Reja: Lazerlar haqida umumiy ma`lumot

1. Lazerlar haqida umumiy ma`lumot

Gaz lazerlari

Reja:

1. Lazerlar haqida umumiy ma`lumot

   
   

2. Gaz lazerlari

   
   

3. CO₂ lazeri

   
   

4. Lazerlarning fizik tadqiqot metodlarida qo`llanilishi

   
   

Xulosa
Foydalan foydalanilgan adabiyotlar

1. Lazerlar haqida umumiy ma`lumot
"Lazer" atamasi nisbatan yaqinda paydo bo'lgan, ammo u uzoq vaqt oldin mavjud bo'lganga o'xshaydi, shuning uchun u keng qo'llanila boshlandi. Lazerlarning paydo bo'lishi kvant elektronikasining eng ajoyib va ​​ta'sirchan yutuqlaridan biri bo'lib, fanning 1950-yillarning o'rtalarida paydo bo'lgan tubdan yangi yo'nalishdir. Lazer (inglizcha laser, inglizcha laser, inglizcha yorug'likni kuchaytirish orqali radiatsiya stimulyatsiyasi - nurni kuchaytirish orqali nurlanish stimulyatsiya qilingan nurlanish), optik kvant generatori nasos energiyasini (yorug'lik, elektr, issiqlik, kimyoviy va boshqalar) ga aylantiruvchi qurilma. kogerent energiya, monoxromatik, qutblangan va tor yo'naltirilgan nurlanish oqimi Majburiy o'tish mexanizmidan foydalangan holda birinchi marta elektromagnit nurlanish generatorlari 1954 yilda sovet fiziklari A.M. Proxorov va N.G. Basov va amerikalik fizik C. Townes 24 gigagertsli chastotada. Ammiak faol vosita bo'lib xizmat qildi. Optik diapazonning birinchi kvant generatori 1960 yilda T. Meyman (AQSh) tomonidan yaratilgan. Inglizcha “LightAmplificationbystimulated emissionofradiation” (Light amplification by stimulated emission) iborasining asosiy komponentlarining bosh harflari yangi qurilma nomini tashkil qildi - lazer. U radiatsiya manbai sifatida sun'iy yoqut kristalidan foydalangan, generator impulsli rejimda ishlagan. Bir yil o'tgach, doimiy emissiyali birinchi gaz lazeri paydo bo'ldi (Javan, Bennett, Eriot - AQSh). Va bir yil o'tgach, yarimo'tkazgichli lazer bir vaqtning o'zida SSSR va AQShda yaratildi. Lazerlarga e'tiborning tez o'sishining asosiy sababi, birinchi navbatda, ushbu qurilmalarning o'ziga xos xususiyatlaridadir.[1]
Lazerning o'ziga xos xususiyatlari:

• monoxromatik (qat'iy monoxromatiklik),

  
  

• yuqori kogerentlik (tebranishlarning mustahkamligi),

  
  

• yorug'lik nurlanishining keskin yo'nalishi.

  
  

Lazerlarning bir nechta turlari mavjud:

• yarimo'tkazgich;

  
  

• qattiq holat;

  
  

• gaz;
  

• yoqut.
  

Ikki tomonlama heterostrukturali lazerlar. Ushbu qurilmalarda torroq tarmoqli bo'shlig'iga ega bo'lgan material qatlami kengroq tarmoqli bo'shlig'iga ega bo'lgan ikki qatlamli material orasiga o'rnatiladi. Ko'pincha galliy arsenid (GaAs) va alyuminiy galyum arsenid (AlGaAs) ikkita heterostrukturaga asoslangan lazerni amalga oshirish uchun ishlatiladi. Ikki xil yarimo'tkazgichning har bir birikmasi geterostruktura deb ataladi va qurilma "ikkita heterostrukturali diod" (DHS) deb ataladi. Ingliz adabiyotida "ikkita heterostrukturali lazer" yoki "DH lazer" nomlari qo'llaniladi. Maqolaning boshida tasvirlangan dizayn bugungi kunda keng qo'llaniladigan ushbu turdagi farqlarni ko'rsatish uchun "homojunction diode" deb ataladi. Ikki tomonlama heterostrukturali lazerlarning afzalligi shundaki, elektronlar va teshiklarning birgalikda yashash hududi ("faol hudud") nozik o'rta qatlamda joylashgan. Bu shuni anglatadiki, ko'proq elektron-teshik juftlari daromadga hissa qo'shadi - ularning ko'pi past daromadli mintaqada periferiyada qolmaydi. Bundan tashqari, yorug'lik hetero-birikmalarning o'zidan aks etadi, ya'ni nurlanish maksimal samarali kuchaytirish mintaqasida to'liq o'ralgan bo'ladi. Kvant quduqli diod. Agar DHS diodining o'rta qatlami yanada nozikroq bo'lsa, bunday qatlam kvant qudug'i sifatida ishlay boshlaydi. Bu shuni anglatadiki, vertikal yo'nalishda elektronlar energiyasi kvantlana boshlaydi. Kvant quduqlarining energiya darajalari orasidagi farq potentsial to'siq o'rniga radiatsiya hosil qilish uchun ishlatilishi mumkin. Ushbu yondashuv radiatsiya to'lqin uzunligini boshqarish nuqtai nazaridan juda samarali, bu o'rta qatlamning qalinligiga bog'liq bo'ladi. Emissiya jarayonida ishtirok etadigan elektronlar va teshiklarning zichligiga bog'liqligi bir xil taqsimotga ega bo'lganligi sababli, bunday lazerning samaradorligi bir qatlamli lazerga nisbatan yuqori bo'ladi.

