Lazerlarning ishlash prinsiplari

Yuqorida aytilganlarni majburiy chiqarish nurlanishni uning boshqa xarakteristikalarini o‘zgartirmay kuchaytiradi, majburiy yutish esa susaytiradi degan fikrning boshqacha shaklda aytilgani deb hisoblash mumkin. Lekin optik kvant generatorlari nurlanishning xususiyatlarini tushunish uchun tushayotgan to‘lqin bilan majburiy o‘tishlar natijasida chiqarilayotgan «ikkilamchi» to‘lqinlarning kogerentligi to‘g‘risidagi tasavvurlarga asoslansak manbadan ma’lum bir yo‘nalishda tarqaluvchi quvvatli nurlanish olish uchun zarur bo‘lgan fazoviy sinfazlik shartini majburiy chiqarish jarayonida amalga oshirish mumkinligi ko‘rinadi. Haqiqatdan ham, fazoning har xil nuqtalarida joylashgan atomlar chiqarayotgan to‘lqinlarning boshlang‘ich fazalari mos yo‘l farqini kompensatsiyalaydigan bo‘lsa, bunday to‘lqinlar kuzatish nuqtasida sinfazali ravishda qo‘shiladi.

Yuqorida muhokama qilingan va majburiy o‘tishlar bilan bog‘langan kogerent nur chiqarishdan tashqari, muhit atomlari spontan o‘tishlarda ham qatnashib, natijada bir-biri bilan hamda tashqi maydon bilan kogerent bo‘lmagan to‘lqinlar chiqarilishini yoddan chiqarmaslik kerak. Shunday qilib, aktiv muhitning nurlanishi har doim kogerent va kogerent bo‘lmagan qismlarning aralashmasidan iborat bo‘lib, ular o‘rtasidagi munosabat, xususan, tashqi maydonning intensivligiga bog‘liq bo‘ladi. Oxirgi holni tushuntirish oson, chunki majburiy chiqarish jarayonida qatnashgan atomlar uyg‘onish energiyasidan mahrum bo‘ladi va, demak, spontan ravishda nurlantira olmaydi. Yuqoridagini batafsil analiz qilish majburiy o‘tishlar ta’sirida kogerent bo‘lmagan spontan nurlanishning to‘liq intensivligigina emas, balki uning spektral tarkibi ham o‘zgarishini ko‘rsatadi.

Lazer nurlanishining muhim xususiyati uning qat'iy yo'nalishi bo'lib, yorug'lik nurlarining juda kam divergensiyasi bilan tavsiflanadi, bu yuqori darajadagi kogerentlikning natijasidir. Ko'pgina lazerlarning divergentsiya burchagi taxminan 10-3 radga yetkaziladi, bu bir yoy daqiqasiga to'g'ri keladi. An'anaviy yorug'lik manbalarida to'liq erishib bo'lmaydigan bunday yo'nalish yorug'lik signallarini ularning intensivligini juda kam pasaytirgan holda katta masofalarga uzatish imkonini beradi, bu axborot uzatish tizimlarida yoki kosmosda lazerlardan foydalanishda juda muhimdir.

Lazer nurlanishini oddiy yorug'likdan ajratib turadigan yana bir xususiyat - undagi elektr maydonining yuqori intensivligi. Elektromagnit energiya oqimining intensivligi I - EH(Umov - Poynting formulasi), bu erda E va H- mos ravishda elektromagnit to'lqindagi elektr va magnit maydonlarning intensivligi. Demak, 10 18 Vt / m 2 intensivlikdagi yorug'lik to'lqinidagi elektr maydon kuchi 3-10 10 V / m ga teng ekanligini hisoblash mumkin, bu atom ichidagi maydon kuchidan oshadi. An'anaviy yorug'lik manbalari tomonidan yaratilgan yorug'lik to'lqinlarida maydon kuchi 10 4 V / m dan oshmaydi.
