Lazerlarning ishlash prinsiplari

Bundan ko‘rinadiki optik kvant generatorlari fizikaning turli sahalarida paydo bo‘lgan uchta asosiy g‘oyaga asoslangan. Birinchi g‘oya Eynshteynga tegishli bo‘lib, u kogerent bo‘lmagan issiqlik nurlanishi nazariyasida majburiy chiqarish jarayoni mumkin ekanligini postulat qilib aytgan. Ikkinchi asosiy g‘oya muvozanatda bo‘lmagan termodinamik sistemalardan foydalanish bo‘lib, bu sistemalarda elektromagnitik to‘lqinlar yutilmasdan, balki kuchayishi mumkin (V.A.Fabrikant, 1940 yil). Nihoyat, radiofizika sohasiga tegishli bo‘lgan uchinchi g‘oya - kuchaytiradigan sistemani avtotebranuvchi sistemaga, ya’ni elektromagnitik kogerent to‘lqinlar generatoriga aylantirish uchun musbat teskari bog‘lanishdan foydalanishdan iborat.

Lazer nurlanishi - bu ob'ektlarning normal haroratda porlashi. Ammo normal sharoitda ko'pchilik atomlar eng past energiya holatida bo'ladi. Shuning uchun moddalar past haroratlarda porlamaydi. Elektromagnit to'lqin moddadan o'tganda uning energiyasi so'riladi. To'lqinning yutilgan energiyasi tufayli atomlarning bir qismi qo'zg'aladi, ya'ni ular yuqori energiya holatiga o'tadi. Bunday holda, yorug'lik nuridan energiyaning bir qismi olinadi:
bu erda hn - sarflangan energiya miqdoriga mos keladigan qiymat,
E2 - eng yuqori energiya darajasidagi energiya,
E1 - eng past energiya darajasining energiyasi.
Hayajonlangan atom to'qnashuvda o'z energiyasini qo'shni atomlarga berishi yoki istalgan yo'nalishda foton chiqarishi mumkin. Endi tasavvur qilaylik, biz qaysidir ma'noda muhit atomlarining ko'pini qo'zg'atdik. Keyin, elektromagnit to'lqin chastota bilan moddadan o'tganda
qayerda v- to'lqin chastotasi,
E2 - E1 - yuqori va quyi darajadagi energiya o'rtasidagi farq,
h- to'lqin uzunligi,
bu to'lqin zaiflashmaydi, aksincha, induktsiyalangan nurlanish tufayli kuchayadi. Uning ta'siri ostida atomlar muvofiqlashtirilgan holda quyi energiya holatlariga o'tadi, chastotasi va fazasi bo'yicha tushadigan to'lqin bilan mos keladigan to'lqinlarni chiqaradi.
Lazerlar rag'batlantirilgan nurlanish hodisasiga asoslanadi, uning mavjudligi 1917 yilda Eynshteyn tomonidan bashorat qilingan. Eynshteynning fikricha, oddiy nurlanish va rezonans yutilish jarayonlari bilan bir qatorda uchinchi jarayon - stimulyatsiya qilingan (induktsiyalangan) nurlanish ham mavjud. Rezonans chastotasining yorug'ligi, ya'ni atomlar o'zlashtira oladigan chastota yuqori energiya darajalariga o'tib, agar muhitda mavjud bo'lsa, bu darajadagi atomlarning porlashiga olib kelishi kerak. Aniq xususiyat Bu nurlanish shundan iboratki, chiqarilgan yorug'lik ogohlantiruvchi yorug'likdan farq qilmaydi, ya'ni chastotasi, fazasi, qutblanishi va tarqalish yo'nalishi bo'yicha ikkinchisiga to'g'ri keladi. Bu shuni anglatadiki, stimulyatsiya qilingan emissiya yorug'lik nuriga rezonansli yutilish undan olib tashlagan yorug'likning aynan bir xil kvantini qo'shadi.