Lazer operatsiyasining jismoniy asosi - bu hodisa majbur, yoki induktsiya, radiatsiya. Uning mohiyati nimada? Qanday nurlanish stimulyatsiyalangan deb ataladi? Barqaror holatda moddaning atomi eng kam energiyaga ega. Bunday davlat ko'rib chiqiladi asosiy, va boshqa barcha davlatlar hayajonlangan. Agar biz ushbu holatlarning energiyasini solishtirsak, unda qo'zg'aluvchan holatda u asosiy holatga nisbatan haddan tashqari ko'pdir. Atom hayajonlangan holatdan barqaror holatga o'tganda, atom o'z-o'zidan foton chiqaradi. Bu elektromagnit nurlanish deyiladi spontan emissiya. Agar hayajonlangan holatdan barqaror holatga o'tish tashqi (induktsiya) foton ta'sirida majburiy ravishda sodir bo'lsa, u holda energiyasi o'tish darajalari energiyalari farqiga teng bo'lgan yangi foton hosil bo'ladi. Bunday nurlanish deyiladi majbur . Yangi foton - bu emissiyaga sabab bo'lgan fotonning "aniq nusxasi". U bir xil energiya, chastota va fazaga ega. Biroq, u atom tomonidan so'rilmaydi. Natijada, allaqachon ikkita foton mavjud. Boshqa atomlarga ta'sir qilib, ular yangi fotonlarning keyingi paydo bo'lishiga olib keladi. Atom qo'zg'aluvchan holatda bo'lganida, induksion foton ta'sirida atom tomonidan yangi foton chiqariladi. Qo'zg'atmagan holatda bo'lgan atom shunchaki induksiya qiluvchi fotonni o'zlashtiradi. Shuning uchun yorug'lik kuchayishi uchun qo'zg'aluvchan atomlarga qaraganda ko'proq qo'zg'atilgan atomlar bo'lishi kerak. Bunday davlat deyiladi populyatsiya inversiyasi.[2]
Lazer dizayni 3 elementni o'z ichiga oladi:
1. Lazerning "nasos" mexanizmi deb ataladigan energiya manbai.
2. Lazerning ishchi organi.
3. Ko'zgular tizimi yoki optik rezonator.
Energiya manbalari har xil bo'lishi mumkin: elektr, issiqlik, kimyoviy, yorug'lik, va hokazo. Ularning vazifasi lazerning ishchi tanasini energiya bilan "pompalash" va unda lazer nuri oqimining paydo bo'lishiga olib keladi. Energiya manbai deyiladi mexanizmilazerni "pompalash" . Ular bo'lishi mumkin kimyoviy reaksiya, boshqa lazer, flesh-chiroq, elektr uchqun bo'shlig'i va boshqalar. ishlaydigan suyuqlik , yoki lazer materiallari , vazifalarni bajaradigan moddalarni nomlang faol muhit. Lazer nurlari aynan ishchi organda paydo bo'ladi. Bu qanday sodir bo'ladi? Jarayonning eng boshida ishchi suyuqlik termodinamik muvozanat holatida bo'ladi va atomlarning aksariyati normal holatda bo'ladi. Radiatsiyani keltirib chiqarish uchun tizim bir holatga o'tishi uchun atomlarga ta'sir qilish kerak populyatsiya inversiyalari. Bu vazifa lazerli nasos mexanizmi tomonidan amalga oshiriladi. Bir atomda yangi foton paydo bo'lishi bilanoq, u boshqa atomlarda fotonlarni ishlab chiqarish jarayonini boshlaydi. Bu jarayon tez orada qor ko'chkisiga aylanadi. Ishlab chiqarilgan barcha fotonlar bir xil chastotaga ega bo'ladi va yorug'lik to'lqinlari juda katta quvvatga ega yorug'lik nurini hosil qiladi. Lazerlarda faol muhit sifatida qattiq, suyuq, gazsimon va plazmali moddalar ishlatiladi. Misol uchun, 1960-yilda yaratilgan birinchi lazerda faol vosita yoqut edi. Ishchi suyuqlik quyiladi optik rezonator . Ulardan eng oddiy ikkita parallel oynadan iborat bo'lib, ulardan biri shaffofdir. U yorug'likning