Termiz davlat universiteti fakulteti

Lazer qanday ishlaydi

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 tanasiga energiyani "nasos qilish" va unda lazer nuri oqimining paydo bo'lishiga olib keladi. Energiya manbai deyiladi mexanizmiLazerni "pompalash" ... Bu kimyoviy reaktsiya, boshqa lazer, chiroq, elektr uchqun bo'shlig'i va boshqalar bo'lishi mumkin.
Ishchi organ , yoki lazer materiallari , vazifalarni bajaradigan moddalar deyiladi faol muhit... Aslida, lazer nuri ishchi muhitda hosil 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 holatga o'tishi uchun atomlarga ta'sir qilish kerak populyatsiya inversiyasi... Bu vazifa lazerli nasos mexanizmi tomonidan amalga oshiriladi. Bir atomda yangi foton paydo bo'lishi bilanoq, u boshqa atomlarda fotonlarning hosil bo'lish jarayonini boshlaydi. Bu jarayon tez orada qor ko'chkisiga aylanadi. Olingan barcha fotonlar bir xil chastotaga ega bo'ladi va yorug'lik to'lqinlari juda katta quvvatli nurni hosil qiladi.
Lazerlarda faol muhit sifatida qattiq, suyuq, gazsimon va plazmali moddalar ishlatiladi. Masalan, 1960 yilda yaratilgan birinchi lazerda yoqut faol vosita bo'lgan.
Ishchi organ joylashtirilgan optik rezonator ... Ulardan eng oddiyi 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. Lazerdan chiqishda 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, impuls davomiyligini va boshqa parametrlarni o'zgartirishingiz mumkin. Yigirmanchi asrning ikkinchi yarmida fizikaning eng ajoyib yutuqlaridan biri ajoyib qurilma, optik kvant generatori yoki lazerni yaratishga asos bo'lgan fizik hodisalarning kashf qilinishi bo'ldi. Lazer - bu monoxromatik kogerent yorug'lik manbai bo'lib, yorug'lik nurining yuqori yo'naltiruvchanligiga ega. Kvant generatorlari - fan va texnikaning turli sohalarida eng zamonaviy yutuqlarni o'zida mujassam etgan elektron qurilmalarning maxsus klassi. Lazerlarga gazli lazer deyiladi, bunda faol vosita - gaz, bir necha gazlar aralashmasi yoki metall bug'li gazlar aralashmasi. Hozirgi vaqtda gaz lazerlari eng ko'p ishlatiladigan lazer turi hisoblanadi. Gaz lazerlarining har xil turlari orasida siz har doim lazerga bo'lgan deyarli har qanday talabni qondiradigan lazerni topishingiz mumkin, faqat impulsli rejimda spektrning ko'rinadigan hududida juda yuqori quvvat. Materiallarning chiziqli bo'lmagan optik xususiyatlarini o'rganishda ko'plab tajribalar uchun yuqori kuchlar talab qilinadi. Hozirgi vaqtda gaz lazerlarida ulardagi atom zichligi etarlicha yuqori bo'lmaganligi uchun yuqori kuchlar olinmagan. Biroq, deyarli barcha boshqa maqsadlar uchun, optik nasosli qattiq holli lazerlardan ham, yarimo'tkazgichli lazerlardan ham yaxshiroq ishlaydigan o'ziga xos gaz lazer turini topish mumkin.
