Rajabov Dilshodning lazer fizikasi fanidan

Kvant kuchaytirgichlar haqida ma`lumot.
Kvant kuchayirgichlar-uyg`ongan atom , molekula va ionlarning majburiy nurlanishi hisobiga radiodiapazondagi elektromagnit to`lqinlarni kuchaytiradigan qurilma. 1956-yilda A.Q.SH da o`ta yuqori chastotali elektromagnit to`lqinlar va tebranishlarni kuchaytiruuvchi paramagnet kristallardan yasalgan kvant kuchaytirgichlar yaratildi. Shuning uchun erkin elektronlari oqimi klassik mexanika qonunlariga bo`ysunuvchi oddiy kuchaytirgichlardan , lampali kuchaytirgichlardan farq qiladi. Kvant kuchaytirgichlarda ishtirok etuvchi paramagnet ionlarning soni o`zgarmaganligi sababli ularda miqdoriy o`zgarish shovqini bo`lmaydi. Upast temperaturada ishlaganligi tufayli uning issiqlik shovqini kichik (shovqin , asosan , spontan – o`z-o`zidan nurlanish bilan bog`liq) , sezgirligi juda yuqori . Kvant kuchaytirgichlarda elektromagnit to`lqin faol muhitdan o`tib uyg`ongan faol markaz hisobiga o`z energiyasini ko`paytiradi . Kvant kuchaytirgichning boshqa kuchaytirgichlardan afzalligi – xususiy shovqinlarining pastligi va yuqori darajada sezgirligidir. Kvant kuchaytirgichlari radiofizika qurilmalari harakateristikalarining turg`unligi , sezgirligi , quvvatini oshiradi , optikada o`ta kuchli monoxromatik yorug`lik manbai hosil qiladi. Ulardan muhitning yorug`lik ta`sirida o`zgarishini o`rganishda , rangli va hajmiy tasvirlarini olishda , tibbiyotda , nozik ko`z operatsiyalarini amalga oshirishda , texnikada hisoblash mashinalari elementlarini tuzishda , materiallarni qayta ishlashdda , aloqa va lokatsiya maqsadlarida , kimyoviy reaksiyalarni boshqarishda va xalq xo`jaligining turli sohalarida foydalaniladi. Kvant elektronika- fizikaning majburiy nurlanish hodisasiga asoslanib , elektromagnit tebranishlarni va to`lqinlarni generatsiyalash (hosil qilish ) va kuchaytirish usullarini , shuningdek , kvant generator va kvant kuchaytirgich xossalarini hamda ularning qo`llanishini sohasi. Klassik elektronikada elektromagnit tebranishlar va to`lqinlar M.Faradey kashf etgan elektromagnit induksiya hodisasi asosida hosil qilinadi . Elektromagnit tebranishlar va to`lqinlarni kuchaytirish esa electron asboblar va kuchaytirgich zaryadlangan zarralar oqimi yordamida amalga oshirilsa bu jarayonlar to`g`ridan- to`g`ri uzviy bog`langan faol modda va optik resonator (ikki ko`zgu) yordamida amalga oshiriladi . Hozirgi zamon kvant elektronikasi 1916-yillarda A.Eynshteyn kashf etgan nurlanishni o`z-o`zidan (spontan) va majburiy nurlanish ( induksiyalangan ) ga ajralishi hodisasiga asoslangan.
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 takomillashib kelmoqda.
2015-yili fizika yо‘nalishida uch yaponiyalik olim Isamu Okasaki, Xiroshi Amono va Shyuji Nakamuralar sazovor bо‘lishdi. Olimlar energiya tejovchi va ekologik xavfsiz yorug‘lik manbasi - moviy yorug‘lik diodini ixtiro qilishdi.Lazerning optik rezonatori lazerdan chikayotgan nurlanishning kollimatsiyasini (yо‘nalganligini) ta’minlashi haqida aytib о‘tilgan edi. Yoqut sterjenlardan foydalantanda nurlantirilayotgan yorug‘lik konusining ochilish burchagining difraksion chegarasiga erishish qiyin bо‘lsa ham yorug‘lik dastasi bir necha minutdan (burchak minutlaridan) oshmaydigan darajada yoyiluvchan dasta bо‘ladi. Demak, lazerdan bir kilometr uzoqlikda joylashgan ekranga tushirilgan yorug‘lik dastasi kо‘ndalang kesimining dia- metri hech qanday fokuslovchi optik sistemadan foydalanmaganda ham bir metrga yaqin bо‘ladi.
