O`zbekiston respublikasi oliy va o`rta maxsus ta`lim vazirligi qarshi davlat universiteti fizika fakulteti fizika yo’nalishi

Lazerlarning tadqiqotlarda qo’llanishi.
2.Lazerlarning tibbiy diagnostikasi va moddalarning tahliliga ishlatilishi.
Qattiq jismlardan tayyorlangan lazerda (mas, yoqutli lazerda) 0,05% gacha xrom (Sg³⁺) ionlari (aktivator) qo`shilgan alyuminiy oksid (A<sub>12</sub>O<sub>3</sub>) dan tayyorlangan kizil kristalll shisha tayoqcha ishlatiladi. Bunda yoqut silindr shaklida bo`lib, yoqut o`qining ikki uchiga optik rezonator hosil qiluvchi ko`zgular joylashtirilgan. Impulsli lampadan chiqayotgan yorug`lik tebrantirishni vujudga keltiradi. Lampaning yorug`ligi yoqutga tushganda, xrom ionlari lampadan chiqayotgan radiatsiya spektrining yashil va sarik, qismlarini yutib "uyg`ongan" aktivlashgan holatga o`tadi. Natijada nurlanishga tayyor aktiv muhit hosil bo`ladi va yoqutning o`qi bo`ylab ko`zguga tik yo`nalgan jala shaklida ko`payib boruvchi yorug`lik kvantlari paydo bo`ladi. Yoqutli lazerlarda generatsiyalanayotgan yorug`likning quvvati 20 kVt gacha yetadi. Ularning f.i.k. 0,1% dan 10% gacha. Lazer nuri generatsiyasi aktivatorning energiya sathlari orasidan o`tishiga bog`liq. Unda hosil bo`lgan infraqizil nurning to`lqin uzunligi 0,69 mkm. Qattiq jismli lazerlardan neodim lazerida aktiv modda vazifasini neodim (Nd<sup>3+</sup>) ionlari qo`shilgan shisha (CaWO₄) tayoqchadan foydalaniladi. Bu lazer lazer 1,06 mkm li infraqizil nur chiqaradi.
Suyuq jismlardan tayyorlangan lazerda aktiv modda o`rnida "Rodamin6J", piranin, tripaflavin va boshqa ishlati-ladi. Bo`yoqni erituvchi sifatida spirt, atseton, toluol va boshqalardan foydalanib, aktiv modda shisha kyuvetaga joylash-tiriladi (2rasm). Azot lazer yordamida uyg`otiladigan bo`yoq lazerning sxematik tuzilishi ko`rsatilgan. Gazli lazerda [bi-rinchi gazli lazer (He-Ne) aralashmasida amerikalik olim A. Javan tomonidan yaratilgan] aktiv muhit gaz (yoki gaz aralashmasi)dan bo`ladi. Mac, geliy-neon (Ne—Ie)li aktiv muhit geliy va neon gazlar aralashmasidan iborat (3-rasm). Gaz aralashmasi elektr razryadi bilan aktivlashgan holatga keladi. Bun-day lazerda generatsiya Ne ning sathlar orasidan o`tishida sodir bo`ladi. Bunda 3 ta to`lqin uzunlikdagi nur chiqadi: λ<sub>1</sub>=0,63 mkm (qizil nur), λ<sub>2</sub>=1,15mkm va λ<sub>3</sub>=3,39 mkm (infraqizil nurlar). Gazli lazerdan (Co<sub>2+n2</sub>) λ=10,6 mkm uzunlikdagi nur chiqadi. ionli va kimyoviy lazerlar ham gazli lazer hisoblanadi. ionli lazerda aktiv muhitionlashgan atomlar, kimyoviy lazerda esa kimyoviy reak-siyalarda "uyg`ongan" holatga o`tgan atomlar bo`ladi (ion sathlarda ishlovchi argon lazeri ko`k nur chiqaradi). o`zbekiston milliy unti (o`zmu)ning kvant radiofizika kafedrasida o`ta yuqori chastota sohasiga oid tranzistorli avtogeneratorlarda ishlovchi ixcham yengil lazeri yaratilgan.