bir qismini aks ettiradi va bir qismini uzatadi. Ko'zgularni aks ettirgan holda, yorug'lik nuri qaytib keladi va kuchayadi. Bu jarayon ko'p marta takrorlanadi. Lazerning chiqishida juda kuchli yorug'lik to'lqini hosil bo'ladi. Rezonatorda ko'proq nometall bo'lishi mumkin. Bundan tashqari, lazerlarda boshqa qurilmalar - aylanish burchagini o'zgartirishi mumkin bo'lgan nometall, filtrlar, modulyatorlar va boshqalar ishlatiladi.Ularning yordami bilan siz to'lqin uzunligini, pulsning davomiyligini va boshqa parametrlarni o'zgartirishingiz mumkin. Zamonaviy lazerlar mikroskopik yarimo'tkazgichli lazerlardan tortib, futbol maydonidagi ulkan neodimiy lazerlarga qadar turli o'lchamlarga ega. Zamonaviy hayotni lazersiz tasavvur qilib bo'lmaydi. Lazer texnologiyalari turli sohalarda qo'llaniladi: fan, texnologiya, tibbiyot. Kundalik hayotda biz lazerli printerlardan foydalanamiz. Do'konlar lazer shtrix-kodni o'qish moslamalaridan foydalanadi. Sanoatda lazer nurlari yordamida sirtni eng yuqori aniqlikda (kesish, purkash, qotishma va boshqalar) ishlov berish mumkin. Lazer kosmik ob'ektlargacha bo'lgan masofani santimetr aniqligi bilan o'lchash imkonini berdi. Tibbiyotda lazerlarning paydo bo'lishi juda o'zgardi. Zamonaviy jarrohlik amaliyotini lazer skalpellarisiz tasavvur qilish qiyin, ular eng yuqori sterillikni ta'minlaydi va to'qimalarni aniq kesadi. Ularning yordami bilan deyarli qonsiz operatsiyalar amalga oshiriladi. Lazer nurlari yordamida tananing tomirlari xolesterin plitalaridan tozalanadi. Lazer oftalmologiyada keng qo'llaniladi, u erda ko'rishni to'g'rilash, retinal ajralishlar, katarakta va boshqalarni davolash uchun ishlatiladi.Uning yordami bilan buyrak toshlari eziladi. Bu neyroxirurgiya, ortopediya, stomatologiya, kosmetologiya va boshqalarda ajralmas hisoblanadi.
An'anaviy diodaning anodiga ijobiy potentsial qo'llanilganda, diod oldinga egilgan deyiladi. Bunday holda, p-mintaqadagi teshiklar p-n o'tishning n-hududiga, n-hududidan elektronlar esa yarimo'tkazgichning p-hududiga AOK qilinadi. Agar elektron va teshik "yaqin" bo'lsa (tunnel qilish mumkin bo'lgan masofada), ular ma'lum bir to'lqin uzunlikdagi foton (energiya saqlanishi tufayli) va fonon shaklida energiya chiqishi bilan qayta birlashishi mumkin. impulsning saqlanishi tufayli, chunki foton impulsni olib ketadi) . Bu jarayon spontan emissiya deb ataladi va LEDlarda nurlanishning asosiy manbai hisoblanadi. Biroq, ma'lum sharoitlarda, elektron va rekombinatsiyadan oldingi teshik kosmosning bir mintaqasida juda uzoq vaqt (mikrosekundlargacha) bo'lishi mumkin. Agar hozirgi vaqtda kerakli (rezonansli) chastotali foton fazoning ushbu hududidan o'tsa, u ikkinchi fotonning chiqishi bilan majburiy rekombinatsiyaga olib kelishi mumkin va uning yo'nalishi, polarizatsiya vektori va fazasi birinchisining bir xil xususiyatlariga to'liq mos keladi. foton.
