O’zbekiston respublikasi oliy va o’rta maxsus ta’lim vazirligi buxoro davlat universiteti fizika-matematika fakulteti kafedrasi

I bob. Lazerlar haqida umumiy ma’lumot

3. 
   Lazerning yaratilish tarixi
   

LAZER (inglizcha laser; Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — majburiy nurlanish yordamida yorugʻlikning kuchayishi maʼnosini anglatadigan soʻz birikmalarining bosh harflaridan olingan. Lazer boshqa yorugʻlik manbalardan kogerentligi, monoxromatikligi, juda kichik burchak ostida yoʻnalganligi bilan, nur quvvatining katta spektral zichlikka, juda yuqori tebranish chastotasiga egaligi bilan farqlanadi. Optik kvant generator — ultrabinafsha, infraqizil va koʻzga koʻrinadigan soha diapozondagi nurlanishlarni hosil qiluvchi qurilma; kvant elektronikasidagi asosiy qurilmalardan biri. Bugungi kunda lazerlar tibbiyot, ishlab chiqarish, qurilish sanoati, geodeziya, maishiy elektronika, ilmiy texnika va harbiy tizimlarda keng qo'llanilmoqda. Bundan tashqari kundalik sohalarda milliardlab lazerlar mavjud bo’lib, ular supermarket shtrix-skanerlari, skanerlar, lazer printerlari, kompakt disk o’qiydigan va shu kabi taniqli qurilmalarning bir qismidir. Lazer texnikasi- bu lazer nurlanishini asosida ishlaydigan kvant qurulma va sxemalarni optimal tarzida yaratishga qaratilgan ilmiy asoslangan hisoblashlar, muxandislik ixtirolari va kvanto-optik metodikalar majmuidir. Lazer nurlari har qanday, hatto eng qattiq va issiqqa chidamli materiallarni eritib kuydira oladi.
1964-yilda Stokgolmda Nobel mukofotini topshirish marosimida A.M.Proxorov shunday degandi: ‘‘Kvant elektronikasi 1954-yil oxiri va 1955-yil boshlarida paydo bo’ldi, uning asosi 1917-yilda A.Eynshteyn tomonidan aytilgan induksion nurlanish hodisasi deb hisoblasak bo’ladi’’.
Qayd etilgan hodisaning ma’nosi shuki, tashqi ta’sir ostida faollashgan atomlar kichik energiyali holatga o’tadi, o’tish vaqtida elektromagnit to’lqin chiqaradi. Ammo, uzoq vaqt bu mexanizmdan amaliy jihatdan foydalanish imkoni bo’lmadi. V.A.Fabrikantga berilgan mualliflik guvoxnomasida (SSSR,18.06.1951, № 123209) shunday yozilgan: ‘‘Elektromagnit nurlanishni kuchaytirish usuli (ultrabinafsha, ko’rinuvchi, infraqizil va radiodiapazonidagi to’lqinlar) qo’shimcha nurlanish yoki boshqa usul bilan yuqori energetik sathda joylashgan atomlarga ko’p miqdorda ega muhit orqali kuchaytirilayotgan nurlanish o’tkaziladi, mana shu holat faollashgan holatga mos keladi’’. Ular tomonidan berilgan sharx ‘‘kvant kuchaytirish ‘‘ atamasiga mos keladi. Majburiy nurlanish hodisasi zamonaviy kvant elektronikasi va lazer texnikasi asosi sifatida foydalanila boshlandi. Biroq keyinroq (1953-yil) Dj.Veber tomonidan kvant kuchaytirgich taklif etildi.