Faol muhiti shisha bo’lgan lazerlarda aralshma sifatida neoden (Nd) , disproziy (Dy) , samariy (Sm) atomlaridan foydalaniladi.
Geliy-neon lazerlari quvvati bir necha o’n millivattga teng monoxromatik, yaxshi kollimatsiyalangan dasta nurlantiradi, imoulsli va uzluksiz rejimlarda ishlaydi, tuzilishi soda va ishlatilishi qiyosan bexatardir. Bunday lazerlar soektrning ham ko’rinuvchan, ham infraqizil sohalarida nurlanish hosil qiladi. Ular nurlanishining to’lqin uzunligi spektrning ko’rinuvchi sohasida uning qizil qismiga ( ) to’g’ri kelib, spektrning infraqizil sohasida esa to’lqin uzunligi 1150 va 3390 nm gat eng bo’ladi. Bunday turdagi asboblar laboratoriyada qo’llaniladigan lazerning keng tarqalganturi bo’lib, bunda nurlanishning parametrlariga qo’yilgan talablar yuqorida ko’rsatilgan shartlar bilan cheklanadi.
Geliy-neon lazerining prinsipial sxemasi rasmda ko’rsatilgan. Bu yerda 1-diametri bir necha millimetr va uzunligi bir necha o’n santimetrdan 1.5 m gacha va undan ortiq bo’lgan gaz razryad shihsa trubkasi. Trubkaning ko’ndalang yonlari 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 plastinkalarga yurug’lik tushish tekisligida qutblangan nurlanish uchun qaytarish koeffitsiyentlari nolga teng.
Geliyning trubkadagi bosimi taxminan 1 mm sim.ust.ga, neonning bosimi esa 0.1 mm sim.ust. ga teng. Trubkada past voltli manba yordamida qizdiriladigan 2 katod va silindrsimon bo’sh 3 anod bor. Trubkadagi anod bilan katod o’rtasida 1-2.5 kv gacha kuchlanish ulanadi. Trubkaning razryad toki bir necha o’n milliamperga teng. Geliy-neon lazerining razryad trubkasi 4.5 ko’zgular o’rtasiga qo’yiladi. Odatda sfera shaklida ishlangan bu ko’zgular ko’p qatlamli dielektrikm qoplamali qilib yasalib, bu qoplamalarning qaytarish koessitsiyentlari katta qiymatlarga ega bo’lib, yorug’likni qariyb yutmaydi. Bir ko’zguning o’tkazishi odatda 2% ga teng, ikkinchisiniki esa 1% dan kam bo’ladi.
Trubkaning katodi qizdirilgan hamda anod kuchlanishi ulangan bo’lsa, trubka yorug’lanadi va gaz-razryadining pushti rang ustuni yaqqol ko’rinadi. Ishlab turgan trubkaning tashqi ko’rinishi gaz razryad neon reklama trubkalariga o’xshash bo’ladi. Agar bu trubkaning yo’naltirilmagan nurlanishini spektroskop yordamida kuzatsak, neonning ko’rinuvchan spektrning turli sohalarida joylashgan ko’p spektral chiziqlarining to’plamini va geliy yorug’lanishining sariq chiziqlarini ko’ramiz.
Ko’zgular to’g’ri joylashtirilgan bo’lsa, ikkala ko’zgu (ayniqsa o’tkazish koeffitsiyenti katta bo’lgan ko’zgu) orqali to’lqin uzunligi 632.8 nm bo’lgan monoxromatik (qizil) yorug’likning yaxshi kollimatsiyalangan intensive dastalarining tarqalayotganini ko’ramiz. Bu dastalar geliy-neon lazerining nurlanish generatsiyalashi natijasida paydo bo’ladi. Uning spektrida to’lqin uzunligi 632.8 nm ga teng bo’lgan chiziqqina bo’ladi.