Tanaga tushganda elektromagnit to'lqin to'lqin energiyasi oqimining intensivligiga mutanosib ravishda bu jismga mexanik bosim o'tkazadi. Yoz kunida yorug'lik tomonidan yaratilgan yorug'lik bosimi quyosh nuri, taxminan 4 10 -6 Pa (atmosfera bosimi 10 5 Pa ekanligini eslang). Lazer nurlanishi uchun yorug'lik bosimi 10 12 Pa ga etadi. Ushbu bosim sizga eng qattiq materiallarni - olmos va o'ta qattiq qotishmalarni qayta ishlashga imkon beradi (zarb qilish, teshiklarni kesish va h.k.).
Yorug'likning materiya bilan o'zaro ta'siri (aks etish, yutilish, dispersiya) yorug'lik to'lqinining elektr maydonining moddaning optik elektronlari bilan o'zaro ta'siridan kelib chiqadi. Elektr maydonidagi dielektrik atomlar qutblanadi. Past intensivlikda moddaning birlik hajmidagi dipol momenti (yoki qutblanish vektori) maydon kuchiga proportsionaldir. Moddaning barcha optik xususiyatlari, masalan, sindirish ko'rsatkichi, yutilish ko'rsatkichi va boshqalar, qandaydir tarzda yorug'lik to'lqinining elektr maydonining kuchi bilan belgilanadigan qutblanish darajasi bilan bog'liq. Bu bog'lanish chiziqli bo'lgani uchun, ya'ni. kattalik R mutanosib E, Bu nisbatan past intensivlikdagi nurlanish bilan shug'ullanadigan optikani chiziqli optika deb atashga asos beradi.
Lazer nurlanishida to'lqinning elektr maydonining kuchi atomlar va molekulalardagi maydon kuchi bilan taqqoslanadi va ularni moddiy chegaralarda o'zgartirishi mumkin. Bu quyidagilarga olib keladi: dielektrik sezuvchanlik doimiy qiymat bo'lishni to'xtatadi va maydon kuchining ma'lum bir funktsiyasiga aylanadi. . Shunday qilib, polarizatsiya vektorining maydon kuchiga bog'liqligi endi bo'lmaydi chiziqli funksiya... Shuning uchun, moddaning dielektrik o'tkazuvchanligi, sindirish ko'rsatkichi, yutilish ko'rsatkichi va boshqa optik miqdorlar endi doimiy bo'lmagan, lekin intensivlikka bog'liq bo'lgan muhitning chiziqli bo'lmagan qutblanishi va shunga mos ravishda chiziqli bo'lmagan optika haqida gapiriladi. hodisa yorug'ligi.
Boshqa yorug'lik manbalari bilan solishtirganda, lazer nurlanishining kogerentligi va yuqori yo'nalishi bilan bog'liq bo'lgan bir qator o'ziga xos xususiyatlarga ega. "Lazer bo'lmagan" yorug'lik manbalarining nurlanishi bu xususiyatlarga ega emas. Isitilgan tananing chiqaradigan quvvati uning harorati bilan belgilanadi T. Mutlaq qora tan uchun erishish mumkin bo'lgan nurlanish oqimining eng yuqori mumkin bo'lgan qiymati, W = 5,7 × 10-12xT 4 Vt / sm 2. Radiatsiya kuchi T ortishi bilan tez o'sib boradi va yuqori T uchun juda yuqori qiymatlarga etadi. Shunday qilib, Quyosh yuzasining har bir 1 sm 2 (T = 5800 K) W = 6,4 × 10 3 vatt quvvat chiqaradi. Biroq, issiqlik manbasidan radiatsiya manbadan barcha yo'nalishlarda tarqaladi. Bunday manbadan yo'naltirilgan nurning shakllanishi, diafragmalar tizimi yoki linzalar va nometalllardan tashkil topgan optik tizimlar yordamida amalga oshiriladi, har doim energiya yo'qolishi bilan birga keladi. Hech qanday optik tizim yoritilgan ob'ekt yuzasida yorug'lik manbasining o'zidan kattaroq nurlanish quvvatini olishga imkon bermaydi.