Gazli lazerlarning katta guruhi gaz chiqaruvchi lazerlardan iborat bo'lib, unda faol muhit kamdan-kam uchraydigan gaz (bosimi 1-10 mm simob ustuni), nasos esa elektr zaryadsizlanishi orqali amalga oshiriladi. to'g'ridan -to'g'ri yoki yuqori chastotali (10–50 MGts) o'zgaruvchan tok bilan yaratilgan. Gaz chiqarish lazerlarining bir necha turlari mavjud. Ion lazerlarida nurlanish ionlarning energiya sathlari orasidagi elektronlarning o'tishi hisobiga olinadi. Misol, shahar yoyining oqishini ishlatadigan argon lazeridir. Atomlarning o'tish davri lazerlari atomlarning energiya darajalari orasidagi elektronlarning o'tishi natijasida hosil bo'ladi. Bu lazerlar to'lqin uzunligi 0,4–100 mkm bo'lgan nurlanishni chiqaradi. Taxminan 1 mm Hg bosim ostida geliy va neon aralashmasida ishlaydigan geliy-neon lazerini misol qilib ko'rsatish mumkin. San'at Taxminan 1000 V doimiy voltajdan hosil bo'lgan porloq oqim nasos uchun xizmat qiladi. Gaz tushirish lazerlari, shuningdek, molekulalarning energiya darajalari orasidagi elektronlarning o'tishidan kelib chiqadigan nurlanish molekulyar lazerlarni ham o'z ichiga oladi. Bu lazerlar 0,2 dan 50 mkm gacha to'lqin uzunligiga mos keladigan keng chastota diapazoniga ega. Eng keng tarqalgan molekulyar karbonat angidrid lazer (CO 2 lazer). U 10 kVt quvvatga ega bo'lishi mumkin va juda yuqori samaradorlikka ega - taxminan 40%. Azot, geliy va boshqa gazlarning aralashmalari odatda asosiy karbonat angidridga qo'shiladi. Nasos uchun to'g'ridan-to'g'ri oqim yoki yuqori chastotali nurli oqim ishlatiladi. Karbonat angidridli lazer to'lqin uzunligi taxminan 10 mikron bo'lgan nurlanish hosil qiladi. Kvant generatorlarining dizayni ularning ishlashini aniqlaydigan jarayonlarning xilma -xilligi tufayli juda zahmatli, lekin shunga qaramay, ko'p sohalarda karbonat angidrid gazli lazerlardan foydalaniladi. CO 2 lazerlari asosida lazerli yo'naltiruvchi tizimlar, atrof -muhitni radarni kuzatish tizimlari (lidarlar), lazerli payvandlash, metallar va dielektrik materiallarni kesish uchun texnologik qurilmalar, shisha yuzalar uchun skript qurilmalari va po'latdan yasalgan buyumlarning sirt qotishi ishlab chiqilgan. muvaffaqiyatli operatsiya qilindi. Bundan tashqari, CO2 lazerlari kosmik aloqa tizimlarida keng qo'llaniladi. Kvant elektronikasida ma'lum bir to'lqin uzunligida ijobiy teskari aloqa hosil qilish uchun asosan ochiq rezonatorlardan foydalaniladi - ikkita ko'zgu tizimi, ulardan biri (zerikarli) butunlay shaffof bo'lmasligi mumkin, ikkinchisi (chiqishi) yarim shaffof. Lazerlarni ishlab chiqarish maydoni elektromagnit to'lqinlarning optik diapazoniga to'g'ri keladi, shuning uchun lazer rezonatorlari optik rezonatorlar deb ham ataladi. Yuqoridagi elementlarga ega lazerning odatiy funktsional diagrammasi 1 -rasmda ko'rsatilgan. Gaz lazerini loyihalashning majburiy elementi qobiq (gaz tushirish trubkasi) bo'lishi kerak, uning hajmida ma'lum bosimdagi ma'lum tarkibli gaz bo'ladi. Oxirgi tomondan, qobiq lazer nurlanishi uchun shaffof materialdan yasalgan derazalar