O’sha lazer yoqdamida infraqizil nurlanish generatsiyalash va kuzatish uchun gaz-razryad trubkasining ko’ndalang yonlaridagi oynalar infraqizil
nurlanish uchun shaffof bo’lishi , rezonatorning ko’zgulari spektrning infraqizil sohasida yuqori qaytarish koeffitsientiga ega bo’lishi va nihoyat infraqizil nurlanishga sezgir qabul qilgichga , masalan bolometr yoki fotodiodga ega bo’lishi kerak.
Neon sathlarining invers bandligini taminlaydigan protseslarini qisqacha muhokama qilaylik. Rasmda neon atomining energetik sathlarining soddalashtirilgsn sxemasi ko’rsatilgan (o’ng tomonda). To’lqin uzunligi 632.8
va 1150 nm ga teng bo’lgan nurlanishga o’tishlar mos keladi. Neon atomi sathlardan tashqari energiyalari dan kam
b o’lgan 28 ta holatga ega bo’lib, ularning biz uchun ahamiyati yo’q va rasmda ular ko’rsatilmagan. Gaz-razryad plazmasining elektronlari bilan to’qnashish natijasida atomlarning bir qismi uyg’onadi, bu hol rasmda vertikal punktir strelkalar bilan ko’rsatilgan. Razryadning ma`lum rejimlarida va sathlarning invers bandligi uchun bu protses yetarli bo’lar ekan. Lekin nm to’lqin uzunliklarga mos keladigan o’tishlar bo’ladigan , va
sathlar invers ravishda bandlanmagan bo’ladi.
Agar razryad turubkasiga geliy kirgizsak ahvol butunlay o`zgaradi geli uzoq yashavchi metalstabil ikki E_{2 ,} E₃ holatiga ega ; bu holatlar elektronlar bilan to`qnashish vaqtida uyg`onadi va ularning yashash vaqti katta bo`lgani sababli geliyning metastabil atamlarining razryadidagi konsentratsiyasi katta bo`ladi geliyning metastabil holatlarining E_{3 ,} E₂ neonning E_3, E₂ energiyalariga yaqin bo`lib, bu hol geliy bilan neon to`qnashganda uyg`onish energiyasining gelidan neonga uzatilishi uchun qulaydir bu prosesslar gorizontal punkttir strelkalar yoprdamida simvolik ravishda ko`rsatilgan. Natijada E₃ E₂ sathlarida joylashgan neon atomlarining konsentratsiyasi keskin ortadi E₃ , E₁ sathlarning bandliklar farqi esa bir necha marta ko`payadi. Demak neonga gelining (taxminan 5 : 1 – 10 : 1 munosabatda) qo`shilishi geliy – neon lazerlaridagi generatsiyasi uchun juda muhim
Geliy – neon lazeri aktiv muhitning optik jihatdan yuqori darajada bir jinsli bo`lishi nurlanishni kollimasiyalashda va uning fazoviy kogerentligida difraksion chegaraga oson yaqinlashishga imkon beradi agar Yung tajribasidagi tirqishlarni lazerdan chiqayotgan yorug`lik dastasi ko`ndalang kesimining chekkalarigacha sursak yuqorida aytilganlarni ko`rsatish oson bo`ladi. Bunda interferensiya manzarasining ko`rinuvchanligi o`zgarmay turadi.
Aniq miqdoriy tekshirishlar geliy-neon lazeri nurlanishining (λ=632.8 <sub>nm)</sub> fazoviy kogerentlik darajasi γ<sub>1 2</sub> biga yaqin ekanligini ko`rsatdi. Masalan dastaning ko`ndalang kesimidagi intensivligi o`qdagi intensivlikning 0.1% iga teng bo`lgan nuqtalar uchun oqimning kogerent bo`lmagan 1 - γ_{1 2} qismi taxminan 10^-3 ga teng bo`lib o`qdagi nuqtalar uchun taxminan 10^-5ga teng. Hisoblar lazer nurlanishining kogerent bo`lmagan qismining qiymatlari yuqorida ko`rsatilgandek bo`lishiga uning aktiv muhitidagi spontdan chiqarish sababchi ekanligini ko`rsatadi.
