Լազերի կառուցվածքը և աշխատանքի սկզբունքը. Օպտիկական պոմպային քվանտային սարքեր, որոնք գործում են «եռաստիճան սխեմայի» համաձայն.

Տեսանելի և ինֆրակարմիր ճառագայթման տիրույթում արձակող քվանտային գեներատորները կոչվում են լազերներ։ «Լազեր» բառը արտահայտության հապավումն է՝ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, որը նշանակում է լույսի ուժեղացում քվանտների ինդուկտիվ կամ, ինչպես երբեմն անվանում են խթանված արտանետման արդյունքում։

Լազերային սարք

Ընդհանրացված լազերը բաղկացած է լազերային ակտիվ միջավայրից, «պոմպային» համակարգից՝ լարման աղբյուրից և օպտիկական ռեզոնատորից։

Պոմպային համակարգը էներգիա է փոխանցում լազերային միջավայրի ատոմներին կամ մոլեկուլներին՝ թույլ տալով նրանց անցնել հուզված «մետկայուն վիճակի»՝ ստեղծելով բնակչության ինվերսիա:

· Օպտիկական պոմպային էներգիան լազերային նյութին էներգիա փոխանցելու համար օգտագործվում է աղբյուրից տրամադրված ֆոտոններ, ինչպիսիք են քսենոնային գազով լցված ֆլեշ լամպը կամ այլ լազեր: Օպտիկական աղբյուրը պետք է ապահովի ֆոտոններ, որոնք համապատասխանում են լազերային նյութում անցումային թույլատրելի մակարդակներին:

· Բախման պոմպացումը հիմնված է լազերային նյութի ատոմների (կամ մոլեկուլների) հետ բախման արդյունքում լազերային նյութին էներգիայի փոխանցման վրա։ Այս դեպքում պետք է տրամադրվի նաև թույլատրելի անցումներին համապատասխանող էներգիան։ Սա սովորաբար արվում է մաքուր գազի էլեկտրական լիցքաթափման կամ խողովակի մեջ գազերի խառնուրդի միջոցով:

· Քիմիական պոմպային համակարգերը օգտագործում են քիմիական ռեակցիաների արդյունքում արձակված կապի էներգիան՝ լազերային նյութը փոխակերպելու մետաստաբիլ վիճակի։

Օպտիկական ռեզոնատոր է պահանջվում լազերում ցանկալի ուժ ապահովելու և ցանկալի ուղղությամբ շարժվող ֆոտոններ ընտրելու համար։ Երբ պոպուլյացիայի ինվերսիայի մետակայուն վիճակում գտնվող առաջին ատոմը կամ մոլեկուլը լիցքաթափվում է, խթանված արտանետման պատճառով, այն սկսում է այլ ատոմների կամ մոլեկուլների լիցքաթափումը մետակայուն վիճակում: Եթե ​​ֆոտոնները շարժվում են դեպի լազերային նյութի պատերը, սովորաբար գավազան կամ խողովակ, դրանք կորչում են, և ուժեղացման գործընթացը ընդհատվում է: Չնայած դրանք կարող են արտացոլվել ձողի կամ խողովակի պատերից, սակայն վաղ թե ուշ դրանք կկորչեն համակարգից և չեն նպաստի ճառագայթի ստեղծմանը:

Մյուս կողմից, եթե ոչնչացված ատոմներից կամ մոլեկուլներից մեկն արձակում է լազերային նյութի առանցքին զուգահեռ ֆոտոն, այն կարող է նախաձեռնել մեկ այլ ֆոտոնի արտազատում, և երկուսն էլ հայելու կողմից կարտացոլվեն առաջացման վերջում։ ձող կամ խողովակ: Այնուհետև արտացոլված ֆոտոնները հետ են շարժվում նյութի միջով՝ առաջացնելով հետագա ճառագայթում հենց նույն ճանապարհով, որը կրկին արտացոլվում է լազերային նյութի ծայրերում գտնվող հայելիներով: Քանի դեռ այս ուժեղացման գործընթացը շարունակվում է, ուժեղացման մի մասը միշտ դուրս կգա մասնակի արտացոլող հայելու միջով: Քանի որ այս գործընթացի շահույթը կամ շահույթը գերազանցում է ռեզոնատորի կորուստները, սկսվում է լազինգը: Այսպիսով, ձևավորվում է համահունչ լույսի նեղ կենտրոնացված ճառագայթ: Լազերային օպտիկական խոռոչի հայելիները պետք է լավ կարգավորվեն, որպեսզի լույսի ճառագայթները զուգահեռ լինեն առանցքին: Ինքն օպտիկական ռեզոնատորը, այսինքն. միջավայրի նյութը չպետք է ուժեղ կլանի լույսի էներգիան:

Լազերային միջավայր (գեներացնող նյութ) - Լազերները սովորաբար անվանում են օգտագործվող լազերային նյութի տեսակով: Նման չորս տեսակ կա.

ամուր,

Ներկանյութ,

Կիսահաղորդիչ.

Պինդ վիճակի լազերներում օգտագործվում է լազերային նյութ, որը բաշխված է պինդ մատրիցով: Պինդ վիճակի լազերները լազերների մշակման մեջ ուրույն տեղ են զբաղեցնում։ Առաջին աշխատող լազերային միջավայրը վարդագույն ռուբին բյուրեղն էր (քրոմապատ շափյուղա բյուրեղյա); այդ ժամանակից ի վեր «պինդ վիճակի լազեր» տերմինը սովորաբար օգտագործվում է լազերային նկարագրելու համար, որի ակտիվ միջավայրը իոնային կեղտոտված բյուրեղ է: Պինդ վիճակի լազերները մեծ, հեշտ սպասարկվող սարքեր են, որոնք ընդունակ են արտադրել բարձր հզորություն: Պինդ վիճակի լազերների ամենաուշագրավ կողմն այն է, որ ելքային հզորությունը սովորաբար հաստատուն չէ, այլ բաղկացած է մեծ թվով անհատական ​​հզորության գագաթներից:

Օրինակներից մեկը Neodymium-YAG լազերն է: YAG տերմինը կարճ է բյուրեղի համար՝ իտրիումի ալյումինե նռնաքար, որը ծառայում է որպես նեոդիմի իոնների կրող: Այս լազերը արձակում է 1064 միկրոմետր ալիքի երկարությամբ ինֆրակարմիր ճառագայթ: Բացի այդ, կարող են օգտագործվել դոպինգի այլ տարրեր, ինչպիսիք են էրբիումը (Er:YAG լազերներ):

Գազի լազերները խողովակի մեջ օգտագործում են գազ կամ գազերի խառնուրդ: Գազի լազերների մեծ մասը օգտագործում է հելիումի և նեոնի խառնուրդ (HeNe), որի հիմնական թողունակությունը կազմում է 6328 նմ (նմ = 10-9 մետր) տեսանելի կարմիր: Առաջին անգամ նման լազեր ստեղծվեց 1961 թվականին և դարձավ գազային լազերների մի ամբողջ ընտանիքի ավետաբեր:

Բոլոր գազային լազերները դիզայնով և հատկություններով բավականին նման են: Օրինակ, CO2 գազային լազերը արձակում է 10,6 միկրոմետր ալիքի երկարություն սպեկտրի հեռավոր ինֆրակարմիր շրջանում: Արգոն և կրիպտոն գազի լազերները գործում են մի քանի հաճախականություններով՝ արտանետելով հիմնականում սպեկտրի տեսանելի մասում: Արգոն լազերային ճառագայթման հիմնական ալիքի երկարությունները 488 և 514 նմ են։

Ներկանյութի լազերներում օգտագործվում է լազերային միջավայր, որը բարդ օրգանական ներկ է հեղուկ լուծույթի կամ կասեցման մեջ:

Այս լազերների ամենանշանակալի առանձնահատկությունը նրանց «ճկունությունն» է։ Ներկանյութի և դրա կոնցենտրացիայի ճիշտ ընտրությունը թույլ է տալիս լազերային լույս առաջացնել տեսանելի սպեկտրում կամ մոտակայքում գտնվող ալիքի երկարությունների լայն շրջանակում: Ներկանյութի լազերները սովորաբար օգտագործում են օպտիկական գրգռման համակարգ, թեև նման լազերների որոշ տեսակներ օգտագործում են գրգռում քիմիական ռեակցիաների միջոցով:

Կիսահաղորդչային (դիոդային) լազերներ - բաղկացած են կիսահաղորդչային նյութի երկու շերտից՝ իրար շարված: Լազերային դիոդը օպտիկական հզորությամբ լույս արձակող դիոդ է, որն ուժեղացնում է կիսահաղորդչային ձողի խաղից արտանետվող լույսը, ինչպես ցույց է տրված նկարում: Նրանք կարող են կարգավորվել՝ փոխելով կիրառվող հոսանքը, ջերմաստիճանը կամ մագնիսական դաշտը:

Լազերի տարբեր ժամկետները որոշվում են էներգիայի մատակարարման հաճախականությամբ:

Շարունակական ալիքի (CW) լազերները գործում են մշտական ​​միջին ճառագայթի հզորությամբ:

Մեկ իմպուլսային լազերները սովորաբար ունենում են իմպուլսների տևողություն մի քանի հարյուր միկրովայրկյանից մինչև մի քանի միլիվայրկյան: Գործողության այս ռեժիմը սովորաբար կոչվում է երկար զարկերակային կամ նորմալ ռեժիմ:

Q-անջատված մեկ իմպուլսային լազերները ներխոռոչի հետաձգման արդյունք են (Q-անջատված բջիջ), որը թույլ է տալիս լազերային միջավայրին պահպանել առավելագույն պոտենցիալ էներգիան: Այնուհետև առավել բարենպաստ պայմաններում արտանետվում են միայնակ իմպուլսներ՝ սովորաբար 10-8 վայրկյան ժամանակային ընդմիջումով։ Այս իմպուլսներն ունեն բարձր գագաթնակետային հզորություն, հաճախ 106-ից 109 Վտ միջակայքում:

Խմբային լազերները կամ սկանավորող լազերը սկզբունքորեն աշխատում են նույնը, ինչ իմպուլսային լազերները, բայց ֆիքսված (կամ փոփոխական) զարկերակային արագությամբ, որը կարող է տատանվել վայրկյանում մի քանի իմպուլսից մինչև վայրկյանում 20000 իմպուլս:

Լազերի սկզբունքը

Լազերի աշխատանքի ֆիզիկական հիմքը գրգռված (ինդուկտիվ) ճառագայթման երեւույթն է։ Երևույթի էությունն այն է, որ գրգռված ատոմն ի վիճակի է արձակել ֆոտոն մեկ այլ ֆոտոնի ազդեցության տակ՝ առանց դրա կլանման, եթե վերջինիս էներգիան հավասար է ատոմի մակարդակների էներգիաների տարբերությանը ատոմից առաջ և հետո։ արտանետում. Այս դեպքում արտանետվող ֆոտոնը համահունչ է այն ֆոտոնին, որն առաջացրել է ճառագայթումը (դա նրա «ճշգրիտ պատճենն է»): Այսպես է ուժեղանում լույսը։ Այս երևույթը տարբերվում է ինքնաբուխ արտանետումից, որի դեպքում արտանետվող ֆոտոններն ունեն տարածման, բևեռացման և փուլի պատահական ուղղություններ։

Հավանականությունը, որ պատահական ֆոտոնը կառաջացնի գրգռված ատոմի գրգռված արտանետում, ճիշտ հավասար է ատոմի կողմից չգրգռված վիճակում գտնվող այս ֆոտոնի կլանման հավանականությանը: Ուստի լույսն ուժեղացնելու համար անհրաժեշտ է, որ միջավայրում ավելի շատ գրգռված ատոմներ լինեն, քան չգրգռվածները (այսպես կոչված՝ պոպուլյացիայի ինվերսիա)։ Ջերմոդինամիկական հավասարակշռության վիճակում այս պայմանը չի բավարարվում, հետևաբար լազերային ակտիվ միջավայրը մղելու տարբեր համակարգեր (օպտիկական, էլեկտրական, քիմիական և այլն)