bilan yopiladi. Qurilmaning bu funktsional qismi faol element deb ataladi. Ularning yuzasidan aks ettirishdagi yo'qotishlarni kamaytirish uchun derazalar Brewster burchagiga o'rnatiladi. Bunday qurilmalarda lazer nurlanishi doimo qutblanadi. Faol element tashqaridan o'rnatilgan rezonator oynalari bilan birgalikda emitent deb ataladi. Variant, rezonator nometalllari to'g'ridan -to'g'ri faol element qobig'ining uchlariga o'rnatilganda, bir vaqtning o'zida gaz hajmini yopish uchun oynalar vazifasini bajarganda mumkin bo'ladi (ichki oynali lazerli). Faol muhit daromadining chastotaga bog'liqligi (daromad konturi) ishning spektral chizig'ining shakli bilan belgilanadi. kvant o'tish... Lasing faqat shu kontur ichidagi chastotalarda sodir bo'ladi, bunda ko'zgular orasidagi bo'shliqda yarim to'lqinlarning butun soni joylashadi. Bunday holda, oldinga va orqaga to'lqinlarning aralashuvi natijasida rezonatorda ko'zgularda energiya tugunlari bo'lgan turg'un to'lqinlar hosil bo'ladi. Rezonatorda turgan to'lqinlarning elektromagnit maydonining tuzilishi juda xilma -xil bo'lishi mumkin. Uning o'ziga xos konfiguratsiyalari modlar deb ataladi. Har xil chastotali, lekin ko'ndalang yo'nalishda bir xil maydon taqsimotiga uzunlamasına (yoki eksenel) rejimlar deyiladi. Ular rezonator o'qi bo'ylab qat'iy ravishda tarqaladigan to'lqinlar bilan bog'liq. Ko'ndalang yo'nalishda maydon taqsimotida bir-biridan farq qiladigan tebranishlar, mos ravishda, ko'ndalang (yoki eksenel bo'lmagan) rejimlarda. Ular o'qga turli xil kichik burchaklarda tarqaladigan va mos ravishda to'lqin vektorining ko'ndalang komponentiga ega bo'lgan to'lqinlar bilan bog'liq. Har xil rejimlarni ko'rsatish uchun quyidagi qisqartma ishlatiladi: TEMmn. Bu belgida m va n - ko'ndalang yo'nalishdagi turli koordinatalardagi oynalardagi maydon o'zgarishi chastotasini ko'rsatuvchi indekslar. Agar lazer bilan ishlashda faqat asosiy (eng past) rejim yaratilsa, bitta rejimli ish haqida gap boradi. Bir nechta ko'ndalang rejimlar mavjud bo'lganda, bu rejim multimod deyiladi. Yagona rejim rejimida ishlaganda, turli uzunlikdagi rejimlar bilan bir nechta chastotalarda hosil qilish mumkin. Agar avlod faqat bitta uzunlamasına rejimda sodir bo'lsa, bitta chastotali rejim haqida gapiriladi. Gaz-dinamik lazerlar CO 2 lazerlarining eng keng tarqalgan turlaridan biridir. Ularda lazer nurlanishi uchun zarur bo'lgan populyatsiya inversiyasiga gazning 20-30 atm bosimda 1500 K ga oldindan qizdirilishi tufayli erishiladi. , ish kamerasiga kiradi, u erda kengayadi va uning harorati va bosimi keskin pasayadi. Bunday lazerlar 100 kVtgacha uzluksiz nurlanish chiqarishi mumkin. Faol muhitni yaratish uchun (ular aytganidek, "nasos") CO 2 lazerlari tez -tez to'g'ridan -to'g'ri oqadigan oqimli oqimdan foydalanadilar. So'nggi paytlarda yuqori chastotali tushirish tobora ko'proq qo'llanilmoqda. Ammo bu alohida mavzu. Yuqori chastotali zaryadsizlanish va u bizning davrimizda topilgan eng muhim dasturlar (nafaqat lazer texnologiyasida)-alohida maqola mavzusi. CO 2 lazerli elektr zaryadini ishlatishning umumiy tamoyillari, bu holda yuzaga keladigan muammolar va shahar zaryadini ishlatishga asoslangan ba'zi dizaynlar. 