Bajardi: Sh. Anvarjonova Qabul qildi: R. U. Elmurodov Guliston -2023 y. Mundarija

Karbanat angidirit (CO₂) gaz lazeri

Korbanat angidrd (CO2) lazeri - molekulali lazerlar qatoriga kiradi. CO2-lazerining nurlanishi, molekulaning pastki asosiy elektron energetik sathga tegishli tebranish-aylanish energetik sathlari orasidagi kvant o'tishga asos-langan. Tebranish energetik sathlari orasidagi o'tishning energiyalari katta emas, bu energiyalarga tegishli nurning to'lqin uzunligi o'rtacha va uzoq infraqizil nurlanishi (5^300mkm) atrofida joylashgan bo'ladi. Molekulalarning to'la ichki energiyasi uch xil energiyalarning yig'indisidan tashkil topgan:
1) yadro atrofida harakat qilayotgan elektronlarning energiyasidan Δε_e
2) yadrolarning tebranma harakati bilan bog'liq tebranish energiyasidan Δε(v)
3) molekulaning o'z o'qi atrofida aylanishiga asoslangan aylanma energiyasidan Δε(j)
Molekulaning to'liq energiyasini yozish mumkin:
(2.1)
bunda Δε_e >Δε(v)>Δε(j) munosabat o'rinli bo'ladi.
CO₂-molekulasi chiziqli va simmetriik molekuladir. Elektronning energetik holati ko'rsatilmagan barcha holatlarda, energetik sathlar va ular orasidagi kvant o'tishlar asosiy pastki elektron holatga tegishli va molekulaning elektron energiyasi nolga teng (Δε_e=0) deb qarash kerak. Kvant o'tishining chastotasi tebranma - aylanish o'tishi bilan belgilanadi. Kvant o'tish birdan- bir elektron holatidagi tebranish - aylanish energetik sathlar oralig'ida kuzatilib, o'tish j va v kvant sonlarining qiymatlari farqi bilan aniqlanadi. Tebranish-aylanish kvant o'tish Δv=±1, Δj=0, ±1 qoidasiga amal qiladi (juft sonli elektronlar uchun Δj=0, o'tish taqiqlangan). Birdan-bir elektron va tebranish energetik sathlariga tegishli aylanish energetik sathlar orasidagi toza o'tish j kvant sonining qiymati bilan belgilanadi. Ustki aylanish energetik (j+1) sathdan, pastki aylanish energetik (j) sathga o'tish R(j) orqali belgilanadi va R(j) spektrning shaxobchasi deb ataladi. Yuqorigi tebranish energetik sathining, aylanish energetik j- sathidan pastki tebranish sathiga tegishli aylanish energetik j- sathiga o'tish Q(j) shaxobcha deb belgilanadi. Q(j) shahobcha uchun o'tish Δj =0 qoidasiga amal qiladi. Yuqoridagi tebranish energetik sathining aylanish energetik (j-1) sathidan pastki tebranish sathining aylanish energetik j sathiga o'tishi P(j) deb belgilanadi Demak, R, Q va R-shahobchalar to'plami, tebranish holatlari bilan bog'langan bo'lib, tebranma-aylanish yo'lli(yo'l-yo'l) spektrlarni hosil qiladi. Bu to'plam v_yuq-v_past deb belgilanadi. Yuqoridagi energetik kvant o'tishlarni yaxshiroq tushunish uchun, molekulani ikki atomli deb faraz qilamiz. Atomlar bir- biridan cheksiz uzoqlikda (r→ ) yoki uzoq masofada joylashgan bo'lsa, energetik sathlar yakka atomlarning energetik sathlari kabi bo'ladi. Atomlar yaqinlashishi bilan atomlarning o'z aro tortishish ta'siri sababli, energetik sathlar siljiydi. Avval boshida atomlar orasidagi masofa katta bo'lgan edi, endi esa, atomlar yaqinlashish sababli, atomlarning bir-birini tortishish kuchi poydo bo'ladi. Atomlar orasidagi masofa juda ham kichik bo'lganda esa, atomlarning o'z aro itarilishi kuchi ustun keladi. Potensial (ichki) energiyadan masofa bo'yicha olingan hosila, atomlarning o'z aro ta'sir kuchini ifodalaydi. Atomlar orasidagi masofa r₀-masofaga teng bo'lganda, atomlarning o'zaro ta’sirini belgilovchi potensial energiyasi minimal qiymatga ega bo’ladi. r₀ shunday masofaki, atomlar shu masofani egallashga intiladi. Atomlar r₀ masofani egallaganda molekula hosil qiladi. 2.1- rasmda atomlarning molekula hosil qilish potensial chuqurligi va energetik sathlari ko’rsatilgandir. Atomlar r₀ masofada muvozanatda bo’lib, undan chetlanganda tebrana boshlaydi. Bir atom ik­kinchi atom potensialida joylashgan bo’lib, r₀ masofadan chetlashganda molekula tebranish erkinligiga ega. Molekulaning erkin tebranishini botiq sferik sirtga tashlangan sharchaning tebranishiga o’xshatish mumkin. Molekulaning tebranishi (bir atomning ikkinchi atomga nisbatan tebranishi) garmonik ossillyatorning tebranishiga o’xshash


2.1-rasm. Ikki atomli molekulaning potensial chuqurligi va energetik sathlari.
