Qarshi davlat universiteti fizika-matematika fakulteti

Mavzuning dolzarbligi: Amaliy hayotda lazerlarning o‘rni hamda hozirgi zamon texnologiyalarining ishlashida lazerlarning ahamiyatini o‘rganishdan iborat.
Mavzuning maqsadi- tаlаbаlаrdа, bo’lаjаk fizikа o’qituvchisigа zаrur bo’lgаn dаrаjаdа lazerlarda sodir bo’lаdigаn hodisalar vа ularning turlаri, moddаning fizik хussusiyatlаri hаmdа mаkroskopik sistemаlаrning turli аgregаt holаtlаrdаgi fizik хossаlаri (аlohidа jism vа mаydonlаr uchun) hаqidа fenomenologik bilim, ko’nikmа vа mаlаkа shаkllаntnrishdir.
Mavzuning vаzifаsi - tаlаbаlаrgа laser fizikasigа doir аmаliy mаshg’ulotlаridа o’zlаshtirilgаn bаrchа mаvzulаr bo’yichа mаsаlаlаr yechish, hisoblash ishlаrini bаjаrib, ulаrgа doir hulosаlаr chiqаrа olish, fizikаviy qonuniyatlаri munosаbаtlаrini to’g’ri аniqlаsh kаbi vаzifаlаrni o’rgаtishdаn iborаt.

1. Lazerlar haqida umumiy ma’lumot

Spektrning optik qismida ishlatiladigan yorug’lik manbalarining nurlanishi kogerent bo’lmaydi, masalan, manbaning butun nurlanishi uning atomlari, molekulalari, ionlari, erkin elektronlari kabi mikroskopik elementlari chiqarayotgan va o’zaro kogerent bo’lmagan oqimlardan tashkil topgan bo’ladi. Gaz razryadining yorug’lanishi, su‘niy va tabiiy manbalarning issiqlik nurlanishi, turli usulda uyg’otilgan lyuminessensiya kogerent bo’lmagan nurlanishga misol bo’la oladi.
XX asrning 60 yillari boshida boshqa tipdagi yorug’lik manbalari yaratilgan bo’lib, ular optik kvant generatorlari (OKG) yoki lazerlar deb ataladi. Kogerent bo’lmagan manbalardagiga qarama-qarshi ravishda kvant generatorning bir-biridan mikroskopik masofalarda bo’lgan qismlaridan chiqayotgan elektromagnitik to’lqinlar o’zaro kogerent bo’ladi. Bu jihatdan kvant generatorlari kogerent radio to’lqinlari manbalariga o’xshash bo’ladi.
Nurlanishning kogerentligi optik kvant generatorlarining qariyib hamma xususiyatlarida ko’rinadi. Nurlanishning to’la energiyasi bundan istisno bo’ladi, chunki bu energiya kogerent bo’lmagan manbalardagi kabi dastavval uzatilayotgan energiyaga bog’liq bo’ladi. Lazerlarning nurlanishi kogerentligi bilan bog’langan ajoyib xususiyati shundan iboratki, energiya vaqt davomida, spektrda, fazoda tarqalish yo‗nalishlari bo’yicha konsentratsiyalanadi. Ba‘zi kvant generatorlarining nurlanishi yuqori darajada monoxromatik bo’ladi. Boshqa lazerlar davom etish vaqti 10^-12 s ga teng bo’lgan juda qisqa impulslar chiqaradi; shuning uchun bunday nurlanishning oniy quvvati juda katta bo’lishi mumkin.
Lazerlarning yaratilishi insoniyat ilmiy-texnik taraqqiyotining o’lkan yutuqlaridan biri desa bo’ladi. Lazerlar yaratilishining boshlanishi 1916 yilga borib taqaladi. Usha yili buyuk fizik olim A.Eynshteyn birinchi bo’lib, majburiy nurlanish tushunchasini kiritdi, va nazariy yo’l bilan majburiy nurlanish uni majburlovchi nurlanishga kogerentligini (mosligini) ko’rsatadi. 1930 yilda P.Dirak o’zi tomonidan yaratilgan nurlanishning kvantomexanik nazariyasi asosida majburiy nurlanish va uning kogerentlik xususiyatlarini chuqurroq va aniqroq taxlil qilib, tushuntirib berdi. Lekin bu lazerning yaratilishi uchun yetarli emas edi. 1930 yildan boshlab optik spektroskopiya sohasida ko’plab ilmiy-tadqiqot ishlari boshlanib ketdi. Bu izlanishlar natijasida atomlar, molekulalar, ionlarning energetik sathlari haqida ko’plab ma‘lumotlar olindi va keyinchalik turli lazerlarning yaratilishida ishlatildi. Bu ishlarga S.E.Frish va V.A.Fabrikant kabi Rossiya olimlari ham o’z hissalarini qo’shishdi.