Nurlanishning lazer berayotgan yorug‘lik dastasining kо‘ndalang kesimida dastaning yoyiluvchanligiga uzviy bog‘liq bо‘lgan fazoviy kogerentligini ta’kidlash zarur Agar lazer yorug‘ligi dastasining yо‘liga noshaffof ekranda kesilgan ikki tor parallel tirqishlar tutilsa, ya’ni Yungning interferensiyani kuzatishga bag‘ishlangan tajribasi birinchi kirish tirqishisiz amalga oshirilsa, bu tirqishlar orqasiga qо‘yilgan ek­randa polosalari aniq-aniq kо‘rinadigan (kontrastli) interferensiya manzarasini kо‘rish mumkin. Bu esa lazerning nurlanishi fazoviy kogerentlikka ega ekanligini bildiradi.
Yoqutli lazer hech qanday qutblovchining yordamisiz chiziqli qutblangan nurlanish beradi. Agar yoqut sterjen yoqut kristalidan kristallning optik о‘qi sterjenning о‘qiga perpendikulyar yoki u bilan 60° burchak tashkil etadigan qilib kesib olingan bо‘lsa. u holda nurlanish chiziqli qutblangan bо‘lib, induksiyaningD vektori kristallning bosh kesimi tekisligiga perpendikulyar bо‘ladi.
Agar hozirgi zamon laboratoriyalarida qо‘llaniladigan yoqutli impuls lazerining xarakteristikalarini (yorug‘lik impulsi­ning quvvati, nurlanish spektrining kengligi, yorug‘lik dastasi­ning fazoviy kogerentligi, uning kollimatsiyasi) yorug‘likning boshqa manbalarining xuddi shunday xarakteristikalari bilan taqqoslaganda optik kvant generatori nurlanishning prinsipial ravishda boshqa turdagi manbasi ekanligi aniq bо‘ladi. Yengil bajariladigan hisoblarning kо‘rsatishicha, absolyut qora jism 0,025 nm spektral intervalda «lazer quvvatidek quvvat» nurlantirishi uchun uning temper aturasi K ga teng bо‘lishi kerak. Lekin ana shunday shart bajarilgan taqdirda ham bо‘lmaydi. Quyosh va lazer yuzlari birligi muvozanatdagi nurlanish oqimi fazoviy kogerent nurlanishining spektral Quvvatlarini solishtirsak, lazer Quyoshga karaganda marta kо‘p nurlanish berishini kuramiz. Lazerning yuqorida kо‘r- satilgan quvvatga ega bо‘lgan fokuslantirilmagan yorug‘lik dasta- sidagi elektr maydoni kuchlaiganligining amplitudasini topsak, uning kattaligi taxminan V/sm ekanligini kо‘ramiz. Taqqoslash uchun Yernnng ekvatordagi yuzi yaqinida ochiq kunda Quyosh yorug‘ligi maydonining kuchlanganligi 10 V/sm ga yaqin ekanligini aytib о‘tamiz. Lazer yorug‘ligi dastasi maydonining kuchlanganligini bir necha tartibga kо‘paytirish mumkin ekanli­gini kelgusida kuramiz. Kristalini optik ravishda uyg‘otishga asoslangan lazerlarni tavsiflashning oxirida aktiv muhitni vujudga keltirishning bu usulini qо‘llash haqidagi ba’zi umumiy xarakterdagi izohlarni aytib о‘tamiz.
Optik uyg‘otishli lazerlarning yuqorida aytilgan turlarida ish bajaruvchi element sifatida yoqutdan tashqari boshka bir qator kristallar hamda boshqa holatdagi moddalar (shishalar, gazlar) qо‘llanishini qayd qilib о‘tamiz.
Optik uyg‘otish usuli uchun atomning kamida uchta energetik sathidan foydalanish juda muhimdir (1-rasm). sath (uch sathli sistemada) uzoq yashovchi, sathlar esa keng bо‘lishi ham muhimdir. Haqiqatan ham, faqat ikkita energetik sathdan foydalanganda optik uyg‘otish hisobiga bu sathlarda statsionar invers bandlik yuzaga keltirish mumkin emas. Uyg‘otuvchi nurlanish oqimi zichligining ortishi fotonlarni yutish aktlarini hamda ularning induksiyalangan chiqish aktlarini kо‘paytiradi. Natijada nurlanishning quvvati cheksiz katta bо‘lganda ham energetik sathlarning bandliklari bir xil bо‘lib qoladi va invers bandlikka erishilmaydi. Bandliklarning farqi о‘z ishorasini о‘zgartirmasligiga bu kattalikning umumiy ifodasi yordamida ishonch hosil qilish mumkin.