1956- yilda N.Blombergen uch sathli qattiq jismli paramagnetik kuchaytirgichning nazariy asoslarini ishlab chiqadi va 1957-yili G.Skovil shunday kuchaytirgichni tayyorlab beradi. Ammo, 1960-yilgacha qurilgan hamma kvant asboblar radioto’lqinlar o’ta yuqori chastota (O’YUCH) diapazonini qamrab olgandi va shuning uchun mazer deb nomlanardi.
Birinchi molekulyar generator (mazer) 1954-yil Moskvadagi P.N.Lebedev nomli sobiq SSSR FA Fizika institutida N.G.Basov, A.M.Proxorov va bir vaqtni o’zida AQSHdagi KKolumbiya universitetida CH.Tauns, Dj.Gordon, va X.Sayger tomonidan ishlab chiqiladi. Bu hodisani rasmiy tarzda kvant elektronikasi amaliy fan sifatida rivojlanishining boshlanishi deb hisoblasaa bo’ladi.
Lazerlarni yaratilishi fizikaning yangi sohasi, kuchli majburiy nurlanish yordamida muxitning nochiziqli optic effektlarini o’rganuvchi – nochiziqli optikaning rivojlanishini tezlashtirdi. Bunga S.I.Vavilov, S.A.Axmanov, G.S.Gorelik, R.V.Xoxlov, N.Blombergen, D.Djordmeyn, R.Terxyun va boshqalarning xizmatlari juda katta bo’ldi.
Ko’rinadigan optik diapozoni to’lqin uzunligida nurlanish hosil qilingandan so’ng 34 ta kimyoviy elementlarning neytral atomlari sathlari orasida 460 turli o’tishlar kuzatildi.
Birinchi molekulyar lazer 1964-yilda R.Patel tomonidan yaratildi. 1940 yilda rus fizigi V.A. Fabrikant elektromagnit to'lqinlarni kuchaytirish uchun majburiy nurlanish hodisasidan foydalanish imkoniyatini isbotladi. 1954 yilda rus olimlari N.G. Basov va A.M. Proxorov va ulardan mustaqil ravishda amerikalik fizik Charlz Tauns induksiyalangan nurlanish hodisasidan foydalanib to'lqin uzunligi 1,27 sm bo'lgan mikroto'lqinli radio to'lqinlarning generatorini yaratdi.
1960 yilda amerikalik olim T.Meyman optik diapazonda nurlanishni keltirib chiqaradigan kvant generatorini yaratishga muvaffaq bo'ldi. Yangi generator "lazer" deb nomlandi.

Birinchi lazer 1960-yilda T. Meyman tomonidan yaratilgan. Keyinchalik xorijiy mamlakatlar olimlari bilan bir qatorda lazer nurlanishlarini energiyasini oshirish, kam energiya sarflaydigan, barcha ko'rsatkichlari bo’yicha samarali bo‘lgan yangi faol muhitlarda lazerlar yaratish sohasida O'zbekiston fizik olimlarining ham salmoqli hissalari bor. Hozirgi vaqtga kelib lazer nurlanishi - yuzlab faol muhitlarda hosil qilingan. Bu faol muhitlar o'zining agregat holatlari, ishlash sharoitlari va boshqa ko'pgina xususiyatlari bilan farq qiladi.

4. 
   Lazerlarning ishlash prinspi
   

Lazerlarning ishlash prinsipida faol moddaning atom tuzilishi juda muhimdir. Muhit atomlarining metastabil holatida yoki g’alayonlangan holatda “uzoq vaqt turish” xususiyati bo’lishi zarur. Bunday muhitlar faol yoki zarralarning energetik sathlar bo’yicha inversli (teskari) muhit deyiladi. Optik kvant generatori (OKG) yoki lazer faol muhit, qo’zg’atuvchi (tebrantiruvchi) qurilma va rezonatordan iborat bo’ladi.
Faol muhit turiga qarab lazer qurilmalari qattiq jismli, suyuqlikli, gazli, yarimo’tkazgichli va bo’yoq moddali lazerlar ko’rinishida bo’ladi. Muhitni g’alayonlangan (uyg’ongan, qo’zg’algan) holatga keltirish (aktivlashtirish) qo’zg’atuvchi qurilma yordamida “qo’zg’otib” amalga oshiriladi. Qattiq jismli lazerlarda qo’zg’atish yoki “optik tazyiq” kuchli yorug’lik yordamida bajariladi. Gazli lazerlar elektr razryadi (uchqun)dan foydalaniladi. Yarimo’tkazgichli lazerlar faol muhit ishchi qismi p-n o’tish orqali elektronlar oqimi (elektr toki) ni o’tkazishga asoslanib ishlaydi. Invers bandli muhit nurlanishi intensivligini oshirishda rezonatorlar (ikkita yaqin shaffof ko’zgular) dan foydalaniladi.
Tarqalayotgan fotonlarning faol muhit orqali ko’p marta o’tishi rezonator yordamida amalga oshiriladi. Lazerlarda ular tutib qoluvchi va kuchaytiruvchi vazifasini bajaradi.
Lazerlarning ish jarayonini 3 yoki 4 sathli modelda ko’rsatish mumkin. Uch sathli generatorlarda “lazer nurlanish” elektronlarning invers joylashishi asosida sath bilan “uyg’ongan” sathlarning birortasi orasida, to’rt sathli generatorlarda esa ikkita “uyg’ongan” sathlar orasida ro’y beradi. Uch sathli sxema bilan ishlaydigan lazerlarga yoqut (rubin) lazeri misol bo’la oladi.
Lazerlarda asoslari parallel bo’lgan silindrik sterjen ishlatiladi. Impulsli lampadan chiquvchi yorug’lik faol muhitda tebranish hosil qiladi. Lazer nurlanishini hosil qilishda bir nechaming joulgacha energiyali zaryadlangan kondensatorlar batareyasi lampa orqali razryadlanadi. Lampa qisqa muddatlar yorug’lik oqimi bilan yoqut o’qini yoritadi. Impulsli lampaning kuchli yorug’lik oqimi yoqutga tushganda, xrom ionlari lampadan chiqayotgan nuolanish spektrining yashil va sariq qismlarini yutib, “uyg’ongan” holatga, ya‟ni uchinchi energetik sathga o’tadi. Xrom ionlari qisqa vaqt turgach, spontan holda nurlanishsiz ikkinchi (metastabil) holatga o’tadi. bu nurlanishga tayyor faol muhitni hosil qiladi. Lampa nurlanishidan turtki olib, lazer nurlanishi hosil qilinadi. Lazerning nurlanish quvvati 2 Kvtgacha etadi. Uning foydali ish koeffitsienti 0,1-10% ni tashkil etadi.
Lazerlar haqida tasavvurlarimiz yanada kengayishi uchun biz keng tarqalgan lazerlaming turlari, ulaming ishlash tamoyillari bilan tanishtirib o'tamiz.

