasi bo‘lgan issiqlik koeffitsientlari odatda o‘zgarmas hisoblanadi va ko‘pincha ularning o‘rtacha qiymatlaridan foydalaniladi.

Ko‘pincha sirtning qayta ishlanganlik darajasi katta rol o‘ynaydi. Notekis sirtda ko‘plab tushayotgan optik nurga nisbatan turlicha orientatsiyalangan mikroskopik uchastkalar mavjudki, ular nurni bir xil qaytarmaydi. Shuning uchun silliq va notekis sirtlar turli qiymatdagi nur qaytarish koeffitsientiga ega.

Gaz xolatidagi muhitda nurning qo‘shni atomlarda yutilish aktini hisobga olinmaydi. Birinchi navbatdagi jarayon nur energiyasini yutgan atomning qo‘zg‘algan energetik sathga o‘tishi e’tiborga olinadi. Molekulalarda ham nur bilan ta’sirlashish oqibatida qo‘zg‘atilgan tebranish yoki aylanish sathlari paydo bo‘lishi mumkin. Izolyatsiyalangan atomlarning nurlanish spektrida ular elektronlarining xususiy tebranish chastotasiga mos chiziqlar mavjud. Molekulalar yutilish spektri esa, ko‘plab atomlarga mos keladigan bir necha nm dan bir necha yuz nm gacha katta diapazondagi yutilish polosasidan iborat. Keyinga jarayonlarda energiya qo‘zg‘atilgan atom va molekulalarning to‘qnashishi davomida o‘zgaradi. Zarrachalarning qo‘zg‘atilmagan xolatiga o‘tishida kvant chiqarishi, boshqa zarrachalarga to‘qnashib, gazni yanada qizdirishi mumkin.

Metallar. Metallarni bog‘langan elektron gaz muhitiga botirilgan uch o‘lchamli musbat ionlar panjarasi deb qarash mumkin.



2.3-rasm. Metallarning yorug‘lik nurining to‘lqin uzunligiga bog‘liq ravishda yutilish koeffitsienti.
Ko‘rinma va infraqizil nur diapazonida lect sirtidan qaytmagan barcha nurlar yupqa (10^-5…10^-6sm qalinlikdagi) sirt qatlamida (keskin qatlam) yutiladi. Bu xolda jarayon bir muncha soddalashadi, qaytish va yutilish jarayonlari ko‘riladi. Metallda nur tarqalmaydi. Qattiq va suyuq jismlarda atomlarning lect xususiyatlarini belgilovchi elektronlar qo‘shni atomlar ta’sirida keskin o‘zgaradi. Qattiq jismlardagi yutilish, odatda kondensirlangan muhitda nur tomonidan bitta zarrachaga berilgan energiya barcha zarrachalar jamoasiga ta’sir qiladi.

Yutilgan energiya muhitda turli issiqlik uzatilishi mexanizmi bilan tarqaladi. Metallarda issiqlik uzatilishining electron mexanizmi amal qiladi.

Agar muhitda yutilish koeffitsienti nurning to‘lqin uzunligiga bog‘liq bo‘lsa, moddaning yutilish spektri ko‘riladi. 1.4.2-rasmda turli metallarning yutilish koeffitsientlarining to‘lqin uzunligiga bog‘liqligi berilgan.

1.4.3-rasmda nurning sirtga tushganda qutblanishi turlari ko‘rsatilgan.

2.4-rasm.

Metal sirtiga lazer nuri burchak ostida tushganda, qaytgan nur nurning qutblanganligiga bog‘liqdir. Nur qaytishining ikkita tashkil etuvchilari R_p – tushgan nur tekisligida va R_s – tushgan nur tekisligiga perpendikulyar bir-biridan farq qiladi. Boshqacha aytganda qutblangan nurning sirtdan qaytishi qutblanish vektorining orientatsiyasiga va sirtning optic xususiyatlariga bog‘liq.

2.5-rasm.

7-rasmda mis sirtiga tushgan nurning (λ = 10,6 mkm) qaytarish qobiliyatining perpendikulyar va bo‘ylama qutblangan nurlar tushish burchagiga bog‘liqligi berilgan.

Taqqoslash uchun misning nur qaytarish qobiliyatining (T = 0°S va 1000 °S) har xil temperaturada λ = 10,6 mkm to‘lqin uzunligi uchun R_s i R_p tashkil etuvchilarining tushish burchagiga bog‘liqligi berilgan.

Dielektriklarda nurning yutilishi bir qator faktorlarga bog‘liq: kristal panjaraning, atom va molekulalarning tebranish erkinligining mavjudligi, moleklualararo tebranishlar, kirishmalar, defektlar va boshqalar.

Odatda yutilish koeffitsienti to‘lqin uzunligiga bog‘liq, ultrabinafsha va infraqizil spektr diapazonida katta qiymatga ega. Oraliq diapazonda dielektriklar qisman yoki to‘la shaffof bo‘ladi.

SO₂-lazer (λ= 10,6 mkm) nuri uchun ko‘plab dielektriklar katta qiymatli yutilish koeffitsientiga ega va nur asosan bir necha mikron qalinlikdagi sirtda yutiladi. Shuning uchun issiqlik manbaini sirt manbai deb hisoblanadi.

To‘lqin uzunligi λ = 10,6 mkm bo‘lgan nur uchun uncha ko‘p bo‘lmagan miqdordagi moddalargina shaffofdir. Bunday materiallardan optik IK elementlar tayyorlashda foydalaniladi. Ayrim dielektriklarda bunday nurlar bir necha millimetr chuqurlikda yutiladi, ularda lazer nuridan hosil bo‘lgan issiqlik manbaini hajmiy deb hisoblash mumkin.

Lazer nuri bilan materiallarni qizdirish

Turli lazer texnologiyalarida turli vaqt xarakteristikalariga ega bo‘lgan lazerlar qo‘llaniladi: uzluksiz, impulsli, impulsli davriy. Lekin lazer nurining aynan sirtning biror nuqtasiga ta’siri doim impulsli bo‘ladi. Agar ishlov harakatlanayotgan lazer nuri bilan berilsa, nurning nuqtaga xarakterli ta’sir vaqti t_v = d/v, kabi ifodalanadi. Bu yerda d – sirtga fokuslangan nur dog‘i diametri, v-nurning harakat tezligi. Agar ishlatilayotgan lazer impulsi vaqti τ_p<v bo‘lsa, impulsli davriy lazer nuri ta’sirida ishlov vaqti impulslar davomiyligining yig‘indisiga teng bo‘ladi.

2-jadvalda ayrim toza metallar va yarimo‘tkazgichlarning issiqlik fizik xossalariga doir parametrlari keltirilgan.

2-jadval. Ayrim metallar va yarimo‘tkazgichlarning issiqlik xossalari