70-yillarning boshlarida, yuqori quvvatli CO 2 lazerlarini ishlab chiqish jarayonida, oqindi shu paytgacha lazer uchun halokatli bo'lgan noma'lum xususiyatlar va beqarorliklarga ega ekanligi ma'lum bo'ldi. Ular yuqori bosimli plazma bilan katta hajmni to'ldirish urinishlariga deyarli engib bo'lmaydigan to'siqlarni keltirib chiqaradi, bu esa yuqori lazer kuchini olish uchun kerak bo'lgan narsa. Ehtimol, amaliy xarakterdagi muammolarning hech biri so'nggi o'n yilliklarda kuchli gazli CO 2 lazerlarini yaratish muammosiga o'xshab, gazlarning elektr zaryadsizlanishi fanining rivojlanishiga xizmat qilmagan. Yarimo'tkazgichli in'ektsiya lazerlari, xuddi boshqa qattiq turdagi emitentlar kabi - LEDlar, har qanday optoelektron tizimning muhim elementi hisoblanadi. Ikkala qurilmaning ham ishlashi fenomenga asoslanadi elektroluminesans. Yuqoridagi yarimo'tkazgichli emitentlarga kelsak, elektroluminesans mexanizmi tomonidan amalga oshiriladi radiatsion rekombinatsiya orqali yuborilgan muvozanatsiz zaryad tashuvchilar p-n birikmasi. Birinchi LEDlar XX asrning 50-60 -yillari oxirida va 1961 yilda paydo bo'lgan. N.G. Basov, O. N. Kroxin va Yu.M. Popov in'ektsiyani degenerat sharoitida qo'llashni taklif qildi p-n birikmasi x lazer effekti uchun. 1962 yilda amerikalik fiziklar R. Xoll va sotr. yarimo'tkazgichli LEDning spektral chizig'ining torayishini qayd etish mumkin edi, bu lazer effektining namoyon bo'lishi ("super nurlanish") sifatida talqin qilindi. 1970 yilda rus fiziklari - J.I. Alferov sotr bilan. birinchi heterostrukturali lazerlar. Bu qurilmalarni 2000 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan ommaviy seriyali ishlab chiqarishga yaroqli qildi. Hozirgi vaqtda yarimo'tkazgichli lazerlar asosan kompyuter, audio va video disklardan ma'lumotlarni yozish va o'qish qurilmalarida keng qo'llaniladi. Yarimo'tkazgichli lazerlarning asosiy afzalliklari:
1. Daromadlilik, tomonidan taqdim etilgan yuqori samaradorlik nasos energiyasini izchil nurlanish energiyasiga aylantirish;
2. Kichik inertiya, avlod rejimining o'rnatilishining qisqa xarakterli vaqtlari tufayli (~ 10 -10 s);
3. Kompaktlik, ulkan optik daromad olish uchun yarimo'tkazgichlar xususiyati bilan bog'liq; 4. Oddiy qurilma, past kuchlanishli elektr ta'minoti, integral mikrosxemalarga mos keladi ("mikrochiplar");
5. Imkoniyat to'lqin uzunligini tekis sozlash yarimo'tkazgichlarning optik xususiyatlarining harorat, bosim va boshqalarga bog'liqligi tufayli keng diapazonda. Asosiy xususiyat Yarimo'tkazgichli lazer - ulardan foydalanish optik o'tish energiya darajasini o'z ichiga oladi (energiya holatlari) asosiy elektron energiya zonalari billur. Bu yarimo'tkazgichli lazerlar va, masalan, al 2 O 3 dagi Cr 3+ xrom ionining ifloslanish darajalari orasidagi optik o'tishni ishlatadigan yoqut lazerlari o'rtasidagi farq. Yarimo'tkazgichli lazerlarda foydalanish uchun A III B V