Referati mavzu: Azot lazeri Tekshirdi: dots. I. A. Solovyov Bajardi: Rahimov N

2. Lazerlarning ishlash printsipi
Lazer operatsiyasining jismoniy asosi - bu hodisa majbur, yoki induktsiya, radiatsiya. Uning mohiyati nimada? Qanday nurlanish stimulyatsiyalangan deb ataladi? Barqaror holatda moddaning atomi eng kam energiyaga ega. Bunday davlat ko'rib chiqiladi asosiy, va boshqa barcha davlatlar hayajonlangan. Agar biz ushbu holatlarning energiyasini solishtirsak, unda qo'zg'aluvchan holatda u asosiy holatga nisbatan haddan tashqari ko'pdir. Atom hayajonlangan holatdan barqaror holatga o'tganda, atom o'z-o'zidan foton chiqaradi. Bu elektromagnit nurlanish deyiladi spontan emissiya. Agar hayajonlangan holatdan barqaror holatga o'tish tashqi (induktsiya) foton ta'sirida majburiy ravishda sodir bo'lsa, u holda energiyasi o'tish darajalari energiyalari farqiga teng bo'lgan yangi foton hosil bo'ladi. Bunday nurlanish deyiladi majbur . Yangi foton - bu emissiyaga sabab bo'lgan fotonning "aniq nusxasi". U bir xil energiya, chastota va fazaga ega. Biroq, u atom tomonidan so'rilmaydi. Natijada, allaqachon ikkita foton mavjud. Boshqa atomlarga ta'sir qilib, ular yangi fotonlarning keyingi paydo bo'lishiga olib keladi. Atom qo'zg'aluvchan holatda bo'lganida, induksion foton ta'sirida atom tomonidan yangi foton chiqariladi. Qo'zg'atmagan holatda bo'lgan atom shunchaki induksiya qiluvchi fotonni o'zlashtiradi. Shuning uchun yorug'lik kuchayishi uchun qo'zg'aluvchan atomlarga qaraganda ko'proq qo'zg'atilgan atomlar bo'lishi kerak. Bunday davlat deyiladi populyatsiya inversiyasi.[5]
Lazer dizayni 3 elementni o'z ichiga oladi:
1. Lazerning "nasos" mexanizmi deb ataladigan energiya manbai.
2. Lazerning ishchi organi.
3. Ko'zgular tizimi yoki optik rezonator.
Energiya manbalari har xil bo'lishi mumkin: elektr, issiqlik, kimyoviy, yorug'lik, va hokazo. Ularning vazifasi lazerning ishchi tanasini energiya bilan "pompalash" va unda lazer nuri oqimining paydo bo'lishiga olib keladi. Energiya manbai deyiladi mexanizmilazerni "pompalash" . Ular bo'lishi mumkin kimyoviy reaksiya, boshqa lazer, flesh-chiroq, elektr uchqun bo'shlig'i va boshqalar. ishlaydigan suyuqlik , yoki lazer materiallari , vazifalarni bajaradigan moddalarni nomlang faol muhit. Lazer nurlari aynan ishchi organda paydo bo'ladi. Bu qanday sodir bo'ladi? Jarayonning eng boshida ishchi suyuqlik termodinamik muvozanat holatida bo'ladi va atomlarning aksariyati normal holatda bo'ladi. Radiatsiyani keltirib chiqarish uchun tizim bir holatga o'tishi uchun atomlarga ta'sir qilish kerak populyatsiya inversiyalari. Bu vazifa lazerli nasos mexanizmi tomonidan amalga oshiriladi. Bir atomda yangi foton paydo bo'lishi bilanoq, u boshqa atomlarda fotonlarni ishlab chiqarish jarayonini boshlaydi. Bu jarayon tez orada qor ko'chkisiga aylanadi. Ishlab chiqarilgan barcha fotonlar bir xil chastotaga ega bo'ladi va yorug'lik to'lqinlari juda katta quvvatga ega yorug'lik nurini hosil qiladi. Lazerlarda faol muhit sifatida qattiq, suyuq, gazsimon va plazmali moddalar ishlatiladi. Misol uchun, 1960-yilda yaratilgan birinchi lazerda faol vosita yoqut edi. Ishchi suyuqlik quyiladi optik rezonator . Ulardan eng oddiy ikkita parallel oynadan iborat bo'lib, ulardan biri shaffofdir. U yorug'likning bir qismini aks ettiradi va bir qismini uzatadi. Ko'zgularni aks ettirgan holda, yorug'lik nuri qaytib keladi va kuchayadi. Bu jarayon ko'p marta takrorlanadi. Lazerning chiqishida juda kuchli yorug'lik to'lqini hosil bo'ladi. Rezonatorda ko'proq nometall bo'lishi mumkin. Bundan tashqari, lazerlarda boshqa qurilmalar - aylanish burchagini o'zgartirishi mumkin bo'lgan nometall, filtrlar, modulyatorlar va boshqalar ishlatiladi.Ularning yordami bilan siz to'lqin uzunligini, pulsning davomiyligini va boshqa parametrlarni o'zgartirishingiz