Geliy-neon lazeri yuqori darajada kogerent bo`lgani tufayli turli xil interferensiya va difraksiya xodisalarni tekshirishda qo`llanishi kerak bo`lgam uzluksiz monoxromatik nurlanishning juda yaxshi manbayi bo`lib, bunday tekshirishlarni oddiy yorug`lik manbalari bilan o`tkazish uchun maxsus apparaturadan foydalanish zarur bo`lar edi. Geliy-neon lazerlarining turli xildagi variantlari biologic tekshirishlarda, lazerli a`loqa sistemalarida, golografiyada, mashinasozlikda, tibbiyot va texnikaning boshqa ko`p sohalarida keng qo`llaniladigan bo`ldi.

Lazer nurlanishining kvazimonoxromatik komponentlari joylashishi mumkin bo`lgan spektral interval invers bandlikka ega bo`lgan sathlar o`rtasidagi o`tishga mos bo`lgan chiziqning kengligidan bir oz kichik, unga proporsional bo`lishi kerakligi ko`ramiz. Geliy-neon va yoqut lazerlarida chiziqlarning kengligi mos ravishda 0.03sm va 20smga, yuqorida aytilgan spektral intervallar esa 0.01sm va 1 smga teng aktiv muhiti bo`yoqlarning eritmalari bo`lgan optik kvant generatorlarida muhokama qilinayotgan parametrlarining qiymatlari ancha kattadir. Bo`yoqlar kimyoviy jihatdan qiyosan murakkab organik molekulalardan iborat bo`lib, bu molekulalarning fotolyumensensiya spektri minglab sm ga cho`ziladi.
Shunga mos ravishda spektrning bo`yoqlardan foydalanib generatsiya qilish mumkin bo`lgan qismlarning kengliklari ham yuzlab bazan minglab smni tashkil qiladi .

(2.1.1-rasm).Murakkab organik molekula energetik sathlari sxemasi.
Rasmda murakkab molekulaning enrgetik sathlari sxema tarzda ko`rsatilgan. Sathlarning yuqoridagi gruppasi molekula elektronlari uyg`ongan holatlarining biriga, pastagi guruppasi esa elektronlarning asosiy holatiga to`g`ri keladi. Ko`rsatilgan gruppalarning har birida molekula yadrolarining har birida molekula yadrolarining turli tebranma holatlariga mos bo`lgan sathlar bor. Tebranma erkinlik darajalarining soni ko`p bo`lgani uchun sathlarning yuqorigi va pastki gruppalarning strukturalari juda murakkab, lekin biz oldimizga qo`ygan maqsadga erishish uchun ularni konkretlashtirishning zaruriyati yo`q. Lyuminsensiya spektri molekulalarning yuqorigi gruppa sathlaridan pastki gruppa sathlariga o`tishlariga mos bo`lgan ko`p chiziqlardan iborat bo`lishi muhim bo`lib, ayrim chiziqlar ajralmaydi va ularning jami lyuminsensiyasining uzluksiz spektrini tashki qiladi bu hol rasmning paski qismida sxema tarzda ko`rsatilgan bo`lib, bu yerdagi vertical kesmalar individual sathlar o`rtasidagi o`tishlarning Bor chastotalariga mos kelib, punktr egri cjiziq ayrim spectral chiziqning konturini, tutash egri chiziq esa lyuminsensiya polasasining jami konturini ko’rsatadi.
Bo’yoq molekulalarini optik usulda uyg’otish vaqtida bo’lib o’tadigan prosesslarning umumiy manzarasini quyidagicha tasavvur qilish mumkin. Molekula ħώ<sub>uyg`</sub> fotonni yutgandan so’ng asosiy holatdan uyg’otilgan elektron holatining bir yoki bir necha (uyg’otuvchi yorug’lik spektrining kengligiga qarab ) tebranma sathlariga o`tadi rasmda bu protsess chap tomonda yuqoriga qaragan strelka bilan ko`rsatilgan. Molekula ichidagi protsesslar hamda erituvchi bilan o`zaro tasirlashish natijasida molekula yuqoridagi gruppaning eng pastki sathlariga nurlanishsiz o`tadi, bunday o`tish protsessi ( yuqoridagi to`lqinsimon strelka ) juda qisqa (10^-11-10^-12c ) vaqtda bo`ladi. Yuqoridagi gruppaning pastki sathlaridan asosiy electron holatning hamma tebranma sathlariga o`tish ( pastga yo`nalgan to`g`ri strelkalar ) natijasida ħώ fotonlar spontan ravishda yoki majburiy ravishda chiqariladi. Bu elektron tebranma o`tishlar bilan bog`langan va qisman ustma ust tushadigan chiziqlarning to`plami lyuminsensiyaning va kuchaytirishning keng tutash spektrini tashkil qilishini yuqorida aytdik.
