Urolov shamsiddin zayniddinovich

MIRZO ULUG’BEK NOMIDAGI
O’ZBEKISTON MILLIY UNIVERSITETI
FIZIKA FAKULTETI
OPTIKA VA LAZERLI FIZIKA KAFEDRASI
OPTIKA YO'NALISHI

UROLOV SHAMSIDDIN ZAYNIDDINOVICH

BO'YOQLI LAZERLAR

TOSHKENT – 2015

MUNDARIJA

1. 
   Bo'yoq moddali lazerlar haqida qisqacha malumot ………………… 3
   
2. 
   Bo'yoq molekulasining energetik sathlari ………………………… 4
   
3. 
   Bo'yoq molekulasining energetik sathlarida inversion bandlikni yuzaga kelishi …... …………………………………………………………… 5
   
4. 
   Bo'yoqli lazerlarda optik damlash turlari: …………………………… 6
   

1. 
   Rezonator ichiga teleskop o'rnatgan holda; ………………………… 7
   
2. 
   Rezonator ichiga prizmali kengaytiruvchi sistemani o'rnatgan holda … 9
   

5. Foydalanilgan adabiyotlar ro'yxati …………………………………… 11


1. Bo'yoq eritmasi asosida ishlaydigan lazerga bo'yoq lazeri deyiladi. Aktiv moddaning agregat holatiga ko'ra bo'yoq lazeri suyuqlik lazeridir. Ilk buyoq lazeri 1966 yilda ishga tushirilgan.
Bo'yoq lazerining bir qator ajoyib xususiyatlari mavjud:

• 
  keng spektral oraliqda (binafsha sohasida to infraqizil sohagacha) lazer nurlanishini hosil qiladi;
  
• 
  keng spektral oraliqda lazer nurlanishi o'z chastotasini (to'lqin uzunligini) tekis va uzluksiz o'zgartirish qobilyatiga ega;
  
• 
  nurlanish vaqtini juda qisqa, ya'ni 10^-12 ÷ 10^-13 s gacha qisqartirish mumkin;
  
• 
  bo'yoq eritmalarining majburiy nurlanishini kuchaytirish qobilyati juda yuqoridir.
  

Quyidagi jadvalda majburiy nurlanishni kuchaytiruvchi bo'yoq aktiv moddalari va ularning generatsiya sohalari keltirilgan.

Bo'yoqlar	Lazer nurlanishining to'lqin uzunligi, (nm)	Lyuminestsentsiya spektrining maksimumiga mos kelgan to'lqin uzunligi, (nm)	Optik damlashning to'lqin uzunligi,(nm)
Kumarin 2 Kumarin 1 Kumarin 102 Kumarin 30 Kumarin 7 Kumarin 6 Rodamin Rodamin 6G Rodamin 5 Oksazin1 – 4	435 – 485 450 – 495 470 – 515 495 – 545 505 – 565 520 – 550 540 – 600 570 – 650 600 – 675 695 – 800	450 470 495 515 535 538 570 590 630 750	350 – 365 350 – 365 400 – 420 400 – 420 400 – 420 460 – 515 460 – 515 460 – 515 460 – 515 650 – 670

2. Bo'yoq eritmalari keng spektral oraliqda nurlanish va yutilish qobilyatiga ega. Bo'yoq molekulasining vakili sifatida rodamin 6G molekulasining yutilish va nurlanishining lyuminestsentsiya spektral konturi quyidagi 1 – rasmda keltirilgan. Bo'yoq molekulasining nurlanishi tashqi yorug'lik ta'sirida, ya'ni optik damlash tufayli sodir bo'ladi. Optik damlash to'xtatilishi bilan lyuminestsentsiya nurlanishi ham to'xtaydi.


1 – rasm. Rodamin 6G ning etil spirtidagi eritmasining yutilish va flyuorestsentsiya xarakteristikalari. Bu yerda σ_a yutilish kesimi, σ_e singlet – singlet majburiy nurlanish kesimi va σ_T triplet – triplet yutilish kesimi.
Bo'yoq molekulasining keng spektral oraliqda nur yutishi va nur chiqarishi molekulaning energetik sathlari orqali va energetik sathlarining kengligi orqali tushuntiriladi. 2 – rasmda bo'yoq molekulasining energetik sathlari ko'rsatilgan. Bo'yoq molekulasi elektron, tebranish va aylanish kabi energetik sathlarga ega. Aylanish energetik sathlari tebranish energetik sathlariga nisbatan zich joylashib ingichka chiziqchalar orqali ifodalangan. Elektron energetik sathlari vertikal yo'nalishda bir – biridan ancha katta oraliqda joylashgan.