mumkin. Zamonaviy lazerlar mikroskopik yarimo'tkazgichli lazerlardan tortib, futbol maydonidagi ulkan neodimiy lazerlarga qadar turli o'lchamlarga ega. Zamonaviy hayotni lazersiz tasavvur qilib bo'lmaydi. Lazer texnologiyalari turli sohalarda qo'llaniladi: fan, texnologiya, tibbiyot. Kundalik hayotda biz lazerli printerlardan foydalanamiz. Do'konlar lazer shtrix-kodni o'qish moslamalaridan foydalanadi. Sanoatda lazer nurlari yordamida sirtni eng yuqori aniqlikda (kesish, purkash, qotishma va boshqalar) ishlov berish mumkin. Lazer kosmik ob'ektlargacha bo'lgan masofani santimetr aniqligi bilan o'lchash imkonini berdi. Tibbiyotda lazerlarning paydo bo'lishi juda o'zgardi. Zamonaviy jarrohlik amaliyotini lazer skalpellarisiz tasavvur qilish qiyin, ular eng yuqori sterillikni ta'minlaydi va to'qimalarni aniq kesadi. Ularning yordami bilan deyarli qonsiz operatsiyalar amalga oshiriladi. Lazer nurlari yordamida tananing tomirlari xolesterin plitalaridan tozalanadi. Lazer oftalmologiyada keng qo'llaniladi, u erda ko'rishni to'g'rilash, retinal ajralishlar, katarakta va boshqalarni davolash uchun ishlatiladi.Uning yordami bilan buyrak toshlari eziladi. Bu neyroxirurgiya, ortopediya, stomatologiya, kosmetologiya va boshqalarda ajralmas hisoblanadi. [2]
An'anaviy diodaning anodiga ijobiy potentsial qo'llanilganda, diod oldinga egilgan deyiladi. Bunday holda, p-mintaqadagi teshiklar p-n o'tishning n-hududiga, n-hududidan elektronlar esa yarimo'tkazgichning p-hududiga AOK qilinadi. Agar elektron va teshik "yaqin" bo'lsa (tunnel qilish mumkin bo'lgan masofada), ular ma'lum bir to'lqin uzunlikdagi foton (energiya saqlanishi tufayli) va fonon shaklida energiya chiqishi bilan qayta birlashishi mumkin. impulsning saqlanishi tufayli, chunki foton impulsni olib ketadi) . Bu jarayon spontan emissiya deb ataladi va LEDlarda nurlanishning asosiy manbai hisoblanadi. Biroq, ma'lum sharoitlarda, elektron va rekombinatsiyadan oldingi teshik kosmosning bir mintaqasida juda uzoq vaqt (mikrosekundlargacha) bo'lishi mumkin. Agar hozirgi vaqtda kerakli (rezonansli) chastotali foton fazoning ushbu hududidan o'tsa, u ikkinchi fotonning chiqishi bilan majburiy rekombinatsiyaga olib kelishi mumkin va uning yo'nalishi, polarizatsiya vektori va fazasi birinchisining bir xil xususiyatlariga to'liq mos keladi. foton. [4]
Lazerli diodda yarimo'tkazgichli kristall juda nozik to'rtburchaklar plastinka shaklida amalga oshiriladi. Bunday plastinka asosan optik to'lqin o'tkazgich bo'lib, bu erda nurlanish nisbatan kichik bo'shliqda cheklangan. Kristalning yuqori qatlami n-mintaqani hosil qilish uchun doplanadi va pastki qatlamda p-mintaqasi hosil bo'ladi. Natijada katta maydonning tekis p-n birikmasi hosil bo'ladi. Kristalning ikki tomoni (uchlari) silliq parallel tekisliklarni hosil qilish uchun silliqlanadi, ular Fabri-Perot rezonatori deb ataladigan optik rezonatorni hosil qiladi. Ushbu tekisliklarga perpendikulyar bo'lgan o'z-o'zidan emissiyaning tasodifiy fotonlari butun optik to'lqin o'tkazgichdan o'tadi va u chiqishdan oldin uchidan bir necha marta aks etadi. Rezonator bo'ylab o'tib, u stimulyatsiya qilingan rekombinatsiyaga olib keladi, bir xil parametrlarga ega bo'lgan ko'proq fotonlarni yaratadi va nurlanish kuchayadi (rag'batlantiruvchi emissiya mexanizmi). Daromad yo'qotishdan oshib ketishi bilan lazerni yaratish boshlanadi. Lazerli diodlar bir necha turdagi bo'lishi mumkin. Ularning asosiy qismida qatlamlar juda nozik holga keltiriladi va bunday struktura faqat bu qatlamlarga parallel yo'nalishda radiatsiya hosil qilishi mumkin. Boshqa tomondan, agar to'lqin uzunligi bilan solishtirganda to'lqin qo'llanmasi etarlicha keng bo'lsa, u allaqachon bir nechta transvers rejimlarda ishlashi mumkin. Bunday diyot multi-mode (inglizcha "multi-mode") deb ataladi. Bunday lazerlardan