a) Tebranish energetik sathlari. b) Tebranma-aylanish energetik sathlari.
Molekulaning ichki potensial energiyasi bir necha egri chiziq bilan ifodalanadi. Molekulaning tebranish energetik sathlari v=0,l,3,... va hokazo belgilanadi. Tebranish energetik sathlari bir-biriga teng masofada joylashadi va energetik oraliqlar hv_v–ga teng.Shuni aytish lozimki, v=0 energiyaning minimal qiymati ustiga tushmaydi va u energiyaning minimal qiymatidan bir muncha yuqori joylashadi. Birinchi egrilik asosiy elektron-tebranish energetik sath deb ataladi. Molekula uyg’ongandagi potensial egrilik chuqurligi va chuqurlikning minimumi qiymati birinchi potensial egrilikka nisbatan o’ng tomonga siljiydi. Yuqorida joylashgan ikkinchi egrilik uyg’ongan elektron - tebranish energetik sathdir. Molekulaning tebranishi atomlar orasidagi masofaning o’zgarishi bilan xarakterlanadi. Molekuladagi atomlarning katta amplitudali tebranishi potensial egrilikning (chuqurligining) parabolik shaklini uzgartirmasdan qoldirmaydi va po­tensial chuqurlik shakli o’zgaradi. Bu degan so’z, tebranish sathlari yuqori pogonalarga ko’tarilishi bilan energetik sathlar orasidagi masofa qisqarib va tebranish energetik sathlarining boshida kuzatilgan ekvidistantlik saqlanmaydi. Shunday qilib, molekulaning uch xil turdagi energetik o’tishlari mavjud, bu o’tishlar lazer nurlanishini hosil qiladi:
— elektron-tebranish o’tish (ikkita elektron sathlar oralig’ida sodir bo’ladigan o’tish, bu xil o’tishning nurlanishi ultrabinafsha sohasida joylashgan).
— tebranma - aylanish kvant o’tish (bitta elektron ener­getik sathga tegishli ikki­ta tebranish sathlari oralig’idagi o’tish, bu xil o’tishning nurlanishi infraqizil nurlanish sohasida joylashgan),
—aylanish o’tish (bitta tebranishga tegishli ikkita aylanish energetik sathlari oralig’idagi o’tish va uning nurlanishi uzoq infraqizil sohada joylashgan).
CO₂ molekulasining tebranish-aylanish o’tishi diqqatga sazovordir. CO₂-lazeri aynan tebranish-aylanish energetik o’tish nurlanishiga asoslangan.CO₂ –lazerining aktiv moddasi sifatida SO₂, N₂ va Ne gazlarning aralashmasi ishlatiladi. 2.2- rasmda CO₂ N₂ molekulalarning soddalashgan tebranish energetik sathlari ko’rsatilgan.

2.2- rasm. CO₂ va N₂ molekulalarining asosiy elektron energetik sathidagi tebranish energetik sathlari sxemasi.
CO₂ molekulasining energetik sathlari azot molekulasi­ning energetik sathlariga nisbatan ancha murakkab, chunki kar­bonat angidrid gazi uch atomli molekula. CO₂ molekulasining uchta ichki tebranish turlari (uchta normal modalari) mav­jud:
1) simmetrik valent tebranish turi (atomlarning yadrolarini birlashtiruvchi to’g’ri chiziq bo’ylab simmetrik tebranadi, simmetrik valent modasi);
2) deformasiya tebranish turi (yadrolarni birlashtiruvchi chiziqqa perpendikulyar ravishda tebranadi va buklanadi, buqilish modasi);
3) nosimmetrik valent tebranish (yadrolarni birlashtiruvchi o’q bo’ylab atomlarning nosimmetrik tebranishi, nosimmet­rik moda).