Uch va to‘rt energetik holatli (sathli) lazerlarning ishlash prinsipi.
1. Insoniyat tarixida birinchi yaralgan lazer – bu yoqut (rubin) lazeridir. Bu lazerni amerikalik olim T.Meyman 1960-yilda ishga tushirdi. Unda aktiv element sifatida yoqut kristali xizmat qiladi.
Yoqut-bu rangi och qizg‘ish bo‘lgan qattiq kristall moddadir. Uning asosida shaffof bo‘lgan Aℓ₂O₃ kristali – korund yotadi. Agar korund kristalida Aℓ atomlarining kichik bir qismini xrom S𝑟³⁺ ionlari bilan o‘rin almashtirsak, yoqut kristali paydo bo‘ladi. Odatda xrom ionlarining konsentratsiyasi 0,005% atrofida bo‘ladi. Bu kristallning 1 sm³ hajmida taxminan 1019 ta xrom ionlari borligini bildiradi. Ana shu ionlar yoqutga qizg‘imtir rang beradi. Korund kristalida 1sm³ hajmda Aℓ³⁺ ionlaridan taxminan 5∙10²² ta joylashadi, demak, har bir S𝑟³⁺ ioni 5∙10³ ta Aℓ³⁺ ionidan bittasining o‘rnini egallar ekan. Bundan kelib chiqadiki, S𝑟³⁺ ionlari yoqut kristalining panjarasida bir-biridan anchagina uzoqda joylashadi va ular o‘zaro ta’sirlashmaydi desak ham bo‘ladi. Yoqut kristalining yorug‘likni yutish va lyuminessensiya berish xossalari S𝑟³⁺ ionlarining tabiati bilan belgilanadi, boshqacha aytganda, ularning energetik holatlarining bir-biriga nisbatan qanday joylashganligi bilan aniqlanadi. 1.4 - rasmda Аℓ₂О₃kristali panjarasida joylashganС𝑟³⁺ionining energetik sathlari keltirilgan.
Lazer texnologiyasi jarayonlarini shartli ravishda ikki turga bo’lish mumkin. Ularni birinchisida lazer nurini o’ta aniq fokuslash va impulsli rejimda ham, uzluksiz rejimda ham energiyani aniq dozalash imkoniyatidan foydalaniladi. Bunday texnologik jarayonlarda o’rtacha quvvati uncha yuqori bo’lmagan lazerlar: impuls-davriy ishlaydigan gaz lazerlari, neodim kirishmali itiriy-alyuminiy granat kristallaridagi lazerlar qo’llaniladi. Keyingi lazerlar yordamida soatsozlik sanoati uchun yoqut va olmos toshlarda mayda (diametri 1-10 mkm va chuqurligi 10-100 mkm gacha) teshiklar parmalash texnologiyasi va ingichka sim tortish uchun filerlar texnologiyasi ishlab chiqilgan. Kichik quvvatli impuls lazerlar qo’llanadigan asosiy soha mikroelektronika va elektrovakuum sanoatida mitti detallarni kesish va payvandlash, mitti detallarga markalar tushirish bilan bog’liq; poligrafiya sanoati ehtiyojlari uchun raqamlar, harflar, tasvirlar avtomatik tarzda kuydirib tayyorlanadi.
Keyingi yillarda mikroelektronikaning eng muhim sohalaridan biri-fotolitografiyada oddiy yorug’lik manbai o’rniga lazerlardan foydalanilmoqda. Ma’lumki, fotolitografiya usulini qo’llamay turib, o’ta mitti bosma platalar, integral sxemalar va mikroelektron texnikaning boshqa elementlarini tayyorlab bo’lmaydi.
Submikron litografiyadagi keyingi taraqqiyot ekspozitsiyalovchi yorug’lik manbai sifatida lazer nuri vujudga keltiradigan plazmadan tarqaladigan yumshoq rentgen nurlanishidan foydalanish bilan bog’liq. Bu holda rentgen nurlanishining to’lqin uzunligi (0,01-0,001mkm) bilan belgilanadigan ajratish chegarasi juda ulkan bo’ladi.