1939 yilda V.A.Fabrikant birinchi bo’lib, yorug’lik nurining majburiy nurlanish xisobiga kuchayishining imkoniyati borligini aytdi. 1951 yilning yozida, u o’zining xodimlari bilan majburiy nurlanish yordamida elektromagnit nurlanishni (ultrabinafsha, ko’rinuvchi, infraqizil va radioto’lqinlar sohasida) kuchaytirish uslubi uchun avtorlik guvoxnomasini olishga taklif berishgan. Bu takliflarida lazerlarning faol muhitini yaratishning asosiy g’oyalari bayon etilgan edi. Lekin optik kuchaytirish g’oyalaridan tashqari, uni amalda bajarish va nixoyat kogerent nurlarning xosil qilish uchun o’ziga xos teskari bog’lanishli optik rezonator bo’lishi kerak edi. Usha yillarda fanning optika bo’limida optik soha uchun rezonatorlar o’ylab topilmagan edi.
Kvant elektronikasi yoki lazerlar fizikasining rivojlanishida radiofizikanig bo’limi bo’lgan radiospektroskopiya muhim omil bo’ldi. Uning keskin rivojlanishi 1940 yillardan boshlanib, ilmiy izlanishlar yo’nalishi atom va molekula spektroskopiyasidan tashqari vaqt va chastotaning, ya‘ni o’ta yuqori chastota (O’YUCH) standartlarini yaratilishga bag’ishlangan edi. Bu ilmiy izlanishlar natijasida 1950 yillarning boshlarida bir-birlaridan mustaqil ravishda N.G.Basov, A.M.Proxorov (FIAN, Rossiya) va Ch.Tauns (AQSH, Kolumbiya universiteti) tomonidan majburiy nurlanish g’oyalaridan amalda foydalanib, ammiak molekulasida ishlovchi molekulyar kuchaytirgich va generator (Mazer) yaratildi . Mazer (Maser - microwave amplification by stimulated emission of radiation) - ingliz so’zlaridagi bosh harflardan tashkil topgan va mazmuni mikroto’lqinni majburiy nurlanish hisobiga kuchaytirishdir. Shu ishlari uchun ular 1964 yili Nobel mukofotining sovrindori bo’lishdi.
Kvant elektronikasining rivojlanishi elektromagnit to’lqinning yangi, infraqizil va ko’zga ko’rinuvchi sohalarida kogerent nurlanish olishga yo’naltirildi. Dunyoning ko‗p ilmiy laboatoriyalarida lazerlar yaratish ustida ish boshlab yuborildi. Bu ishlarning rivojlanishida A.M. Proxorovning kvant qurilmalarida ochiq optik rezanotor sifatida Fabri-Pero ( etaloni) interferometrini qo’llash g’oyasi hal qiluvchi omil bo’ldi.
Birinchi gazli lazer (Laser – light amplification by stimulated emission of radiation – ya‘ni yorug’likni majburiy nurlanish hisobiga kuchaytirish demakdir) 1961 yilda neon va geliy aralashmasida yaratildi. Uzluksiz ish holatida infraqizil sohada to’lqin uzunligi 1,15 mkm bo’lgan kogerent nurlanish berdi. 1962 yilda geliy-neon lazerlarida ko’zga ko’rinadigan sohada, 0,63 mkm to’lqin uzunlikli, qizil rangli kogerent nurlanish hosil qilindi. Shundan beri geliy–neon lazeri takominllashib kelinmoqda.
Muhit atomlarining qandaydir ikki holati energiyalarining Em-En ayirmasiga mos bo’lgan chastotali yassi to’lqin shu muhitda tarqalayotgan bo’lsin. Nurlanishning oqimi Buger qonuniga muvofiq o’zgaradi, bunda yutish koeffitsiyenti (1) munosabat bilan aniqlanadi:
_{ }
bu erda а_{mn } - Eynshteyn koeffitsiyenti, g_m, g_n - va N_m, N_n lar - m,n holatlarning statistik og’irliklari va balandliklari. (1) dagi N_n/g_n va N_m/g_m hadlar mos n→m va m→n o’tishlarning ulushlarini ko’rsatib, bu o’tishlarda fotonlar yutiladi va induksiyalangan ravishda chiqariladi.