Գերացման առաջնային աղբյուրը ինքնաբուխ արտանետման գործընթացն է, հետևաբար, ֆոտոնների սերունդների շարունակականությունն ապահովելու համար անհրաժեշտ է ունենալ դրական արձագանք, ինչի պատճառով արտանետվող ֆոտոնները առաջացնում են գրգռված արտանետման հետագա ակտեր։ Դրա համար լազերային ակտիվ միջավայրը տեղադրվում է օպտիկական ռեզոնատորի մեջ: Ամենապարզ դեպքում այն ​​բաղկացած է երկու հայելիներից, որոնցից մեկը կիսաթափանցիկ է՝ լազերային ճառագայթը մասամբ դուրս է գալիս ռեզոնատորից դրա միջով։ Անդրադառնալով հայելիներից՝ ճառագայթային ճառագայթը բազմիցս անցնում է ռեզոնատորի միջով՝ դրանում առաջացնելով ինդուկտիվ անցումներ։ Ճառագայթումը կարող է լինել կամ շարունակական կամ իմպուլսային: Միևնույն ժամանակ, օգտագործելով տարբեր սարքեր (պտտվող պրիզմաներ, Kerr բջիջներ և այլն) արագ անջատելու և միացնելու հետադարձ կապը և դրանով իսկ նվազեցնելով իմպուլսի ժամանակահատվածը, հնարավոր է պայմաններ ստեղծել շատ բարձր հզորության ճառագայթման առաջացման համար (այսպես. կոչվում են հսկա իմպուլսներ): Լազերային աշխատանքի այս ռեժիմը կոչվում է Q-switched ռեժիմ:

Լազերի կողմից առաջացած ճառագայթումը մոնոխրոմատիկ է (ալիքի երկարությունների մեկ կամ առանձին շարքից), քանի որ որոշակի ալիքի երկարության ֆոտոն արտանետելու հավանականությունն ավելի մեծ է, քան մոտ տեղակայված սպեկտրային գծից, որը կապված է ընդլայնման հետ, և, համապատասխանաբար, Այս հաճախականությամբ առաջացած անցումների հավանականությունը նույնպես ունի առավելագույնը: Հետևաբար, աստիճանաբար առաջացման գործընթացում տվյալ ալիքի երկարության ֆոտոնները կգերիշխեն մնացած բոլոր ֆոտոնների նկատմամբ։ Բացի այդ, հայելիների հատուկ դասավորության շնորհիվ լազերային ճառագայթում պահվում են միայն այն ֆոտոնները, որոնք տարածվում են ռեզոնատորի օպտիկական առանցքին զուգահեռ ուղղությամբ, դրանից փոքր հեռավորության վրա, մնացած ֆոտոնները արագորեն թողնում են ռեզոնատորի ծավալը: . Այսպիսով, լազերային ճառագայթը ունի շատ փոքր շեղման անկյուն: Ի վերջո, լազերային ճառագայթն ունի խիստ սահմանված բևեռացում: Դա անելու համար ռեզոնատորի մեջ ներմուծվում են տարբեր պոլարոիդներ, օրինակ, դրանք կարող են լինել հարթ ապակե թիթեղներ, որոնք տեղադրված են Բրյուսթերի անկյան տակ լազերային ճառագայթի տարածման ուղղությամբ:

Լազերների կիրառում

լազերային քվանտային գեներատորի ճառագայթում

Իրենց գյուտից ի վեր լազերներն ապացուցել են, որ դրանք «դեռևս անհայտ խնդիրների լուծումներ են»: Լազերային ճառագայթման յուրահատուկ հատկությունների շնորհիվ դրանք լայնորեն կիրառվում են գիտության և տեխնիկայի բազմաթիվ ճյուղերում, ինչպես նաև առօրյա կյանքում (CD նվագարկիչներ, լազերային տպիչներ, շտրիխ ընթերցողներ, լազերային ցուցիչներ և այլն): Արդյունաբերության մեջ լազերները օգտագործվում են տարբեր նյութերից մասեր կտրելու, եռակցելու և զոդելու համար։ Բարձր ճառագայթման ջերմաստիճանը հնարավորություն է տալիս եռակցել այն նյութերը, որոնք չեն կարող զոդվել սովորական մեթոդներով (օրինակ՝ կերամիկա և մետաղ): Լազերային ճառագայթը կարող է կենտրոնանալ միկրոն կարգի տրամագծով կետի վրա, ինչը հնարավորություն է տալիս այն օգտագործել միկրոէլեկտրոնիկայի մեջ (այսպես կոչված՝ լազերային գրագրություն)։ Լազերները օգտագործվում են նյութերի մակերևութային ծածկույթներ ստանալու համար (լազերային համաձուլվածք, լազերային ծածկույթ, վակուումային լազերային նստվածք)՝ դրանց մաշվածության դիմադրությունը բարձրացնելու համար։ Լայն կիրառություն է ստացել նաև արդյունաբերական նմուշների լազերային մակնշումը և տարբեր նյութերից պատրաստված արտադրանքի փորագրությունը։ Նյութերի լազերային մշակման ժամանակ դրանք մեխանիկական ազդեցություն չեն ունենում, ուստի առաջանում են միայն աննշան դեֆորմացիաներ։ Բացի այդ, ամբողջ տեխնոլոգիական գործընթացը կարող է լիովին ավտոմատացվել: Հետևաբար, լազերային մշակումը բնութագրվում է բարձր ճշգրտությամբ և արտադրողականությամբ:

Կիսահաղորդչային լազեր, որն օգտագործվում է Hewlett-Packard տպիչի պատկերների ստեղծման միավորում:

Լազերները հոլոգրաֆիայում օգտագործվում են հոլոգրամները ինքնուրույն ստեղծելու և հոլոգրաֆիկ ծավալային պատկեր ստանալու համար: Որոշ լազերներ, ինչպիսիք են ներկային լազերը, ունակ են գեներացնել գրեթե ցանկացած ալիքի երկարության մոնոխրոմատիկ լույս, մինչդեռ ճառագայթման իմպուլսները կարող են հասնել 10-16 վրկ-ի, հետևաբար՝ հսկայական ուժեր (այսպես կոչված, հսկա իմպուլսներ): Այս հատկություններն օգտագործվում են սպեկտրոսկոպիայի, ինչպես նաև ոչ գծային օպտիկական էֆեկտների ուսումնասիրության մեջ։ Լազերի միջոցով հնարավոր եղավ մի քանի սանտիմետր ճշտությամբ չափել դեպի Լուսին հեռավորությունը։ Տիեզերական օբյեկտների լազերային միջակայքը կատարելագործել է աստղագիտական ​​հաստատունի արժեքը և նպաստել տիեզերական նավիգացիոն համակարգերի կատարելագործմանը, մթնոլորտի կառուցվածքի և արեգակնային համակարգի մոլորակների մակերևույթի ըմբռնմանը: Մթնոլորտային աղավաղումները շտկելու հարմարվողական օպտիկական համակարգով հագեցած աստղադիտակներում լազերային օգտագործում են մթնոլորտի վերին հատվածում արհեստական ​​հղման աստղեր ստեղծելու համար։

Ուլտրակարճ լազերային իմպուլսները օգտագործվում են լազերային քիմիայում՝ քիմիական ռեակցիաները վարելու և վերլուծելու համար: Այստեղ լազերային ճառագայթումը հնարավորություն է տալիս ապահովել ճշգրիտ տեղայնացում, դեղաչափ, բացարձակ ստերիլություն և համակարգ մուտքագրվող էներգիայի բարձր արագություն: Ներկայումս մշակվում են տարբեր լազերային հովացման համակարգեր, և դիտարկվում են լազերների միջոցով վերահսկվող ջերմամիջուկային միաձուլման իրականացման հնարավորությունները (ջերմային ռեակցիաների ոլորտում հետազոտության համար ամենահարմար լազերը կլինի տեսանելի կապույտ մասում ընկած ալիքի երկարություններ օգտագործող լազերը։ սպեկտր): Լազերներն օգտագործվում են նաև ռազմական նպատակներով, օրինակ՝ որպես ուղղորդման և նպատակադրման միջոց։ Դիտարկվում են հզոր լազերների հիման վրա օդի, ծովի և ցամաքի պաշտպանության մարտական ​​համակարգերի ստեղծման տարբերակներ։