Muhitning atomlari yorug'likni o'zlashtira oladi, ular quyi energiya darajasida bo'lib, yuqori darajada chiqaradilar. Bundan kelib chiqadiki, quyi darajadagi ko'p miqdordagi atomlar bilan (hech bo'lmaganda yuqori darajadagi atomlar sonidan ko'p) muhitdan o'tadigan yorug'lik zaiflashadi. Aksincha, agar yuqori darajadagi atomlar soni ko'proq raqamlar qo'zg'almas, keyin yorug'lik bu muhitdan o'tib, kuchayadi. Bu shuni anglatadiki, bu muhitda rag'batlantirilgan nurlanish hukmronlik qiladi. Ko'zgular orasidagi bo'shliq faol muhit bilan to'ldiriladi, ya'ni qo'zg'aluvchan atomlarga qaraganda ko'proq miqdordagi qo'zg'aluvchan atomlarni (yuqori energiya darajasida joylashgan atomlar) o'z ichiga olgan muhit. Muhit induktsiyalangan nurlanish tufayli u orqali o'tadigan yorug'likni kuchaytiradi, uning boshlanishi atomlardan birining o'z-o'zidan chiqishi bilan beriladi.
Tibbiyotda lazer asboblari lazerli skalpel ko'rinishida o'z qo'llanilishini topdi. Jarrohlik operatsiyalari uchun foydalanish quyidagi xususiyatlar bilan belgilanadi:
1. U nisbatan qonsiz kesma qiladi, chunki u to'qimalarni kesish bilan bir vaqtda yaraning chetlarini koagulyatsiya qiladi, juda katta bo'lmagan qon tomirlarini "payvandlaydi";
2. Lazerli skalpel barqaror kesish ko'rsatkichlariga ega. Qattiq jismga (masalan, suyakka) urish skalpelga zarar yetkazmaydi. Mexanik skalpel uchun bu halokatli bo'ladi;
3. Lazer nurlari shaffofligi tufayli jarrohga operatsiya qilingan hududni ko'rish imkonini beradi. Oddiy skalpelning pichog'i, shuningdek, elektr pichoqning pichog'i har doim jarrohdan ma'lum darajada ish maydoniga to'sqinlik qiladi;
4. Lazer nurlari to‘qimaga mexanik ta’sir ko‘rsatmasdan, uzoqdan to‘qimalarni kesib oladi;
5. Lazerli skalpel mutlaq sterillikni ta'minlaydi, chunki to'qimalar bilan faqat radiatsiya o'zaro ta'sir qiladi;
6. Lazer nurlari qat'iy ravishda mahalliy ta'sir ko'rsatadi, to'qimalarning bug'lanishi faqat markazlashtirilgan nuqtada sodir bo'ladi. Qo'shni to'qimalar mexanik skalpeldan foydalangandan ko'ra ancha kam shikastlangan;
7. Klinik amaliyot shuni ko'rsatdiki, lazerli skalpeldan olingan yara deyarli og'rimaydi va tezroq davolanadi.
Lazerlarni jarrohlikda amaliy qo'llash SSSRda 1966 yilda A.V.Vishnevskiy institutida boshlangan. ustidagi operatsiyalarda lazerli skalpel ishlatilgan ichki organlar ko'krak va qorin bo'shlig'i. Hozirgi vaqtda lazer nuri plastik jarrohlik, qizilo'ngach, oshqozon, ichak, buyrak, jigar, taloq va boshqa organlarning operatsiyalarida qo'llaniladi. Ko'p miqdordagi qon tomirlarini o'z ichiga olgan organlarda, masalan, yurak, jigarda lazer yordamida operatsiyalarni bajarish juda jozibali.
Hozirgi vaqtda tibbiyotda yangi yo'nalish - ko'zning lazer mikrojarrohligi jadal rivojlanmoqda. Bu boradagi tadqiqotlar V.P.Filatov nomidagi Odessa ko‘z kasalliklari institutida, Moskva ko‘z mikroxirurgiyasi ilmiy-tadqiqot institutida va Hamdo‘stlik davlatlarining ko‘plab boshqa “ko‘z markazlarida” olib borilmoqda.Lazerlarning oftalmologiyada birinchi qo‘llanilishi davolash bilan bog‘liq edi. retinaning ajralishi. Yaqut lazerining yorug'lik impulslari ko'z qorachig'i orqali ko'zga yuboriladi (puls energiyasi 0,01 - 0,1 J, davomiyligi 0,1 s). Ular shaffof shishasimon hazilga erkin kirib, ko'zning to'r pardasi tomonidan so'riladi. Radiatsiyani eksfoliatsiyalangan hududga qaratib, ikkinchisi koagulyatsiya orqali fundusga "payvandlanadi". Operatsiya tez va to'liq og'riqsizdir.