CO₂ molekulasi tebranishining uch xil turdagi modalari 2.3-rasmda ko’rsatilgan.

2.3-rasm. CO₂ molekulasi tebranishning uch xil
Molekulaning modalari (tebranish turlari) uchta kvant sonlari n₁, n₂, n₃ bilan ifodalanadi. Kvant sonlarining har biri modadagi kvantlar soniga teng. Xar bir energetik sath shu uchta kvant sonlari bilan belgilanadi va ketma-ketligi tartib bilan n₁, n₂, n₃ yoziladi. Misol uchun 0,1`O energetik sath deformasiya valent modasiga tegishli bo’lib, bitta tebranish kvantiga ega bo’ladi. Bu tebranish ko’ndalang bo’lib, u eng past qiymatli energetik sathga tugri keladi. Chunki ko’ndalang tebranishning elastiklik konstantasi eng kichikdir. Lazer nurlanishi 00°1→10°0 (λ=10,6mkm) va 00°1→02⁰0 (λ=9,6mkm) energetik o’tishlarda kuzatiladi. Nurlanish ikkita spektral chiziqlar seriyalaridan iborat bo’lib, markazlari λ=0,6mkm, λ=9,6mkm joylashgandir.
CO₂ molekulasining umumiy energiyasi uchta normal teb­ranish energiyalarining yig’indisidan iborat:
(2.2)
CO₂ molekulasini samarali ravishda 00°1 energetik kuchirish (inversiya hosil qilish) quyidagi ikkita jarayon hisobiga amalga oshiriladi:
1) Elektron bilan to’qnashish.CO₂ elektron bilan bevosita tuqnashib, ya’ni e+CO₂(00°0)→e+CO₂(00°1) uyg’ongan holatga o’tadi. CO₂ molekulasining elektron bilan to’qnashish kesimi (00°1 holat hosil qilishi) juda katta. CO₂ elektron bilan to’qnashib 00°1 energetik holatga o’tishning boshqa 10°0, 02°0 kabi energetik holatlarga nisbatan o’tishning afzalligi bor. Bu afzallik 00°1→00°0 o’tishning optik jihatdan ruxsat etilganligi va 00°0→10°0 o’tishning esa taqiqlanishi bilan tushuntiriladi.
2) Rezonansli ravishda N₂ uyg’ongan azot molekulasidan
CO₂ molekulasiga energiya uzatish CO₂ gazida inversion kuchganlikni oshiradi. N₂ molekulasining yuqori uyg’ongan energetik sathi CO₂ molekulaning 00°1 energetik sathidan Δε=18sm^–1 ga farq qilishi ko’rinib turibdi. Lekin bu farq kichik bo’lgani uchun molekulalarning o’zaro energiya almashishi samarali ravishda amalga oshiriladi. N₂ molekulasi elektron bilan to’qnashib asosiy energetik (v=0) sathdan uyg’ongan yuqori (v=1) sathga o’tishi elektrorazryad yordamida juda samarali bo’ladi. Uyg’ongan azot molekulasi energiyasini faqat tuqnashganda CO₂ ga beradi .
Lazer nurlanishini hosil qiluvchi yuqori va pastki ener­getik sathlarning relaksasiya tezligini solishtirib qaraylik 00°1→10°0, 00°1→02°0 va 02°0→01°0 o’tishlar optik jihatdan ruxsat etilgan bo’lsa ham, ularning yashash vaqti (spontan o’tish vaqti τ_sp) juda kattadir. Shunga ko’ra energetik sathlarning relaksasiyasi molekulalarning to’qnashishi bilan aniqlanadi. Uyg’ongan yuqori energetik sathlarda spontan o’tish vaqti τ_cp gazlarning bosimi bilan aniqlanadi. Misol uchun CO₂ gazining parsial bosimi 1,55mm sim. ust., N₂ uchun 1,5mm sim. ust. va Ne uchun 12mm sim. ust. bo’lganda yuqori energetik sathda CO₂ molekulasining yashash vaqti τ_sp=0,4ms. Pastki energetik sathlarning relaksasiyasi esa, ya’ni 10°0→02°0, 10°0→01°0 va 02°0→01°0 juda tez o’tish bo’lib (spontan o’tish vaqti 1mks dan ham kichik). Haqiqatan ham 10°0→02°0 o’tishning energetik oralig’i kT dan kichik va o’tish tez bo’ladi. 10°0→01°0 va 02°0→01°0 kabi ikkita o’tishlar uyg’onmagan va asosiy pastki energetik sathda joylashgan SO₂ molekula bilan to’qnashi tufayli bajariladi:
(2.3)
Shu ikkita o’tishlarning ehtimoliyatlari juda yuqoridir, chunki energetik oraliqlar kT energiyadan ancha kichikdir. Juda qisqa vaqt ichida uchta 10°0, 02°0 va 01¹0 sathlarning energe­tik ko’chganliklari issiklik tufayli o’zaro muvozanatlikka erishadi.