Ilgari sathlarning yuqoridagi gruppasi nisbatan aytilgan sabablarga binoan, asosiy elektron holatda uyg`otilgan tebranma holatlar tez ( 10<sup>-11</sup>-10<sup>-12</sup>c ) davomida so`nadi, natijada ularning bandligi kam bo`ladi ( pastdagi to`lqinsimon strelkalar ). Shunday qilib, pastga yo`nalgan to`g`ri strelkalar bilan tutashtirilgan sathlar invers balandlikka ega bo`ladi.
Ko`rsatilgan sxema soddalashtirilgan bo`lib, generasiyaning rivojlanishini biror darajada qiyinlashtiradigan bir qator faktorlar bor. Xalaqit beradigan faktorlar qatoriga yoritilganlikning qiymatlari katta bo`lganda bo`yoq molekulalarining fotokimyoviy parchalanishi, uyg`otilgan electron holatning eritmaning qizishi natijasida nurlanishsiz sinishi va boshqalar kiradi. Lekin bu to`siqlarning hammasi mahsus metodlardan foydalanish natijasida bartaraf qilinadi va turli xil bo`yoqlardan foydalanib (ularning soni hozirgi vaqtda yuzga yetdi) implusli va uzluksiz rejimda, spektrning keng (350dan 1000 nm gacha) sohasida va uyg`otuvchi nurlanish sifatida ksenon gaz – razryad lampalari va lazerlardan foydalanish generatsiyani amalga oshirish mumkin.
Rasmda uzluksiz rejimda ishlaydigan bo`yoq moddali lazerning optik sxemasi ko`rsatilgan. Uyg`otuvch yorug`lik dastasini ( tutash to`gri chiziqlarni ) M<sub>1</sub> ko`gu bo`yoq eritmasi solingan K kyuvettaga fokuslaydi. Uyg`otuvchi yorug`likni uzluksiz ishlaydigan argon lazeri beradi. Qisman o`tib ketgan uyg`otuvchi yorug`likni M₂ kyuvetaga qaytaradi. M₁ , M₂ M₃ ko`zgular lazerning optic rezanatorini tashkil qiladi; punktr to`g`ri chiziqlar generasiya qilinayotgan dastaning tasvirlaydi; yorug`likning kyuveta chegaralaridan qaytishi tufayli bo`ladigan isroflarni kamaytirish uchun kyuvetani rezanator o`qiga nisbatan Bryuster burchagi ostida joylashtirish zarur.
Rodamin 6-G kabi bo`yoq eritmasi solingan lazer nurlanishining spektri ko`rsatilgan.

(2.1.2-rasm). Bo’yoq moddali lazerning optik sxemasi.
Spektrning bu holatdagi kengligi ikki nanometrga yaqin. Boshqa bo`yoqlardan foydalanish va uyg`otish quvvatini oshirish lazer nurlanishi spektrning kengligini yanada ko`proq oshirish imkoniyatini beradi. Resonator xususiy chastotalarning diskretliligiga bog`liq bo`lgan spektr rasmda ko`rsatilmagan. Spektrda ko`rinib turgan yorug` polosalar havoda doimo mavjud bo`lgan suv bug`larining yorug`likni yutishi natijasida paydo bo`lgan.
Agar M₃ ko`zgu o`rniga P prizma (spectral asboblarda qo`llaniladigan prizmalarga o`xshash) qo`yib M<sub>4</sub> ko`zguni rasmda punktr bilan ko`rsatilganidek joylashtirsak, lazer nurlanishining spektori keskin torayadi. Nurlanish spektri torayishining sababi dastaning prizma tomonidan og`dirilishining to`lqin uzunligiga bog`liqligiga bo`lsa kerak.