2 – rasm. Bunda a) bo'yoq moddasining energetik sathlarining sxematik ko'rinishi. b) bo'yoq moddasining energetik sathlarining konfiguratsion koordinatalardagi ko'rinishi.
3. Asosiy elektron – tebranish energetik sathi S₀ va uyg'ongan elektron – tebranish energetik sathlari S₁ va S₂ singlet holatlardir. Har bir elektron energetik sathi qator tebranish va aylanish energetik sathlachalardan iborat. Tebranish energetik sathlarining oralig'i 1400 ÷1700 sm^-1 bo'lsa, aylanish energetik oralig'i esa 14÷17 sm^-1. Bo'yoq molekulasining nurlanishi va nur yutishi uzluksiz spektrni hosil qiladi. Energetik sathdagi elektronlarning spin kvant sonlari yig'indisi S=0 bo'lsa, multipletligi 2S+1=1 bo'ladi, shu holatga singlet elektron energetik sath deyiladi. Yig'indi spin S=1 bo'lsa, multipletligi 2S+1=3 bo'ladi va shu holatga triplet elektron energetik sath deyiladi. Har bir uyg'ongan singlet holatga bitta triplet holat to'g'ri keladi, lekin triplet holat energiyasi singlet holat energiyasidan kichikdir. Triplet energetik holat T harfi bilan belgilanadi.
Tanlash qoidasiga ko'ra, faqat singlet – singlet o'tish ruxsat etilgan bo'lib, ∆S=0. Singlet – triplet o'tish man etilgan. Shu tanlash qoidasiga asosan, bo'yoq molekulalari yorug'lik to'lqini ta'sirida S_o holatdan uyg'ongan S₁ energetik holatga o'tadi. Uyg'ongan molekula 10^-12 s davomida eng pastki S_o tebranish energetik sathiga nurlanmasdan qaytadi. S₁ sathning yuqori qismiga uyg'otilgan elektron bu sathning quyi qismiga nurlanmasdan o'tadi hamda shu S₁ satning quyi qismida elektronlar to'planib boradi. S₁ va S_o orasida invers bandlik yuzaga keladi. bu to'plangan elektronlar S_o asosiy holatga nurlanib o'tadi. ushbu nurlanish lazer generatsiyasini hosil qiladi. Lyuminestsentsiya nurlanishining spektral konturi bo'yoq eritmasidagi majbutiy nurlanishning kuchayish koeffitsienti konturiga aynan mos keladi.
Uyg'ongan energetik holatdagi molekulalar boshqa molekulalar bilan to'qnashib singlet S₁ holatdan triplet T₁ holatga (singlet – triplet konversion o'tish) o'tishni ham ta'minlaydi. Tanlash qoidasiga asosan S₁ → T₁ o'tish man etilgandir. Singlet – triplet konversion o'tishi nurlanmasdan sodir bo'ladi. Molekulalar o'zaro to'qnashishi sababli yana T₁ → S_o o'tish ham kuzatiladi. T₁ → S_o o'tish fosforestsentsiya nurlanishi hosil qiladi. T₁ → S_o o'tish man etilgan shuning uchun fosforestsentsiya uzoq vaqt davomida nur chiqarish qobilyatiga ega bo'ladi. Bo'yoq molekulasida bo'ladigan S₁ → T₁ o'tish aktiv molekulalarning sonini kamayishiga olib keladi. T₁ → T₂ o'tish ham mavjud va bu o'tish lyuminestsetsiya nurlanishini yutadi. S_o → S₁ o'tish tashqi yorug'lik nurining bo'yoq eritmasidagi yutilishi tufayli mavjud. Bo'yoq molekulasining yutish kesimi σ_a = 5 ·10^-19 sm². Uyg'ongan molekulaning S₁ sathda yashash vaqti τ₁ bir necha nanosekund. S₁ → T₁ o'tish vaqti esa τ₂ ~ 100 nanosekund bundan ko'rinadiki τ₁<<τ₂ bo'lgani uchun S₁ holatdagi molekulalar tezda S_o asosiy holatga o'tadi va ko'pchilik uyg'ongan molekulalar lyuminestsentsiya nurlanishida bir vaqtda qatnashadi. S_o → S₁ ga spontan o'tishining relaksatsiya vaqti τ_sp ~ 1 nanosekund. Spontan S_o → S₁ o'tish vaqti τ_sp va S₁ sathda yashash vaqti τ₁ deyarli bir – biriga teng bo'lganligi uchun kvant chiqish qiymati: Ф = τ₁/τ_sp ~ 1. Shunga ko'ra lazer nurlanishinig chastotasi lyuminessentsiya nurlanish konturining aynan markaziy qismidan o'rin olgan.
4. Bo'yoq molekulasini uyg'otish uchun optik damlashdan (impulsli chaqmoq lampasidan yoki lazer nuridan) foydalaniladi. Ayniqsa keyingi ilmiy – amaliy tajribalarda, tekshirishlarda qo'llaniladigan bo'yoq lazeri implusli gaz lazerining nurlanishi yordamida ishga tushiriladi. Bo'yoq molekulasini uyg'otishda eng samarali optik damlash manbalariga N₂ lazeri, Eksimer lazerlari va qattiq jism lazerlarining garmonikalari kiradi.
a. Shu lazerlar ichida eng qulayi va texnologik jihatdan oson bo'lgani azot lazeridir. Quyidagi 3 – rasmda azot lazeri yordamida uyg'otiladigan bo'yoq lazerining sxematik tuzilishi ko'rsatilgan.