Umuman olganda, ko'rlikka olib keladigan eng jiddiy ko'z kasalliklarining beshtasi ajralib turadi. Bular glaukoma, katarakt, retinal dekolmani, diabetik retinopatiya va malign shish. Bugungi kunda bu kasalliklarning barchasi lazer yordamida muvaffaqiyatli davolanadi va faqat o'smalarni davolash uchun uchta usul ishlab chiqilgan va qo'llaniladi:
1. Lazer nurlanishi - o'simtani defokuslangan lazer nurlari bilan nurlantirish, saraton hujayralarining o'limiga, ularning ko'payish qobiliyatini yo'qotishiga olib keladi.
2. Lazer koagulyatsiyasi - o'simtani o'rtacha darajada yo'naltirilgan nurlanish bilan yo'q qilish.
3. Lazerli jarrohlik eng radikal usuldir. Bu o'simtani qo'shni to'qimalar bilan birgalikda yo'naltirilgan nurlanish bilan kesishdan iborat.
Lazer nurlanishining noyob xususiyatlari kvant generatorlarini fan va texnikaning turli sohalarida ajralmas vositaga aylantirdi.
1. Texnologik lazerlar. Kuchli uzluksiz lazerlar turli materiallardan tayyorlangan qismlarni kesish, payvandlash va payvandlash uchun ishlatiladi. Yuqori radiatsiya harorati boshqa usullar bilan birlashtirilmaydigan materiallarni (masalan, metalldan keramikaga) payvandlash imkonini beradi. Nurlanishning yuqori monoxromatikligi nurni diametri mikron tartibidagi nuqtaga qaratishga imkon beradi (dispersiya yo'qligi sababli, sm... Vibratsiyalar va to'lqinlar) va undan mikrosxemalarni ishlab chiqarish uchun foydalaning (lazerli chizish usuli - yupqa qatlamni olib tashlash). Ehtiyot qismlarni vakuumda yoki inert gaz atmosferasida qayta ishlash uchun lazer nurlari shaffof oyna orqali texnologik kameraga kiritilishi mumkin.
Mukammal tekis lazer nurlari qulay "o'lchagich" bo'lib xizmat qiladi. Geodeziya va qurilishda impulsli lazerlar erdagi masofalarni o'lchash uchun ishlatiladi, ularni yorug'lik pulsi ikki nuqta o'rtasida harakat qilish vaqtiga qarab hisoblaydi. Sanoatda aniq o'lchovlar mahsulotning oxirgi yuzalaridan aks ettirilgan lazer nurlarining aralashuvi yordamida amalga oshiriladi.
2. Lazerli aloqa.Lazerlarning paydo bo‘lishi aloqa texnologiyasi va axborotni yozib olishda inqilob qildi. Mavjud oddiy naqsh: aloqa kanalining tashuvchi chastotasi (qisqa to'lqin uzunligi) qanchalik baland bo'lsa, uning o'tkazish qobiliyati shunchalik katta bo'ladi. Shuning uchun dastlab uzun to'lqinlar diapazonini o'zlashtirgan radioaloqa asta-sekin qisqargan to'lqin uzunliklariga o'tdi. Ammo yorug'lik radio to'lqinlari bilan bir xil elektromagnit to'lqin bo'lib, faqat o'n minglab marta qisqaroq, shuning uchun lazer nuri yuqori chastotali radiokanalga qaraganda o'n minglab marta ko'proq ma'lumot uzatishi mumkin. Lazerli aloqa optik tolali - yupqa shisha filamentlar orqali amalga oshiriladi, unda yorug'lik to'liq ichki aks etishi tufayli deyarli yuzlab kilometrlarga yo'qotmasdan tarqaladi. Tasvirlarni (jumladan, harakatlanuvchilarni) va ovozni kompakt disklarga yozib olish va ko'paytirish uchun lazer nurlaridan foydalaniladi.
