Ярим ўтказгичли лазер

Газли лазерлар

Газ билан ишловчи лазерлар учун, актив элемент сифатида ёки газ аралашмалари ёки пар холатидаги моддадан фойдаланилади. Газли мухит узлуксиз стимуллашган нур олиш жараёнини енгиллатиради, чунки мадда атомларини қўзғалган холатга келтириш учун кам миқ дорда энергия талаб этилади. Актив мухит сифатида биринчи бўлиб, гелий ва неон газлари аралашмаларидан фойдаланилган. Гелий атоми газли разряд жараёнида электронлар ёрдамида қўзғалган холга келади ва асосий сатх 1дан юқоридаги 2 сатхга ўтади. Гелий атомининг неон атомлари билан тўқнашганда юқорида жойлашган жойлашган тўрт сатхдан бирига ўтади (Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует. .3).
Амалиётда, кўпгина техник сабаблар бундай тор He–Ne лазерининг спектрал оралиқда ишлашга халақит беради [249]. Шунинг учун лазер қурилмасининг ҳамма параметрларини тўлиқ стабиллаштириш натижасида нисбий спектрал кенгликка Δν / ν тахминан 10^–14–10¹⁵ эришилади, бу назарий ўлчов қийматидан 3-4 карра паст натижани беради [85, 91, 92].

Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..3. Гелий-неон газ аралашмасининг энергетик
сатхлари схемаси.
Аммо реал эришилган He–Ne лазерининг монохромативлиги бу қурилмани кўпгина илмий ва техник масалаларни ечишда асосий қурилма бўлиб ҳисобланади. Биринчи He–Ne лазери 1961 йили яратилган. Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует. .4 да гелий- неон лазерининг соддалаштирилган схемаси ва инверс холатни юзага келтириш механизми келтирилган.
E₄ → E₃ сатхга неон атомида ўтиш жараёнин накачкаси қуйидагича амалга оширилади.
Юқори кучланишли электор разрядида электронлар билан тўқнашиш сабаблигелий атомларининг бир қисми юқорида жойлашган метостабил холатга E₂ га ўтади. Қўзғатилган гелий атомлари асосий холатда турган неон атомлари билан ноэластик тўқнашади ва унга ўз энергиясини беради. Неоннинг E₄ сатхи, гелийнинг метостабил E₂ сатхидан 0,05эВ юқорида жойлашган.

Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..4. He – Ne лазерининг накачка механизми.Тўғри стрелка билан неон атомидаги ўз- ўзидан ўтиш жараёнлари кўрсатилган.
Энергиянинг етмаган қисми тўқнашаётган атомларнинг кинетик энергияси хисобидан компенсация қилинади [60]. Неоннинг E₄ сатхида, E₃сатхга нисбатан инверс холат юзага келади ва у қуйида жойлашган сатхлардаги ўз-ўзидан нурланиш жараёни сабабли камаяди. Юқори даражадаги накачка холатида, гелий-неон газлари аралашмасида когерент фотонларнинг лавинасифат кўпайиши жараёни юзага келади. Агар газлар аралашмаси жойлаштирилган махсус кювета юқори нурни қайтараолиш хусусиятига эга бўлган кўзгулар орасига жойлаштирилса, лазер генерацияси юзага келади. Шу сабаб, мкки заррачанинг ўзаро тўқнашиши натижасида энергиянинг тақсимланиши умумий ички энергиянинг кичик миқдорда ўзгаришига олиб келади ва неон атомлари асосан 2 –сатхга ўтиб жойлашади, 3- ёки 4- сатхга эмас. Натижада 2-сатхнинг юқори қисмида жойлашган атомлар сони қиймати ошиб боради.Неон атомларининг 2- сатхдан ,3 сатхнинг қуйи қисмига ўтиши ва 3- сатхдан 4- сатхга ўтишида нурланиш вужудга келади [61]. Назарий томондан олиб қаралганда, 30дан ортиқ ўтиш жараёни мавжуд бўлиб масалан, 2-сатхнинг ўзи тўртта сатх ости, 3-сатх эса 10 сатх ости сатхларидан иборат. Аммо шу айтиб ўтилган сатхлардан фақат 5 та ўтиш жараёнидагина стимуллашган нурланиш юзага келади, бу нурланишлар асосан қуйидаги тўлқин узунликларига тўғри келади: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм.
Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует. .5 да гелий-неон лазерининг схемаси келтирилган, У газ разрядли трубкадан иборат бўлиб,электродларга юқори частотали электор майдони берилади, трубканинг икки уч томонига трубкадан ташқарига сфера шаклидаги қайтарувчи кўзгу жойлаштирилади. Трубканинг чиқиш ойналари қурилманинг оптик ўқига нисбатан Брюстер бурчаги остида ўрнатилади. Бундай жойлаштириш,ёруғлик нури оқимини, оптик резанаторда кўп маротаба қайтаргич кўзгулари орасида ҳаракатланганида, йўқотишлар қийматини камайтиришга олиб келади [62]. Газли лазер генерацияси нури, ёқутли лазер генерацияси нуридан генерация режими билан (узлуксиз), юқори даражадаги монохромативлиги, когерентлиги ва кичик бурчак остида тарқалиши билан фарқ қилади. Унинг кичик бурчак остида тарқалиши бир бурчак минутидан ошмайди. Бундай лазернинг қуввати О,5- 1О мВт бўлиб, ишлаш қуввати эса 40–90 Вт бўлади.

Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..5. Гелий-неон лазерининг схемаси: 1-гелий-неон аралашмаси солинган шишали кювета, электор манбаи уланганда юқори кучланишли разряд юзага келади, 2-катод, 3-анод, 4-сфера шаклидаги нурни қайтарувчи кўзгу 0,1% тушган нурни ўтказади, 5-сфера шаклидаги иккинчи кўзгу тушган нурни 1- 2 % ни ўзидан ўтказади.

Замонавий юқори стабиллийликка эга бўлган гелий-енон лазерлари моноблок тарзда ишлаб чиқарилади. Бунинг учун кенгайиш температураси коэффициени нулга яқин бўлган шиша материалидан фойдаланилади. Шиша бўлагига тўғри бурчакли параллелепипед шаклидаги канал очилади ва унинг ён томонига оптик контакт усулида лазер қурилмасининг кўзгуси ёпиштирилади.Канал гелий-неон газ аралашмаси билан тўлдирилади [63, 94, 95]. Шундай моноблок конструкция юқори механик ва иссиқлик стабиллийлигига эга. Актив элемент сифатида, амалиётда барча барча инерт газлардан фойдаланиш мумкин. Хозорда тоза неондан, криптондан, ксенондан, аргондан, гелий-ксенонли аралашмадан, аргог ва кислородли аралашмадан ва бошқалардан Цезий паридан, сувдан, симибдан, С0₂ дан лазер нури олирган.