yarimo'tkazgichli birikmalar eng mos edi (qarang. Kirish). Aynan shu birikmalar va ularning asosida qattiq echimlar Yarimo'tkazgichli lazerlarning aksariyati sanoat tomonidan ishlab chiqariladi. Bu sinfning ko'plab yarimo'tkazgichli materiallarida ortiqcha tok tashuvchilarning rekombinatsiyasi amalga oshiriladi to'g'ridan -to'g'ri o'tkazuvchanlik bandining pastki qismiga yaqin bo'lgan to'ldirilgan holatlar va valentlik bandining yuqori qismidagi erkin holatlar orasidagi optik o'tishlar (1 -rasm). Optik o'tish ehtimoli yuqori to'g'ridan -to'g'ri zona yarimo'tkazgichlar va bantlardagi holatlarning yuqori zichligi uni olish imkonini beradi yuqori optik daromad yarimo'tkazgichda. Spontan va induksiyalangan nurlanish. lazerlar. Kvant sistema (masalan, atom yoki molekula) ning foton chiqarishi bilan bogliq bo`lgan kvant o`tishni yuzaga keltiruvchi sababga ko`ra ikki tur nurlanishga ajratiladi. Agar bu sabab ichki bo`lsa va uygotilgan energetik sath (W₂) dagi atom yoki molekulaning normal yoki quyiroq energetik sath W₁ ga o`tishi tashqi tasirsiz, yani o`z–o`zidan sodir bo`ladigan nurlanishga spontan nurlanish deb ataladi. Odatdagi yorugliku manbalari asosan spontan nurlanish chiqaradi va bu nurlanish nokogerent nurlanishdan iborat bo`ladi. Kvant sistema (atom va molekula) uygotilgan energetik sath W<sub>2</sub> dan quyiroq energetik sath W<sub>1</sub> ga tashqi tasiri sababli majburiy o`tishda vujudga keladigan nurlanishga majburiy nurlanish yoki induksiyalangan nurlanish deyiladi. Ko`pincha induksiyalangan nurlanish yoruglik kvanti hv tasirida sodir bo`ladi. Masalan, hv kvant energiya yutgan uygotilgan W₂ sathdagi atom yoki molekula quyiroqdagi W₁ sathga o`tganda ikkita bir hil, bir tomonga yo`nalgan kvant energiyali induksiyalangan nurlanish chiqara boshlaydi. Induksijylangan nurlanish uni majbur etuvchi birlamchi nurlanish bilan o`zaro kogerent, chastotalari, fazalari, tarqalish yo`nalishi va qutblanish tekisligi aynan bir hil bo`ladi. Bu hossalar jismdan o`tayotgan nurlanishni kuchaytirishga sababchi bo`ladi. 1954 yilda sovet olimlari N.G.Basov va A.M.Prohorov, shuningdek amerikalik CH.Tauns bir–birlaridan mustasno holda induksiyalangan nurlanishdan foydalanib birinchi bo`lib, O`YUCH diapazonidagi  sm to`lqin uzunlikli elektromagnit nurlanish beradigan mazer deb atalauvchi generatorni yaratdilar. 1963 yilda bu ishlar uchun Basov, Prohov va Taunsga Nobel mukofoti berildi. Bu qurilmasining ishlashi ammiak molekulalarining induksiyalangan nurlanishiga asoslanganligi uchun molekulyar generator deb nom berildi.
1960 yilda Amerikada ishchi moddasi yoqutdan iborat bo`lgan, spektrning ko`rinadigan dippazonida ishlovchi lazer deb ataluvchi qurila yaratildi. Bu optik kvant generatori (okg) to`lqin uzunligi  nm va impuls quvvati 10 Vt bo`lgan impulsli kuchlanish hosil qiladi. Yoqut, alyuminiy oksidi Al₂O₃ kristalining ~0,005% hrom (Sg) aralashmasidan iborat, och qizil rangli nur chiqaradigan OKG ning ishlashi uchun yuqorida qarab chiqilgan ikki energetik sath etarli emas,


16–rasm.