1-rasm. Eng oddiy lazer tuzilishi:1-Lazer moddasi, 2-Tashqi energiya, 3-Koʻzgu
4-Yarim shaffof koʻzgu, 5-Lazer nuri

Lazerlami faol muhitlarining agregat holatiga ko'ra qattiq jismli, gazli, ionli, kimyoviy va yarimo'tkazgichli lazerlarga ajratiladi.
Faol muhiti kristall yoki shisha bo’lgan lazerlar qattiq jismli lazerlar nomini olgan. Qattiq jismli lazerlarda invers bandlik optik damlash yo’li bilan hosil qilinadi. Bunday lazerlar faol muhitining asosini qattiq jismga kiritilgan aralashmaning ionlari tashkil etadi, ya'ni xrom, nikel, kobalt, neodim, erbi va boshqa ionlar qo’llaniladi.
Faol muhit bir necha shartlarni qondirishi kerak, jumladan, optik jihatdan bir jinsli, mexanik jihatdan mustahkam, issiqlik o‘tkazuvchanligi katta, issiqlik ta'siriga chidamli, nurlamsh to’lqin uzunliklari sohasida shaffof va mexanik qayta ishlashlar natijasida katta o’lchamli faol elementlar olish imkoniyatini bera oladigan bo’lishi shart. Bu barcha talablarga to‘la javob beradigan moddalar kam. Qattiq jismli lazerning tuzilishi 2-rasmda ko‘rsatilgan.

2-rasm. Qattiq jismli lazerning tuzilishi:
1-Faol muhit, 2- rezanator ko’zgulari, 3- gaz razryadli lampa,
4- nur qaytargich, 5-yuqori kuchlanishli energiya manbai,
6-yorug’lik impulsi.
Geliy-neon lazeri gazli lazerlar majmuasiga kiradi. Geliy-neon gaz aralashmasi to’ldirilgan gaz razyadli nay lazerning asosiy qismi bo’lib xizmat qiladi (3-rasm).
Gazli razryad nayining ichki diametri bir necha mm dan 1sm gacha, uzunligi esa sm dan bir necha metrgacha bo’lishi mumkin. Faol muhit sifatida neon gazi olinib, yordamchi gaz sifatida unga geliy gazi qo’shiladi va ularning nisbati naxminan 1:7 munosabat olinib, gaz razyad nayi kerakli bosimlarda (1,3 mm.sim.ust teng bisimlarda) to’ldiriladi. Razryad nayining ichida yoki tashqarisida 3-rasmda ko’rsatilgandek silindrik yoki tasmali elektrodlar joylashtiriladi va ular mos holda doimiy tokli yoki ko’ndalang yuqori chastotali razryad hosil qilish uchun xizmat qiladi.