M<sub>4</sub>-ko`zguning ma`lum bir vaziyatda joylashishida va yorug`lik bu ko`zgu yuzining D diafragma bilan cheklangan ma`lum qismidan qaytganida ma`lum to`lqin uzunligiga ega bo`lgan yorug`likkina kyuvetta hajmining aktiv qismiga qaytadi.
Bio tibbiyotda diagnostik tatqiqotlarda yuqori spektlar sezgirli lazerlar ishlatiladi.
Xususan tirik organizmlarni tashqi muhit bilan gaz almashinuvi jarayonida gazsimon molekula–bio markerlarni tahlil qilinadi.Bu usulning ijobiy tomoni havo orqali yuqumli kasaliklarni organizimga kirishi oldini oladi.
Qaralayotgan usulning alternativasi qon analizidir.Undadiabet ichki organlarning saratoni, jigar serozi aniqlanadi.Yangi tatqiqot usuli esa havo tarkibidagi atseton miqolariga qarab qand miqdori aniqlanadi.Chunki diabet bilan kasal langan bemorning qonidagi qand miqdori oshganda o’kasi atseton ajraladi.Natijada nafasdan mevahidi keladi.Havodagi atseton molekulalarning miqdori kamligitahlil murakkablashadi. Shuning uchun diodli lazer spektroskopiyasi (D.L.S.) effektiv usul hisoblanadi.
Bu lazerlar juda tor chiziqlarda (Δλ/λ < 10^-7) nurlanadi va chastota generatsiyasi keng diapazonda amalga oshiriladi. Ishchi spektlar soha 0,6-40 mk gacha. Bu sohada ko’p sonli molekulalalarnining tebranma–aylanma (TA) yutilish spektri yotadi. Olinayotgan spektr malekulaning kimyoviy tarkibi va simmetriyasinianiqlaydi. Natijada yuqori aniqlik bilan kimyoviy birikma yutilishini yozish mumkin . Uzoq va yaqin, infra qizil sohalarni tor zonalik yarim o’tkazgichli lazerlar generatsiyalaydi. (Pb Sn Te, Pb S Se,). Yaqin infr qizil (0,9 -3,5 mkm ) sohani Al Ga As, In Ga As birikmali lazerlar ta’minlab beradi.
Ga As lazerlar xona temperaturasida kam ishlay oladi.Bu lazerlardagi amplitudali va chastotali shovqinlar sathi past bo’lgani uchun alohida tebranma – aylanma spektrlari rezonans yutilishni qayd qilish imkonini beradi. Aniqlik tekshirilayotgan molekula, spektrini optik zichlik o`zgarishiga sezgirligi 10<sup>-7</sup> va spektral sezgirlikning o`zgarishiga 3*10⁴ sm^-1.
Molekulalar va bio markerlarni tahlilida murakkab gaz aralashmalarini tarkibini ko`rishga to`g`ri keladi. Chunki nafasdagi havoda 300 dan ortiq muallaq kimyoviy birikmalar ishtirok etadi. Ulardan asosiylari H<sub>2</sub>O, SO<sub>2</sub> infra qizil sohadagi yutilishni qaraganda tahlilga xalaqit beradi, sababi miqdor jihatdan ustunlikdir. Shuning uchun tadqiqotlarda H<sub>2</sub>O, SO<sub>2</sub> uchun shaffof bo`lgan sohaga mos keluvchi intensiv chiziqlar tekshiriladi. Spektral chiziqlarni analitik xossasini solishtirishda Reley kretirisidan foydalaniladi. Qaralayotgan yuqori ajratish qobilyatiga ega bo`lgan usulda modda konsentratsiyasini aniqlash Buger qonunu bo`yicha amalga oshadi.

(2.1.3-rasm). Spektr gaz simon moddaning optik yo`ldagi intensivlik spektri va bu spektrni qayd qiluvchi diodli lazerli gazo analizator.