Lazerli diodda yarimo'tkazgichli kristall juda nozik to'rtburchaklar plastinka shaklida amalga oshiriladi. Bunday plastinka asosan optik to'lqin o'tkazgich bo'lib, bu erda nurlanish nisbatan kichik bo'shliqda cheklangan. Kristalning yuqori qatlami n-mintaqani hosil qilish uchun doplanadi va pastki qatlamda p-mintaqasi hosil bo'ladi. Natijada katta maydonning tekis p-n birikmasi hosil bo'ladi. Kristalning ikki tomoni (uchlari) silliq parallel tekisliklarni hosil qilish uchun silliqlanadi, ular Fabri-Perot rezonatori deb ataladigan optik rezonatorni hosil qiladi. Ushbu tekisliklarga perpendikulyar bo'lgan o'z-o'zidan emissiyaning tasodifiy fotonlari butun optik to'lqin o'tkazgichdan o'tadi va u chiqishdan oldin uchidan bir necha marta aks etadi. Rezonator bo'ylab o'tib, u stimulyatsiya qilingan rekombinatsiyaga olib keladi, bir xil parametrlarga ega bo'lgan ko'proq fotonlarni yaratadi va nurlanish kuchayadi (rag'batlantiruvchi emissiya mexanizmi). Daromad yo'qotishdan oshib ketishi bilan lazerni yaratish boshlanadi. Lazerli diodlar bir necha turdagi bo'lishi mumkin. Ularning asosiy qismida qatlamlar juda nozik holga keltiriladi va bunday struktura faqat bu qatlamlarga parallel yo'nalishda radiatsiya hosil qilishi mumkin. Boshqa tomondan, agar to'lqin uzunligi bilan solishtirganda to'lqin qo'llanmasi etarlicha keng bo'lsa, u allaqachon bir nechta transvers rejimlarda ishlashi mumkin. Bunday diyot multi-mode (inglizcha "multi-mode") deb ataladi. Bunday lazerlardan foydalanish qurilmadan yuqori radiatsiya quvvati talab qilinadigan va nurning yaxshi konvergentsiyasi sharti o'rnatilmagan (ya'ni uning sezilarli darajada tarqalishiga ruxsat berilgan) hollarda mumkin. Bunday qo'llash sohalari: printerlar, kimyo sanoati, boshqa lazerlarni pompalash. Boshqa tomondan, agar nurni yaxshi fokuslash kerak bo'lsa, to'lqin o'tkazgichning kengligi radiatsiya to'lqin uzunligi bilan solishtirilishi kerak. Bu erda nurning kengligi faqat diffraktsiya tomonidan qo'yilgan chegaralar bilan aniqlanadi. Bunday qurilmalar optik xotira qurilmalarida, lazerli belgilarda, shuningdek, tolali texnologiyada qo'llaniladi. Ammo shuni ta'kidlash kerakki, bunday lazerlar bir nechta uzunlamasına rejimlarni qo'llab-quvvatlay olmaydi, ya'ni ular bir vaqtning o'zida turli to'lqin uzunliklarida nur chiqara olmaydi. Lazerli diodaning radiatsiya to'lqin uzunligi yarimo'tkazgichning p- va n-mintaqalari energiya darajalari orasidagi tarmoqli bo'shlig'iga bog'liq. Nurlantiruvchi element juda nozik bo'lganligi sababli, diodaning chiqishidagi nur diffraktsiya tufayli deyarli darhol ajralib chiqadi. Ushbu ta'sirni qoplash va nozik nurni olish uchun birlashtiruvchi linzalardan foydalanish kerak. Silindrsimon linzalar ko'pincha multimodli keng lazerlar uchun ishlatiladi. Yagona rejimli lazerlar uchun nosimmetrik linzalardan foydalanganda nurlar kesimi elliptik bo'ladi, chunki vertikal tekislikdagi divergensiya gorizontaldagi farqdan oshib ketadi. Bu lazer ko'rsatgich nuri misolida eng aniq ko'rinadi. Yuqorida tavsiflangan eng oddiy qurilmada optik rezonatorning qiymat xarakteristikasi bundan mustasno, bitta to'lqin uzunligini ajratib bo'lmaydi. Biroq, bir nechta uzunlamasına rejimlarga ega bo'lgan qurilmalarda va etarlicha keng chastota diapazonida nurlanishni kuchaytirishga qodir bo'lgan materiallarda bir nechta to'lqin uzunliklarida ishlash mumkin. Ko'p hollarda, shu jumladan, eng ko'zga ko'ringan lazerlar, ular bitta to'lqin uzunligida ishlaydi, ammo bu kuchli beqarorlikka ega va ko'plab omillarga bog'liq - joriy kuchning o'zgarishi, atrof-muhit harorati va boshqalar So'nggi yillarda eng oddiy lazer dizayni. Yuqorida tavsiflangan diod ko'plab yaxshilanishlarga duch keldi, shuning uchun ularga asoslangan qurilmalar zamonaviy talablarga javob berishi mumkin. [3]