Замонавий газли–газодинамик, электродинамик ва электрионизацияли лазерлар қаттиқ жисмли лазерларга қараганда юқори қувватга эга бўлган лазер нурини генерация қилади (2000 Дж гача). Уларнинг ф.и.к. юқори (50%) гача етади. Азот ва СО газлари аралашмаси билан ишловчи лазерларнинг тўлқин узунлиги 10,6мкм бўлиб, улар узлуксиз режимда ишлайдилар ва юқори (75%) Ф.И.К.га эга.
1970 йилларнинг ўртасига келиб, СССР ва АҚШ да юқори босимда (бир неча ўн атмосферада ишлайдиган) С0₂-лазери ишлаб чиқарилди ва улар электроионизацион лазерлар деб юритилабошланди [64]. Актив мухитни юқори босимда ишлаши накачка тизимиини принципиал мураккаб тизимини яратишни талаб қилди. Бундай лазер тизимида молекулаларни қўзғатиш икки этапда амалга оширилди. Биринчи этапда актив мухит, юқори қувватли электронлар билан махсус электрон кучайтиргич ёрдамида актив холатга келтирилди. Бунда юқори энергияли электронлар актив мухитга таъсир этиб,ўз йўлида учраган газ молекулалари билан тўқнашади ва уларни ионлаштиради, натижада мухит хажми бўйича иккиламчи электронлар хосил бўлади. Бундай олдиндан ионлаштириш, кейинчалик актив муҳитда содир бўладиган бир текис разряд ёнишини таъминлашга шароит яратиб беради. Шундай қилиб, электроионизацион лазерларни яратилиши, юқори қувватли энергияга эга бўлган лазерлар яратишда янги йўл очиб берди [65].
Бундай лазерларнинг ишчи мухити бўлиб, ишчи қўшилувчи атомлар қўшилган суюқ диэлектриклар хизмат қилади. Баъзи бир суюқликларда ер ишқорий элементларни суюлтириб, энергетик сатхлар структурасини худди қаттиқ диэлектриклардаги хос структура олиш мумкин. Шунинг учун суюқлик билан ишловчи лазерларнинг ишлаш принципи, қаттиқ жисмли лазерларнинг ишлаш принцига ўхшаш бўлади. Суюқлик билан ишловчи лазерлар қатор авзалликларга эга; бринчидан уларни ишлаб чиқаришқа ҳеч қандай кристалларни ўстириш керак эмас, иккинчидан актив мухит билан ҳар қандай хажимни тўлдириш мумкин, бу эса ўз навбатида актив мухитни циркуляция натижасида совутиш имконини беради ва бошқалар. Суюқ актив мухитни гадолиний, неодим, самарий аралашмалари билан олиш усули яратилган. Тажрибада стимуллашган лазер нурини олиш учун, актив мухит сфера шаклидаги кўзгули резонатор ичига жойлаштирилади [66]. Агар лазер аппарати узлуксиз режимда ишлайдиган бўлса, актив мухит махсус совутиш тизими ёрдамида совутилади. Суюқлик билан ишловчи актив мухитли лазер қурилмаси яратилган ва ўрганилган. Бу лазер ёруғликнинг 0,5- 0,58 мкм (спекторнинг байранг нур диапазонида) ишлайди. Бу нур сувдан яхши ўтади ва сувнинг чуқур жойларини ўрганишда ҳамда сув ости локаторларда ишлатишга мўлжалланган. Кейинги пайитларда суюқлик билан ишлайдиган лазер қурилмаларини қўзғалган холга келтиришда қаттиқ жисмли лазер аппаратлари нуридан ҳам фойдаланилмоқда. Бундай холатда актив мухитни қўзғатиш амалга оширилганда,махсус кюветага солинган суюқлик резонатор ичига ёнма-ён жойлаштирилади, резонатор ичига оптик затвор- Керр ячейкаси ҳам жойлаштирилади. Бундай қурилма ёрдамида лазер нурининг импулсли генерацияси олинган, нурнинг қуввати бир неча ўн мегаватт бўлиб, генерация давомийлиги 3-30нс га тенг [67]. Бу нурнинг тўлқин узунлиги 0,69мкм га тенг бўлиб, у маълум миқдордаги актив суюқлик жойлашган кюветага йўналтирилади ва натижада кюветанинг чиқишида бирнеча тўлқин узунлигидаги лазер нурлари чиқади. Бу нурлар частотаси кириб келган нур частитаси йиғиндисига ёки айирмаси ва инфрақизил диапазонда тебранаётган молекулалар частотасига тенг. Таққослаш учун нурларнинг тўлқин узунликларини келтирамиз: 0,74 мкм, нитробензол – 0,76; 0,85; 0,96 мкм, бром-нафталин – 0,76 мкм, циклогексан – 0,86 мкм, бензол – 0,74; 0,88; 0,80 мкм. Бу турдаги лазерларнинг авзалликлари, уларнинг тўлқин узунликларини кюветадаги актив мухит-суюқлик аралашмасини тезда ўзгартириш бўлса, уларнинг иккита камчиликлари бор: суюқ актив мухитнинг юқори лазер интевсивлигига нисбатан турғун эмаслигидадир ва суюқ актив мухитнинг синиш коэффицентини генерация жараёнида иссиқликдан ўзгаришидир. Бундай ўзгариш ўз навбатида, генерация нурини резонатор кўндалак кесими бўйича нурни туриш холатини ўзгаришига олиб келади [68, 96].
Суюқлик билан ишловчи лазерларга бўлган қизиқиш, уларда актив мухитни осон дамлаш ва тизимдаги актив мухитни совутиш ишларини осон амалга ошириш ҳамда лазер нури частотасини текис ўзгартириш имкони борлигидадир.
Қуйида келтирилган Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует. .6. да суюқлик билан ишловчи лазерларнинг турлари ва уларнинг параметрлари келтирилган.



Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..6. Суюқлик билан ишловчи лазерларнинг турлари ва уларнинг параметрлари

Амалиётда, органик бўёқли лазерлар (Dye, Lasers) турли сохаларда кенг қўлланилиб келинмоқда. Турли органик бўёқлар ёрдамида, юқори монохромативликка эга бўлган, лазер генерацияси тўлқин узунлиги диапозонини бир неча ўн нанометрга ўзгартириш имкониятини беради.

Бундай лазерлар,узлуксиз, импульсли режимда ва импульсли давомий режимда ишлай олади. Лазернинг бир импульсдаги энергияси юзлаб джоулга,қуввати эса, узлуксиз режимда ўнлаб Ватт қийматига тенг бўлади.
Мўдалар синхронизацияси режимида ишлаганда, лазер нури импульсидавомийлиги бир неча ўн пикосекунд бўлиши мумкин.
Суюқлик билан ишлайдиган лазер қурилмасининг схемаси Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует. .7. да келтирилган. Органик бўёқли лазерларда ишлатилиб келинаётган органик эритмалар махсус органик эритувчилар ёрдамида тайёрланади. Органик бўёқлар мурвккаб бирикмалар бўлиб, турли кимёвий боғланишларга ва ўзида кўриш диапозонида ёруғликни кучли ютиш полосаси (йўлагига эга).
Қуйида, органик бўёқлардан родамин 6G нинг структуравий формуласи кўрсатилган.Бўёқларнинг молекулавий структураси мураккаб бўлиб, у ўзида бензоллий (С₆Н₆), азотлий (С₄Н₄N₂) бирикмаларга эга. Асосан лазер техникасида родамин 6G. органик бўёғидан кенг фойдаланилади.
Родамин 6G органик бўёғининг структуравий формуласи Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует. .8 да келтирилган.



Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..7. Суюқлик билан ишлайдиган лазер қурилмасининг схемаси



Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..8. Родамин 6G органик бўёғининг структуравий формуласи
Бундай молекула, электронларнинг тебранувчи, айланма холатлар учун , рухсат этилган энергетик қийматларга эга. Бу холатлар ўртасидаги энергетик масофа 1...3, 0,1....0,01 ва 10^–3...10^–4 эВ га тенг. Тебранма ва айланма холатлатлар сатхининг ўзаро кесишиши натижасида, аниқланган энергетик холатлар учун, рухсат этилган энергетик йўлаклар сериясини вужудга келтиради.
Бу холатларни икки группага бўлиш мумкин: Синглет холатлар (S) ва триплет холатлар (Т). Биринчи группага, спинлари орентатцияси холати (S = 0) антипараллель бўлган холатлар, иккинчи группага эса параллель орентатцияга эга бўлган холат (S = 1) киради. Ҳар бир электрон холатни, тебранувчи сатхлар серияси , (Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует. .9. да бу сатхлар, қорқ ёрқин ранг билан белгиланган) ва айланма сатхлар серияси кузатади.) Спинлар бўйича танлов қоидасига биноан, холатлар орасидаги рухсат этилган оптик ўтишлар бир хил (S = 0), синглент-синглет S–S ўтишлар ва Т-Т триплет- триплет ўтишларни амалга ошиши мумкин.Бу ўтишларнинг катта эҳтимоллиги мавжуд. Нормаль холатда молекулалар асосий S₀ холатда бўлади. Оптик нурни ютиши натижасида молекулалар, асосий S₀ холатдан, тебранма-айланма холатнинг S₁ ўтади. Бундай ўтишлар билан аниқланадиган ютиш спектри, кенг йўлак шаклида намоён бўлади. Ютиш йўлагининг спектрал холатининг максимуми орқали бўёқ рангини турли моддалар учун аниқлаб беради ва у тахминан 0,3дан 1мкм гача ўзгаради. Ютиш йўлагининг кенглиги,турли бўёқлар учун турли бўлади тахминан 0,2 эВ. Оптик ўтиш натижасида (S₀ -S₁) молекула, тебранма, айланма холатлар жараёнида, S₁ холатдан, релаксацион, нурсиз жараён натижасида S₁ сатхнинг қуйи қисмига ўтади, бундай термализация жараёни жуда тез ўтади тахминан 1пс давомида. Термализацияловчи иссиқлик ташувчилар, S1 холатдан ўзидан нур чиқариб ёки нур чиқармай, асосий холат S₀.га ўтади. S_{1 -} S₀ ўтишлар учун берилган вақт тахминан 1нс ни ташкил этади. Кўпгина органик бўёқларда ўзидан нур чиқариш холати, нур чиқармаслик холатига қараганда кўпроқ содир бўлади. Суюқлик билан ишловчи лазернинг,нур чиқарувчи электрон холати Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует. .9. да тасвирлаб берилган.

Rasm Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..9. Суюқлик билан ишловчи лазернинг электрон холати:
ст-синглет триплетконверсия холатининг доимийлиги,тс-триплет синглет ўтишининг доимийлиги.

Интенсив оптик дамлаш жараёнида, S₁сатхнинг қуйи сатх йўлаги ва S₀ сатхнинг юқори сатхи ўртасида инверс холат юзага келади. Бу холда генерация жараёни S₁ ва S₀ энергетик сатхлар йўлаклари орасида тўрт сатхли схема асосида амалга ошади. Т₁ ва Т₂. триплет холатлар генерация жараёнида қатнашмайди,улар генерация жараёнига халақит беради.Органик бўёқлар билан ишловчи лазерлар катта қизиқиш уйғотади, улар тўлқин узунлиги текис ўзгарувчан генераторлар сифатида катта аҳамиятга эга. Буни амалга ошириш учун,дисперсион резонатордан фойдаланишга тўғри келади. Бунга идеаль вариат – бир мўдали, бир частотали резонатордан фойдаланишдир.