3 – rasm. Bo'yoq lazerini azot lazeri bilan damlash sxemasi. 1 – bo'yoq eritmasi solingan idish, 2 – rezonator ko'zgusi, 3 – difraksion panjara, 4 – teleskop, 5 – slindrik linza, N₂ – azot lazeri.
Bo'yoq lazeri optik damlash vazifasini bajaruvchi azot lazeridan, bo'yoq eritmasi joylashgan kyuvitadan, teleskopdan, difraksion panjaradan va yassi shisha plastinadan iborat. Azot lazeridan chiqayotgan ultrabinafsha nurni bo'yoq eritmasi joylashgan kyuvitaga slindrik linza yordamida fokuslab optik damlashni ta'minlaydi. Eritma joylashgan kyuvita kvartsdan yasalgan. Rezonatordagi teleskopning vazifasi lazer kyuvitasidan chiqayotgan tor dastali lazer nurini kengaytirib, sochib difraksion panjaraga yo'naltiradi. Difraksion panjara dispersiyali rezonatorni hosil qiladi. Difraksion panjara o'z o'qi atrofida bir tekis burilib, o'ziga tushgan majburiy nurlanishning to'lqin uzunligini tanlab hamda difraksiyalagan holda lazer kyuvitasiga yo'naltiriladi. Difraksion panjara generatsiya davomida o'z o'qi atrofida kichik burchakga buralib, generatsiya chastotasini o'zgartiradi. Difraksion panjarasi selektiv rezonatorning ishlash jarayonini qaraymiz. Dastavval difraksion panjaraning ishlashini qaraymiz. Difraksion panjara avtokollimatsion rejimda va birinchi tartibda ishlaydi. Panjaraga tushgan yorug'lik difraksiyalangandan keyin yana iziga qaytsa, Avtokollimatsiya rejimi deyiladi. Shu rejimdagi difraksiya sharti quyidagicha bo'ladi:

Bu yerda m – difkafsiya taribi, d – difraksion panjara doimiysi, φ – difraksiya burchagi. Burchak dispersiyasi:

Bu formula yordamida difraksion panjarali rezonatordan chiqqan lazer nurlanishining spektral ,kengligi aniqlanadi:

Difraksion panjaraning ajrata olish qobilyati:

Bu yerda N – generatsiyada qatnashayotgan difraksion panjaraning tirqishlar soni. (4) ifodani to'lqin soniga bog'lab quyidagicha yozib olish mumkin:

Difraksion panjaradagi tirqishlar soni N, rodamin bo'yoq lazerining to'lqin uzunligi λ = 600nm, difraksiya tartibi m = 1. Teleskop yordamida difraksion panjara yuzini yoritayotgan yorug'lik dastasining o'lchami D₁ ni 3 – b. rasmdan topsak :


(6) va (7) ifodalarni birga yechib:

Bu yerda D₀ – difraksion panjaraning tirqishlari joylashgan qismining uzunligi. Agar difraksion panjara davri d = 1/1600 mm, olib yuqorida keltirib o'tilgan to'lqin uzunlik uchun (5) ÷ (8) formulalardan hisoblab quyidagi natijalarni olishimiz mumkin: D₀ = 30 mm, D₁ = 25 mm, lazer nurining spektral kengligi d𝜈_gen = 1 sm^-1.
b. Bo'yoqli lazerlarda rezonator ichiga teleskop o'rniga prizmali kengaytiruvchi sistemalar ham qo'llaniladi. Prizmali kengaytiruvchi sistemaning teleskopli sistemaga nisbatan ustunligi bor. Prizmaning qirralariga dielektrik moddani o'rnatib, prizma qirralaridan yorug'likni qaytishini kamaytirish mumkin. Prizmaning qirralariga Bryuster burchagi ostida nur yuborilib, lazer nurining to'la o'tishini ta'minlash mumkin. Prizmalardan yoruglikning qaytishini kamaytirish lazer nurlanishidagi yo'qotish koeffitsientini kichiklashtirishga olib keladi va generatsiyani effektivligi ortadi.
Quyidagi 4 – rasmda prizmali kengaytirish asosida ishlaydigan dispersiyali bo'yoq lazerining sxematik ko'rinishi ifodalangan.

4 – rasm. Prizmali kengaytiruvchidan iborat bo'yoq lazerining sxematik ko'rinishi.

Yuqoridagi sxema asosida bo'yoq lazerining ishlash jarayonini qarab chiqamiz. Rezonatorda yassi to'lqinni hosil qilish uchun bitta sferik linzani rezonator ichiga joylashtiriladi. O'sha linzadan oltita uch qirrali shisha prizma o'rnatiladi. Prizmalarga kiruvchi yorug'lik dastasining diametri D quyidagi formula yordamida aniqlanadi;

Bu yerda, a – lazer kyuvitasidan chiqayotgan nur dastasining radiusi, f – linzaning fokus masofasi (odatda a = 0.1mm; λ = 600 nm).
Qutblangan lazer nuri bitta uch qirrali prizmadan o'tishida nurning chiziqli kattalashishi sxematik ravishda 4 – b. rasmda ko'rsatilgan. Lazer nuri prizmaga Bryuster burchagi ostida tushadi. Prizmaning chiziqli kattalashtirish koeffitsienti prizmaning sindirish ko'rsatkichiga proporsionaldir:

yoki

Olti prizmaning kattalashtirishi esa

Prizmali kengaytiruvchining kattalashtirishi 27.6 ga teng. Agar shu tipdagi rezonatorga Fabri – Pero interferometrini kiritsak, lazer nurlanishining spektri juda ham tor bo'ladi.
Demak, dispersiyali rezonatorlar bo'yoq lazeridan qisqa spektral kenglikdagi lazer nurlanishini olish imkoniyatini beradi.
Rezonatorga Fabri – Pero interferometrini kiritilsa, plastinaning o'tkazish konturi bir – biridan

oraliqda joylashadi. Bo'yoq lazeri generatsiyasining spektrini Fabri – Pero interferometri yordamida qisqartirish mumkin, d𝜈_gen – generatsiya spektral kengligiga Fabri – Pero plastinasining bitta o'tkazish konturi joylasha oladi va generatsiya spektri juda qiaqaradi, monoxromatikligi esa yanada ortadi. Quyidagi hisoblashdan spektral kenglik aniqlanadi: interferometr ko'zgularining qaytarish koeffitsienti R₁ = R₂ = 0.9 ko'zgular orasidagi masofa L = 0.3 sm, L = 0.45 sm. Fabri – Pero interferometrining o'tkazish spektral kengligi quyidagi formuladan aniqlanadi:

Demak, difraksion panjara va Fabri – Pero interferometri yordamida bo'yoq lazeri spektrini birmuncha qisqartirish va lazer nurlanishining monoxromatikligini oshirish mumkin.
Dispersiyali rezonator yordamida bo'yoq lazeri nurlanishining chastotasini uzluksiz o'zgartirish mumkin. Buning uchun difraksion panjara va interferometr rezonator o'qiga burchak hosil qilib qaytgan nurlar rezonatordan chiqib yo'qoladi va rezonator o'qiga parallel qaytganlari esa generatsiyada ishtirok etib kuchayadi va lazer nurlanishini hosil qiladi. Shu usulda generatsiya to'lqin uzunligi uzluksiz o'zgarib boradi.
5. Foydalanilgan adabiyotlar ro'yxati.

1. 
   2. Л.В.Тарасов. Четырнадцать лекций о Лазерах.
   
2. 
   3. Светцов В. И. Оптическая и Квантовая электроника.
   
3. 
   4. О.Звелто “Принципы лазеров’’ (4 – ое издание) 2008 г..
   
4. 
   Прохоров А.М. – “ справочник по лазерам’’
   
5. 
   Качмарек Ф. “ Введение в физику лазеров’’ 1980 г.