Hozirgi kunda lazеr asosida ishlaydigan juda ko‘p turdagi kvant asboblari, uskunalari va sistеmalari yaratilgan. Ammo ulardan samarali foydalana oladigan mutaxassislar juda kam. Ikkinchidan turli-tuman maishiy va ilmiy kvant qurulmalarini loixalashtiraoladigan mutaxassislar ham yetishmaydi. Bu esa kvant elеktronika buyumlarini loyixalashtirishda, ularni biladigan mutaxassislarni tayyorlashning samarali yo‘llarni va mеtodlarini yaratishni talab qiladi. Kvant elеktronikasi – qattiq jismlar tarkibiga kiruvchi elеktronlar bilan elеktromagnit nurlanishning o‘zaro ta’sirlashuvi natijasida Sodir bo‘luvchi hodisalarni o‘rganuvchi fizikaning Sohasidir. Bu Soxadagi tadqiqotlardan olingan ma’lumotlar asosida turli SOxalarda qo‘llanishga mo‘ljallangan kvant elеktronika asboblari yaratilmoqda. Shuni ta’kidlash kеrakki, nurlanish manbai sifatida lazеrlar asosida qo‘llaniladigan qurulmalar kеng foydalanilmoqda. Bunday mеtod va qurulmalar moddalarning tuzulishini, ularda sodir bo‘layotgan jarayonlar mеxanizmlarini va kinеtikasini o‘rganishda eng samarali mеtodlar bo‘lib qolmoqda. Spеktroskopik, intеrfеromеtrik va shular kabi ko‘plab fiziko-kimyoviy mеtodlar shular jumlasidandir. Muhit hususiyatlarini ancha batafsil o‘rganish borasidagi zamonaviy talablarga optik usullarga asoslangan barcha spеktroskopik mеtodlar dеyarli to‘la javob bеradi. Lazеr nurlanishining monoxromatikligi, faza, amplituda, qutublanishi va tarqalish koeffitsiеntining kichikligi, apparat funksiyasining tor SOxada bo‘lishi, katta quvvatga egaligi kabi xususiyatlari ulardan foydalanishning SOxalarini kеngaytiradi va katta imkoniyatlarni yaratib bеrmoqda. Muhit bilan elеktromagnit to‘lqinlar o‘zaro ta’sirlashganda qayd etilayotgan paramеtrlar shu ta’sir natijasida o‘zgarishi mumkin. Masalan, qutublanish-anizotropiya hodisalari bilan ifodalansa, faza – tarqalish gеomеtriyasi va ta’sirlashish natijasida sinish ko‘rsatkichi orqali aniqlanadi. Shu yerda majburiy nurlanishning yuqori darajadagi kogorеntligi, monoxromatikligi va yuqori darajadagi spеktral enеrgiya zichligiga ega bo‘lgan yorug‘lik manbai ekanligini e’tirof etish joizdir. Golografiya bir qarashda biz tanlagan ilmiy tadqiqot yo‘nalishidan biroz chеtda qolib kеtayotganga o‘xshaydi, ya’ni ta’rifiga ko‘ra bu elеktromagnit to‘lqinlar intеrfеrеnsiyasi asosida shakllangan xajmiy tasvir olishning usulidir. Ammo, lazеrlarning kogorеnt nurlanishisiz golografiyani amalga oshirib bo‘lmas edi. Bu soxada ham lazеrlarning tadbiqisiz xеch narsani amalga oshirib bo‘lmas edi. Umuman olganda, kvant elеktronikasi va lazеr tеxnikasining xalq xo‘jaligining qaysi soxasida qo‘llash chеgaralarini aniqlash ancha qiyin ish. Mana shunday holat tеzda rivojlanayotgan fanlarga xos dеb hiSOblasak xato bo‘lmaydi. SHunga qaramasdan, lazеr tеxnikasi prеdmеtini ko‘rib chiqsak o‘rinli bo‘lardi.