2.4-rasm. CO₂ lazerining sxematik tuzilnshi. Shu tuzilishi va impuls rejimda ishlashni ta’minlaydi
Lazer kamerasi shisha plastinalarni yelimlab yoki organik shishadan yasaladi. Lazer kamerasida CO₂, N₂ va Ne gazlarning aralashmasi 5÷10 atmosferagacha kameraga berladi. Lazer kamerasining ikki tomonida elektrodlar o’rnatilgan, elektrodlarning uzunligi 60sm, kengligi 25mm va elektrodlar orasidagi masofa 25mm. Anod va katod elektrodlariga parallel ravishda har birining ikki tomoniga qator qilib 20 ta dan S_l kondensatorlar joylashgan. Kondensatorlarning uchlari yo’nilgan va o’tkir uchlari oralig’ida elektr chaqmoqchalari hosil bo’ladi. Chaqmoqchalar lazer kamerasidagi gaz aralashmasini qisman ionlashtiradi. Gazlarning qisman ionlashishi asosiy elektrodlar orasida bir jinsli gaeorazryadni ta’minlaydi. Bir jinsli gazoraz­ryad CO₂ molekulalarini rezonator o’qi bo’ylab bir tekis uyg’otadi, ya’ni inversion ko’chganlik hosil qiladi. 2.4-rasmdan ma’lumki, yuqori U kuchlanishli elektr manbai R qarshilik orqali kondensatorni zaryadlaydi. Kondensatr S_n tegishli kuchlanishgacha zaryadlagandan keyin K razryadlovchiga tashqi generatordan elektr impulsi beriladi. Elektr impulsi qisqa muddatli bo’lib, (K) razryadlovchidagi gazni ionlashtiradi va (S_n) kondensatorni zaryadsizlangiradi. S_n kondensatordagi to’plangan elektr energiyasi S_n kondensatorga va asosiy elektrodlarga uzatiladi. Avval S_l kondensatorlarning uchlaridan uchqunlar chiqadi va shundan keyin tezda asosiy elektrodlar oralig’ida razryad boshlanadi. Kuchli elektrorazryad CO₂ va N₂ gazlarini uyg’otadi va samarali inversion kuchirish hosil qiladi. Lazer kamerasining o’qi bo’ylab majburiy nurlanish boshlanadi va ko’zgulardan bir necha yuzlab qaytib, kuchayib lazer nurlanishi ko’zgularning biri orqali tashqariga chiqadi. TEA lazeri katta bosim ostida ishlagani uchun generasiya keng spektrli bo’ladi. Keng spektrli CO₂ lazeri nurlanishini dispressiyali rezonatordan foydalanib sillik ravishda to’lqin uzunligini (chastotasini) o’zgartirish va spektral kengligini toraytirish mumkin. TEA lazerida modalar sinxronizmini hosil qilish va generasiya nurlanish muddatini qisqartirish mumkin.
Uzluksiz ishlaydigan CO₂ lazerining sxematik ko’rinishi 2.5-rasmda keltirilgan. CO₂, N₂, He gaz aralashmasi joylashgan shi­sha nayi lazer kamerasi vazifasini o’taydi, Shu tipdagi lazer kamerasida gazorazryad nay o’qi bo’ylab sodir bo’ladi.
O’sha raz­ryad tufayli issiqlik ajralib chiqadi va nay qiziydi. Nayni sovutish uchun diametri katta bo’lgan shisha nay kiritiladi va suv ikki nay orasidan o’tib lazer kamerasini sovutadi. Lazer kamerasida gaz aralashmasi bo’ylama razryad yordamida uyg’onadi va generasiya nay o’qi bo’ylab tarqaladi. Bu xil uzluksiz ishlaydigan CO₂ lazerlarning quvvati 40–50Vt ni tashkil qiladi. CO₂ lazerlari metallarni kesish, tirqish ochish va payvandlash ishlarida qo’llaniladi. O’sha lazerlar mashina detallarini chidamli qilishda ham ishlatiladi.