3. Lazerlar tibbiyotda . Lazer texnologiyasi jarrohlikda ham, terapiyada ham keng qo'llaniladi. Ajratilgan to'r parda ko'z qorachig'i orqali kiritilgan lazer nurlari bilan "payvandlanadi" va fundus nuqsonlari tuzatiladi. "Lazer skalpel" bilan amalga oshiriladigan jarrohlik operatsiyalari tirik to'qimalar uchun kamroq shikastlidir. Va kam quvvatli lazer nurlanishi yaraning bitishini tezlashtiradi va sharq tabobati (lazer akupunkturi) tomonidan qo'llaniladigan akupunkturga o'xshash ta'sirga ega.
4. Ilmiy tadqiqotlarda lazerlar . Ajoyib yuqori harorat radiatsiya va uning energiyasining yuqori zichligi materiyani faqat issiq yulduzlarning ichaklarida mavjud bo'lgan ekstremal holatda o'rganish imkonini beradi. Lazer nurlari tizimi (inertial termoyadro sintezi deb ataladigan) bilan deyteriy va tritiy aralashmasi bo'lgan ampulani siqib, termoyadroviy reaktsiyani amalga oshirishga urinishlar qilinmoqda. V genetik muhandislik va nanotexnologiya (xarakterli o'lchami 10-9 m bo'lgan ob'ektlar bilan bog'liq texnologiya) lazer nurlari genlar, biologik molekulalar va millimetrning milliondan bir qismi (10-9 m) qismlarini kesib, harakatlantiradi va bog'laydi. Atmosferani o'rganish uchun lazerli lokatorlar (lidarlar) ishlatiladi.
5. Harbiy lazerlar. Lazerlarning harbiy qo'llanilishi ularning maqsadni aniqlash va aloqa qilish uchun ishlatilishini va qurol sifatida foydalanishni o'z ichiga oladi. Dushmanning jangovar sun'iy yo'ldoshlari va samolyotlarini kuchli kimyoviy va eksimer lazerlar, erdagi yoki orbital nurlari bilan yo'q qilish yoki o'chirish rejalashtirilgan. Ekipajlarni qurollantirish uchun lazerli to'pponcha namunalari yaratildi orbital stansiyalar harbiy foydalanish.
Mubolag'asiz aytish mumkinki, 20-asr o'rtalarida paydo bo'lgan lazerlar insoniyat hayotida yarim asr avval elektr va radio bilan bir xil rol o'ynagan.

2.2.Uzluksiz ishlovchi geliy-neon lazeri

Geliy-Neon lazerlari quvvati bir necha o‘n millivattga teng monoxromatik yaxshi dasta nurlantiradi, impulsli va uzluksiz rejimlarda ishlaydi, tuzilishi sodda va ishlatilishi qiyosan bexatardir. Bunday lazerlar spektrning ham ko‘rinuvchan, ham infraqizil sohalarida nurlanish hosil qiladi. Ular nurlanishning to‘lqin uzunligi spektrning ko‘rinuvchi sohasida uning qizil qismiga (l=632,8 nm) to‘g‘ri kelib, spektrning infraqizil sohasida esa to‘lqin uzunligi 1150 va 3390 nm ga teng. Bunday turdagi asboblar laboratoriyada qo‘llaniladigan lazerning keng tarqalgan turi bo‘lib qoldi, bunda nurlanishning parametrlariga qo‘yilgan talablar yuqorida ko‘rsatilgan shartlar bilan cheklanadi. Geliy-Neon lazerining prinspial chizmasi (20.2-rasmda ko‘rsatilgan). Bu erda 1-diametri bir necha millimetr va uzunligi bir necha o‘n santimetrdan 1,5 m gacha va undan ortiq bo‘lgan gaz razryad shisha trubkasi. Trubkaning ko‘ndalang yoqlari trubka o‘qiga Bryuster burchagi hosil qilib joylashgan yassi parallel shisha yoki kvars plastinkalar bilan yopilgan. Bu plastinkalarning trubka o‘qi bo‘yicha tarqalayotgan hamda plastinkalarda yorug‘lik tushish tekisligida qutblangan nurlanish uchun qaytarish koeffitsiyentlari nolga teng.