Agar lazer nurlanishining intensivligi mutlaqo qora jismning nurlanish intensivligi bilan bir xil spektral va burchakli oraliqlarda taqqoslansa, u holda termal yorug'lik manbalarining haqiqatda erishish mumkin bo'lgan haroratidan milliardlab va undan ko'p marta yuqori bo'lgan ajoyib yuqori haroratlar olinadi. Bundan tashqari, nurlanishning past tabaqalanishi an'anaviy optik tizimlardan foydalangan holda yorug'lik energiyasini juda katta energiya zichligini yaratib, ahamiyatsiz hajmlarda to'plash imkonini beradi. Radiatsiyaning kogerentligi va yo'nalishi lazer bo'lmagan yorug'lik manbalari qo'llanilmaydigan yorug'lik nurlaridan foydalanishning tubdan yangi imkoniyatlarini ochadi.
Lazer nurlanishining yo'nalishi asosan ochiq bo'shliqda faqat o'sha to'lqinlar qo'zg'alishi mumkinligi bilan belgilanadi, ular bo'shliq o'qi bo'ylab yoki unga juda kichik burchak ostida yo'naltiriladi. Fazoviy kogerentlikning yuqori darajasi bilan lazer nurining divergentsiya burchagi diffraktsiya bilan aniqlangan chegaraga yaqin bo'lishi mumkin. Odatdagi qiymatlar: gaz lazerlari uchun (0,5-5) x10 -3 radian, qattiq holat uchun (2-20) x10 -3 radian, yarim o'tkazgich lazerlar uchun (5-50) x10 -2 radian.
Issiqlik manbasidan chiqadigan nurlanish, bundan tashqari, monoxromatik emas, u keng to'lqin uzunliklarini to'ldiradi. Masalan, quyosh nurlanish spektri ultrabinafsha, ko'rinadigan va infraqizil to'lqin uzunligi diapazonlarini qamrab oladi. Nurlanishning monoxromatikligini oshirish uchun uzluksiz spektrdan nisbatan tor hududni ajratib olishga imkon beradigan monoxromatorlar yoki diskret atom yoki molekulyar tor spektral chiziqlarni beruvchi past bosimli gaz razryadli yorug'lik manbalari qo'llaniladi. Spektral chiziqlardagi nurlanishning intensivligi, ammo harorati atomlar va molekulalarning qo'zg'alish haroratiga teng bo'lgan qora jismning nurlanish intensivligidan oshmasligi kerak. Shunday qilib, har ikkala holatda ham nurlanishning monoxromatizatsiyasiga katta energiya yo'qotishlari evaziga erishiladi. Spektral chiziq qanchalik tor bo'lsa, nurlanish energiyasi shunchalik kam bo'ladi.
Lazerlarning optik shovqin manbalari bo'lgan boshqa yorug'lik manbalaridan asosiy farqi lazer nurlanishining yuqori darajadagi kogerentligidir. Optik diapazonda lazerlarning yaratilishi bilan radio diapazonida tanish bo'lgan kogerent signal generatorlariga o'xshash radiatsiya manbalari paydo bo'ldi, ular aloqa va ma'lumot uzatish uchun muvaffaqiyatli ishlatilishi mumkin va ularning ko'p xususiyatlarida - radiatsiya yo'nalishi, uzatish chastota diapazoni, past shovqin darajasi, vaqt ichida energiya konsentratsiyasi va boshqalar. - klassik radio diapazoni qurilmalaridan ustun.
Ko'p rejimli rejimda ishlaydigan lazer holatida monoxromatiklik yaratilgan rejimlar soniga bog'liq va bir necha gigagertsni tashkil qilishi mumkin. Impulsli ish rejimida chiziqning minimal kengligi impuls kengligining teskarisi bilan chegaralanadi.