foydalanish qurilmadan yuqori radiatsiya quvvati talab qilinadigan va nurning yaxshi konvergentsiyasi sharti o'rnatilmagan (ya'ni uning sezilarli darajada tarqalishiga ruxsat berilgan) hollarda mumkin. Bunday qo'llash sohalari: printerlar, kimyo sanoati, boshqa lazerlarni pompalash. Boshqa tomondan, agar nurni yaxshi fokuslash kerak bo'lsa, to'lqin o'tkazgichning kengligi radiatsiya to'lqin uzunligi bilan solishtirilishi kerak. Bu erda nurning kengligi faqat diffraktsiya tomonidan qo'yilgan chegaralar bilan aniqlanadi. Bunday qurilmalar optik xotira qurilmalarida, lazerli belgilarda, shuningdek, tolali texnologiyada qo'llaniladi. Ammo shuni ta'kidlash kerakki, bunday lazerlar bir nechta uzunlamasına rejimlarni qo'llab-quvvatlay olmaydi, ya'ni ular bir vaqtning o'zida turli to'lqin uzunliklarida nur chiqara olmaydi. Lazerli diodaning radiatsiya to'lqin uzunligi yarimo'tkazgichning p- va n-mintaqalari energiya darajalari orasidagi tarmoqli bo'shlig'iga bog'liq. Nurlantiruvchi element juda nozik bo'lganligi sababli, diodaning chiqishidagi nur diffraktsiya tufayli deyarli darhol ajralib chiqadi. Ushbu ta'sirni qoplash va nozik nurni olish uchun birlashtiruvchi linzalardan foydalanish kerak. Silindrsimon linzalar ko'pincha multimodli keng lazerlar uchun ishlatiladi. Yagona rejimli lazerlar uchun nosimmetrik linzalardan foydalanganda nurlar kesimi elliptik bo'ladi, chunki vertikal tekislikdagi divergensiya gorizontaldagi farqdan oshib ketadi. Bu lazer ko'rsatgich nuri misolida eng aniq ko'rinadi. Yuqorida tavsiflangan eng oddiy qurilmada optik rezonatorning qiymat xarakteristikasi bundan mustasno, bitta to'lqin uzunligini ajratib bo'lmaydi. Biroq, bir nechta uzunlamasına rejimlarga ega bo'lgan qurilmalarda va etarlicha keng chastota diapazonida nurlanishni kuchaytirishga qodir bo'lgan materiallarda bir nechta to'lqin uzunliklarida ishlash mumkin. Ko'p hollarda, shu jumladan, eng ko'zga ko'ringan lazerlar, ular bitta to'lqin uzunligida ishlaydi, ammo bu kuchli beqarorlikka ega va ko'plab omillarga bog'liq - joriy kuchning o'zgarishi, atrof-muhit harorati va boshqalar So'nggi yillarda eng oddiy lazer dizayni. Yuqorida tavsiflangan diod ko'plab yaxshilanishlarga duch keldi, shuning uchun ularga asoslangan qurilmalar zamonaviy talablarga javob berishi mumkin. Muvozanat holatidagi va tashqi yon ta'sir ostidagi tarmoqli diagrammalar
P-n o'tish joyidagi oldinga egilish elektr tokini ta'minlash uchun etarlicha katta bo'lganda biz o'tkazuvchanlik zonasi (yoki valentlik bandi orqali teshiklar) orqali tarqalamiz, oqim oqimining in'ektsiya xarakteri sodir bo'ladi (1-rasmga qarang).
Guruh. 1: p-n o'tishning tarmoqli diagrammasi: a) egilishsiz, b) musbat moyillik bilan. Tokning chegaraviy zichligini kamaytirish uchun heterostrukturalarga asoslangan lazerlar amalga oshirildi (bitta hetero-birikma bilan – n-GaAs–pGe, p-GaAs–nAlxGa1-xAs; ikkita hetero-birikma bilan – n-AlxGa1-xAs – p-GaAs – p-Ga- AlxGa1-xAs.Geterobog'lanishdan foydalanish engil qo'shilgan lazer diodli emitter bilan bir tomonlama in'ektsiyani amalga oshirish va chegara tokini sezilarli darajada kamaytirish imkonini beradi.Sxematik ravishda, bunday lazerning ikki tomonlama heterobirikmali tipik konstruktsiyalaridan biri quyidagi rasmda ko'rsatilgan. Ikki geterobirikmaga ega strukturada tashuvchilar faol d hududi ichida to`plangan bo`lib, har ikki tomondan potentsial to`siqlar bilan chegaralangan nurlanish ham uning chegarasidan tashqariga sinish ko`rsatkichining sakrashga o`xshash kamayishi tufayli shu hudud bilan chegaralanadi. Bu cheklovlar stimulyatsiya qilingan nurlanishning kuchayishiga va shunga mos ravishda pol zichligining pasayishiga yordam beradi.Hetero-birikma hududida to'lqin o'tkazuvchi effekt paydo bo'ladi va lazer nurlanishi geterobirikmaga parallel ravishda tekislikda sodir bo'ladi. [3]