Muhitning hajm birligida yutilgan quvvatni quyidagicha ifodalash mumkin:
_{ } (2)
bu yerda u(_{ }) va I(_{ }) energiyaning va oqimning spektral zichliklari (1 sm³ dа).
Agar nurlanish tarqalayotgan muhit termodinamik muvozanatda bo’lsa, Bolsman prinsipiga muvofiq _{ } bo’ladi va demak, _{ } bo’ladi. Bu hol nurlanishning yutilishiga mos keladi. Agar biror usul yordamida N_m/g_m>N_n/g_n bo’ladigan sharoitlarni amalga oshirsak, _{ } koeffitsiyent o’z ishorasini o’zgartirib, manfiy kattalik bo’lib qoladi. Bu holda muhitda tarqalayotgan energiya oqimining zichligi termodinamik muvozanat holidagi kabi kamaymasdan, balki ortib boradi. Boshqacha aytganda, induksiyalangan nurlanish natijasida yorug’lik oqimiga qo’shilgan fotonlarning soni oqimdan teskari (n→m) o’tishlarda atomlarning uygonish uchun olingan fotonlarning sonidan katta bo’ladi.
Atomlar konsentratsiyalarining N_m/g_m>N_n/g_n tengsizlikka mos bo’lgan munosabati m, n energetik sathlarning invers bandligi deyiladi. Energetik sathlari invers bandlikka ega bo’lgan va o’zida tarqalayotgan nurlanishni kuchaytiradigan muhit aktiv muhit deb ataladi. Gaz razryadda sathlarning invers bandligini ba‘zi ximiyaviy reaksiyalar, optik uyg’otish va hokazolar yordamida hosil qilish mumkin. Majburiy o’tishlar natijasida vujudga kelgan elektromagnitik to’lqinlar bu o’tishlarga sababchi bo’lgan to’lqin bilan kogerent bo’ladi. Xususan, atomlar bilan o’zaro ta‘sirlashuvi maydon yassi monoxromatik to’lqin bo’lsa, u holda majburiy ravishda chiqarilgan fotonlar ham shunday chastota, qutblanish, faza va tarqalish yo’nalishiga ega bo’lgan yassi monoxromatik to’lqinni tashkil qiladi. Majburiy chiqarish (yutish kabi) natijasida faqat tushayotgan to’lqinning amplitudasi o’zgaradi.
Yuqorida aytilganlarni majburiy chiqarish nurlanishni uning boshqa xarakteristikalarini o’zgartirmay kuchaytiradi, majburiy yutish esa susaytiradi degan fikrning boshqacha shaklda aytilgani deb hisoblash mumkin. Lekin optik kvant generatorlari nurlanishning xususiyatlarini tushunish uchun tushayotgan to’lqin bilan majburiy o’tishlar natijasida chiqarilayotgan «ikkilamchi» to’lqinlarning kogerentligi to’g’risidagi tasavvurlarga asoslansak manbadan ma‘lum bir yo’nalishda tarqaluvchi quvvatli nurlanish olish uchun zarur bo’lgan fazoviy sinfazlik shartini majburiy chiqarish jarayonida amalga oshirish mumkinligi ko’rinadi. Haqiqatdan ham, fazoning har xil nuqtalarida joylashgan atomlar chiqarayotgan to’lqinlarning boshlang’ich fazalari mos yo’l farqini kompensatsiyalaydigan bo’lsa, bunday to’lqinlar kuzatish nuqtasida sinfazali ravishda qo’shiladi.
Yuqorida muhokama qilingan va majburiy o’tishlar bilan bog’langan kogerent nur chiqarishdan tashqari, muhit atomlari spontan o’tishlarda ham qatnashib, natijada bir-biri bilan hamda tashqi maydon bilan kogerent bo’lmagan to’lqinlar chiqarilishini yoddan chiqarmaslik kerak. Shunday qilib, aktiv muhitning nurlanishi har doim kogerent va kogerent bo’lmagan qismlarning aralashmasidan iborat bo’lib, ular o’rtasidagi munosabat, xususan, tashqi maydonning intensivligiga bog’liq bo’ladi. Oxirgi holni tushuntirish oson, chunki majburiy chiqarish jarayonida qatnashgan atomlar uyg’onish energiyasidan mahrum bo’ladi va, demak, spontan ravishda nurlantira olmaydi. Yuqoridagini batafsil analiz qilish majburiy o’tishlar ta‘sirida kogerent bo’lmagan spontan nurlanishning to’liq intensivligigina emas, balki uning spektral tarkibi ham o’zgarishini ko’rsatadi.