Lazer nurlanishining monoxromatikligining yuqori darajasi yuqori spektral energiya zichligini - juda kichik spektral diapazonda yorug'lik energiyasining yuqori konsentratsiyasini belgilaydi. Yuqori monoxromatiklik lazer nurlanishini fokuslashni osonlashtiradi, chunki linzalarning xromatik aberatsiyasi ahamiyatsiz bo'ladi. Muvofiqlik. Lazerlar boshqa yorug'lik manbalariga nisbatan ham vaqtinchalik, ham fazoviy radiatsiya kogerentligining juda yuqori darajasiga ega.
Hozirgi vaqtda lazerlar ultrabinafsha nurlardan submillimetrli to'lqinlargacha bo'lgan diapazonni qamrab oladi, rentgen lazerlarini yaratishda birinchi muvaffaqiyatlarga erishildi, chastotani sozlanishi lazerlar yaratildi.
Zamonaviy amaliy fizikaning rivojlanishidagi asosiy tendentsiyalardan biri bu energiya zichligini oshirish va uni yanada qisqa vaqt ichida chiqarish yo'llarini izlashdir. Kvant elektronikasining jadal rivojlanishi kuchli lazerlarning katta oilasini yaratishga olib keldi. Yuqori quvvatli lazerlar fazoda va vaqtda rekord darajada yuqori energiya kontsentratsiyasini olish uchun ham, yorug'lik energiyasini materiyaga juda qulay etkazib berish uchun ham printsipial jihatdan yangi imkoniyatlar ochdi. Yuqori quvvatli lazerlarni yaratish bo'yicha aniq natijalar bilan tanishishdan oldin, ularni uch guruhga bo'lish mumkinligini esdan chiqarmaslik kerak - impulsli, takroriy impulsli va uzluksiz. Birinchisi bitta impulslarda yorug'lik chiqaradi, ikkinchisi uzluksiz ketma-ket impulslarda va, nihoyat, uchinchisi, uzluksiz nurlanish beradi.
Quvvat nisbiy xususiyat bo'lib, u vaqt birligida qanday ish bajarilishini, qanday energiya sarflanishini yoki qabul qilinishini aytadi. Quvvat birligi, siz bilganingizdek, vatt (Vt) - bu 1 soniyada (s) chiqarilgan 1 J energiyaga to'g'ri keladi. Agar bu energiyaning chiqishi 10 soniyaga cho'zilgan bo'lsa, unda har bir soniya uchun atigi 0,1 J bo'ladi va shuning uchun quvvat 0,1 Vt bo'ladi. Xo'sh, agar soniyaning yuzdan bir qismida 1 J energiya chiqarilsa, unda quvvat allaqachon 100 vatt bo'ladi. Chunki jarayonning bunday intensivligi bilan soniyasiga 100 J. chiqarilgan boʻlardi.Bu “boʻlardi”ga eʼtibor bermaslik kerak – quvvatni aniqlashda jarayonning sekundning yuzdan bir qismigina davom etgani muhim emas. Bu vaqt ichida ozgina energiya ajralib chiqdi. Qudrat to'liq, yakuniy, harakat haqida emas, balki uning intensivligi, vaqtdagi konsentratsiyasi haqida gapiradi. Agar ish etarlicha uzoq davom etgan bo'lsa, hech bo'lmaganda bir soniyadan ko'proq davom etsa, unda quvvat bir soniyada aslida nima qilinganligini ko'rsatadi.