Yoqut kristalidagi hrom ionlarining enengetik sathlari indluksiyalangan nurlarni chiqarish hususiyatiga egadir. Yoqutli lazerlarning ishlashida tasirlangan uchta energetik sathlardan foydalaniladi. Lampaning kuchli chaqnashidan hrom ioni 3 energetik sathga o`tib, 10<sup>–8</sup> s vaqtdlan keiin nur chiqarmasdan o`z–o`zidan 2 metastabil sathga o`tadi. Tashqi elektromagnit to`lqin tasirida hrom ioni 2 energetik sathdan 1 energetik sathga o`tishida induksijylangan nurlanish–lazer nurlari hosil bo`ladi. Yoqutli lazerning tuzilishi shematik ko`rinishda tasvirlangan. Lazerning aktiv moddasi silindr shakldagi yoqut kristali bo`lib, uning asoslari nihoyat darajada sillliqlangan. Yoqut silindrning bir uchi to`liq ko`zgu, ikkinchi uchi esa yarim shaffof bo`ladi. Silindrsimon yoqut kristalini spiral shakli gaz zaryad lampasi bilan o`ralgan. Bu lampalarning kuchli ko`kimtir yashil yorugligi hrom ionlarini 1 energentik sathdan 3 energetik sathga ko`taradi va ozgina vaqt o`tishi bilan 2 energetik sathni uygotilgan hrom ionlari "o`ta egallab" oladi. Uygotilgan hrom ionlari 2 energetik sathda 1 energetik sathga o`tganda har hil yo`nalishda hosil bo`lgan induksiyalangan nurlanishlarning faqat kristall o`qi bo`ylab yo`nalgani uning uchlaridan ko`p marta qaytadi va kuchli lazer nuri ko`rinishida yoqutning shaffof tomonidan tashqariga chiqib ketadi. Impulsli rejimda ishlaidigan yoqutli lazerdan tashqari, uzluksiz ishlaydigan gazli, yarim o`tkazgichli lazerlar ham mavjuddir. Gazli lazerlarda ishchi modda gaz (yoki gaz aralashmasi) bo`ladi. Masalan, geliy–neonli lazerda ishchi modda geliy va neon aralashmalaridan iboratdir. Gaz aralashmasi elektr zaryadi bilan aktivlashgan holga keltiriladi. Optik rezonatorpdagi ko`zgular nay o`qi bo`yicha yo`nalgan kogerent yoruglikgning generasiyalanishiga sharoit yaratadi. Natijada yarim shaffof ko`zgu orqali hosil bo`lgan lazer nuri chiqadi. Gazli lazer spektrning ko`zga ko`rinadigan och qizil nuri (to`lqin uzunligi  nm) ni, infraqizil ( nm) nurini generasiyalaydi. Yarim o`tkazgichli lazerlarda ishchi modda yarimo`tkazgichlardir. Yarimo`tkazgichlarda ishchi modda optik tezlik va elektronlar oqimi yordamida aktiv holatga keltirilishi mumkin. Bunda yarim o`tkazgichli diod qalinligi 0,1 mm va yuzi bir necha mm² bo`lgan kristall plastinkadan iboratdir. Plastinkaning ikki tomoniga elektrodlar ulanadi. To`lqin uzunligining keng diapazonida, yani ultrabinafshadan infraqizilgacha oraliqda ishlovchi yarim o`tkazgichli lazerlarni yaratish mumkin. Bunday lazerlarning tuzilishi sodda, ulchami kichik va uzoq vaqt ishlay oladi. Lazerlar turli sohalarda keng qo`llanshiga ega. Masalan, lazer nuri bilan Oyni lokasiya qilib, Erdan Oygacha bo`lgan masofani juda katta aniqlikda o`lchangan. Lazer yordamida tedevidenieda bir yo`la 80 million aloqa kanali orqali eshittirish olib borish mumkin. Lazer nuri telefonda ham ishlatilmokda. Bunday telefon aniq tovush eshitilishi halaqit beruvchi chastotalarning yo`qligi bilan ajraladi. Shunday qilib, lazer nurlari fizika, biologiya, himiya, astronomiya, medisina va shu kabi fan va tehnikaning turli sohalarida nihoyatda keng yo`nalishga ega bo`lmokda.