Impulsli lazerda nurlanish juda qisqa vaqt davom etadi, soniyaning ba'zi arzimas ulushlari va hatto kichik nurlangan energiya bilan ham jarayon juda siqilgan, vaqt o'tishi bilan to'plangan bo'lib chiqadi va quvvat juda katta bo'lib chiqadi. . Bu erda, masalan, 1960 yilda yaratilgan birinchi lazerda, birinchi yoqut lazerida nima sodir bo'ldi: u taxminan 1 J energiya va 1 ms (millisoniya, sekundning mingdan biri) davomiyligi bilan yorug'lik impulsini chiqardi. , ya'ni impuls kuchi 1 kVt edi. Bir muncha vaqt o'tgach, lazerlar paydo bo'ldi, ular bir xil joul energiyani ancha qisqaroq pulsda - 10 ns gacha (nanosekund, soniyaning milliarddan biri) chiqaradi. Bunday holda, bir xil joul energiyasiga ega bo'lgan impulsning kuchi allaqachon 100 ming kVt ga etdi. Bu hali 2 million kVt quvvatga ega Kuybishevskaya GESi emas, lekin u allaqachon kichik shaharcha uchun elektr stantsiyasidir. Farqi shundaki, lazer bu ulkan quvvatni faqat soniyaning milliarddan bir qismida, elektr stantsiyasi esa tunu-kun uzluksiz ravishda ishlab chiqadi. Joriy lazerlar 0,01 ns gacha davomiylikdagi impulslarni beradi, bir xil energiya 1 J bilan ularning quvvati 100 million kVt ga etadi.
Lazer nurlari - bu juda tartibli kogerent nurlanish oqimi, yuqori yo'nalishli, kichik qattiq burchakda to'plangan. Aynan shu fazilatlarning barchasi uchun biz bunday yuqori narxni to'laymiz - lazerlarning samaradorligi foizlarning ulushini yoki eng yaxshisi, bir necha foizni, ya'ni lazer nurlanishining har bir jouliga o'nlab yoki hatto yuzlab joulni tashkil qiladi. nasos energiyasini sarflash kerak. Ammo ko'pincha bunday yuqori to'lov ham to'liq oqlanadi - miqdorni yo'qotish orqali biz sifatga ega bo'lamiz. Xususan, lazer nurining kogerentligi, yo'nalishini keyingi fokuslash bilan birga juda kichik hajmda, masalan, diametri 0,1 mm bo'lgan sharga va jarayonning vaqt ichida siqilishi, ya'ni. juda qisqa impulsli nurlanish katta energiya zichligini olish imkonini beradi. Bu 1-jadvalni eslatadi. Jadvaldan ko'rinib turibdiki, fokuslangan yuqori quvvatli lazer nurida energiya konsentratsiyasi normal zichlikdagi materiyani to'liq yo'q qilish, to'liq konvertatsiya qilish uchun rekord qiymatdan atigi ming marta kam. massani energiyaga aylantiradi. Lazer kuchining ortishi ba'zilari bilan bog'liq umumiy muammolar, birinchi navbatda, ishlaydigan suyuqlikning xususiyatlari bilan, ya'ni radiatsiya tug'ilgan moddaning o'zi. Ammo impulsli, takroriy impulsli va cw lazerlarga xos muammolar ham mavjud. Masalan, impulsli lazerlar uchun muhim muammolardan biri juda qisqa impulslarning kuchli yorug'lik maydonida optik elementlarning barqarorligidir. Cw va takroriy impulslar uchun issiqlikni yo'qotish muammosi juda muhim, chunki bu lazerlar yuqori o'rtacha quvvatni rivojlantiradi. Uzoq portlash rejimida ishlaydigan lazer uchun impuls quvvati bir pulsning energiyasi vaqt ichida qanchalik jamlanganligini va bir soniya davom etgan bir qator impulslar tomonidan bajarilgan ish haqida o'rtacha ko'rsatadi. Masalan, agar lazer soniyasiga 1 ms davomiylik va har birida 1 J energiya bilan 20 ta impuls bersa, u holda impuls kuchi 1 kVt, o'rtacha quvvat esa 20 Vt bo'ladi.