Բժշկության մեջ լազերները օգտագործվում են որպես անարյուն scalpels, որոնք օգտագործվում են ակնաբուժական հիվանդությունների (կատարակտ, ցանցաթաղանթի հեռացում, տեսողության լազերային շտկում և այլն) բուժման համար։ Նրանք լայնորեն կիրառվում են նաև կոսմետոլոգիայում (լազերային էպիլյացիա, անոթային և պիգմենտային մաշկի արատների բուժում, լազերային պիլինգ, դաջվածքների և տարիքային բծերի հեռացում)։ Ներկայումս արագ զարգանում է այսպես կոչված լազերային հաղորդակցությունը։ Հայտնի է, որ որքան բարձր է կապի ալիքի կրիչի հաճախականությունը, այնքան մեծ է դրա թողունակությունը։ Հետևաբար, ռադիոհաղորդակցությունը հակված է անցնել ավելի կարճ ալիքի երկարությունների: Լույսի ալիքի երկարությունը միջինում վեց կարգով ավելի կարճ է, քան ռադիոտիրույթի ալիքի երկարությունը, ուստի շատ ավելի մեծ քանակությամբ տեղեկատվություն կարող է փոխանցվել լազերային ճառագայթման միջոցով: Լազերային հաղորդակցությունն իրականացվում է ինչպես բաց, այնպես էլ փակ լուսային ուղեցույց կառույցների միջոցով, օրինակ՝ օպտիկական մանրաթելի միջոցով։ Ընդհանուր ներքին արտացոլման երևույթի հետևանքով լույսը կարող է տարածվել դրա միջով մեծ հեռավորությունների վրա, գործնականում առանց թուլանալու:

Առօրյա արդյունաբերական և գիտական ​​գործունեություն. Տարիների ընթացքում այս «գործիքը» ավելի ու ավելի կկատարելագործվի, միաժամանակ շարունակաբար կընդլայնվի լազերների կիրառման դաշտը։ Լազերային տեխնոլոգիայի ոլորտում հետազոտությունների աճող տեմպերը բացում են նոր տեսակի լազերների ստեղծման հնարավորություն՝ զգալիորեն բարելավված բնութագրերով, որոնք հնարավորություն են տալիս ընդլայնել դրանց կիրառման ոլորտները...

Ոչ միայն առանձնապես կոշտ նյութերի, այլև այն նյութերի համար, որոնք բնութագրվում են աճող փխրունությամբ: Լազերային գայլիկոնը ոչ միայն հզոր է, այլև շատ նուրբ «գործիք»։ Օրինակ՝ լազերի օգտագործումը ալյումինե կերամիկայից պատրաստված միկրոշրջանային հիմքերի վրա անցքեր հորատելիս: Կերամիկան չափազանց փխրուն է: Այդ պատճառով չիպային հիմքի վրա անցքերի մեխանիկական հորատում...

Լազերը պարտադիր կերպով բաղկացած է երեք հիմնական բաղադրիչներից.

1) ակտիվ միջավայր, որտեղ ստեղծվում են բնակչության ինվերսիա ունեցող պետություններ.

2) համակարգերպոմպային- ակտիվ միջավայրում ինվերսիա ստեղծելու սարքեր.

3) օպտիկականռեզոնատորի մասին− սարք, որը կազմում է ֆոտոնային ճառագայթի ուղղությունը։

Բացի այդ, օպտիկական ռեզոնատորը նախատեսված է լազերային ճառագայթման բազմակի ուժեղացման համար:

Ներկայումս որպես ակտիվ (աշխատանքային) միջավայրեր լազերը օգտագործում է նյութի տարբեր ագրեգատային վիճակներ՝ պինդ, հեղուկ, գազային, պլազմա:

Լազերային միջավայրի հակադարձ պոպուլյացիա ստեղծելու համար՝ տարբեր պոմպային մեթոդներ . Լազերը կարող է մղվել ինչպես անընդհատ, այնպես էլ իմպուլսային: Երկարատև (շարունակական) ռեժիմում ակտիվ միջավայրի մեջ մտցված պոմպի հզորությունը սահմանափակվում է ակտիվ միջավայրի գերտաքացումով և հարակից երևույթներով: Մեկ իմպուլսների ռեժիմում հնարավոր է շատ ավելի շատ էներգիա ներդնել ակտիվ միջավայր, քան միևնույն ժամանակ շարունակական ռեժիմում: Սա առաջացնում է մեկ իմպուլսի մեծ հզորություն:

Լազերային- սա լույսի աղբյուր է, որն ունի հատկություններ, որոնք կտրուկ տարբերվում են բոլոր մյուս աղբյուրներից (շիկացած լամպեր, լյումինեսցենտային լամպեր, բոցեր, բնական լուսատուներ և այլն): Լազերային ճառագայթն ունի մի շարք ուշագրավ հատկություններ. Այն տարածվում է մեծ տարածություններում և ունի խիստ ուղղագիծ։ Ճառագայթը շարժվում է շատ նեղ ճառագայթով փոքր շեղումով (հարյուրավոր մետր կիզակետով հասնում է Լուսին): Լազերային ճառագայթը մեծ ջերմություն ունի և կարող է անցք բացել ցանկացած նյութի վրա: Փնջի լույսի ինտենսիվությունը ավելի մեծ է, քան ամենաուժեղ լույսի աղբյուրների ինտենսիվությունը:
Լազերային անվանումըանգլերեն արտահայտության հապավումն է՝ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER): լույսի ուժեղացում խթանված արտանետման միջոցով:
Բոլոր լազերային համակարգերը կարելի է բաժանել խմբերի՝ կախված օգտագործվող ակտիվ միջավայրի տեսակից: Լազերների ամենակարևոր տեսակներն են.

պինդ վիճակ

կիսահաղորդչ

հեղուկ

գազ
Ակտիվ միջավայրը ատոմների, մոլեկուլների, իոնների կամ բյուրեղի (կիսահաղորդչային լազեր) հավաքածու է, որը լույսի ազդեցության տակ կարող է ուժեղացնող հատկություն ձեռք բերել։

Այսպիսով, յուրաքանչյուր ատոմ ունի էներգիայի մակարդակների առանձին հավաքածու: Հիմնական վիճակում գտնվող ատոմի էլեկտրոնները (նվազագույն էներգիա ունեցող վիճակ), լույսի քվանտաները կլանելիս անցնում են ավելի բարձր էներգիայի մակարդակ՝ ատոմը գրգռված է. երբ լույսի քվանտ է արձակվում, ամեն ինչ հակառակն է լինում։ Ավելին, լույսի արտանետումը, այսինքն՝ անցումը էներգիայի ավելի ցածր մակարդակի (նկ. 1բ) կարող է տեղի ունենալ ինքնաբուխ (ինքնաբուխ) կամ արտաքին ճառագայթման ազդեցության տակ (հարկադիր) (նկ. 1գ): Ավելին, եթե ինքնաբուխ արտանետումների քվանտները արտանետվում են պատահական ուղղություններով, ապա գրգռված արտանետման քվանտն արտանետվում է նույն ուղղությամբ, ինչ քվանտը, որն առաջացրել է այս ճառագայթումը, այսինքն՝ երկու քվանտներն էլ լրիվ նույնական են։

Նկ.1 Լազերային ճառագայթման տեսակները

Որպեսզի այն անցումները, որոնցում տեղի է ունենում էներգիայի ճառագայթում (անցումներ վերին էներգիայի մակարդակից դեպի ստորին) գերակշռեն, անհրաժեշտ է ստեղծել գրգռված ատոմների կամ մոլեկուլների կոնցենտրացիան (շրջված պոպուլյացիա ստեղծելու համար): Սա կհանգեցնի նյութի վրա լույսի անկման ավելացման: Նյութի վիճակը, որում ստեղծվում է էներգիայի մակարդակների հակադարձ պոպուլյացիա, կոչվում է ակտիվ, իսկ այդպիսի նյութից բաղկացած միջավայրը՝ ակտիվ միջավայր։

Հակադարձ մակարդակի պոպուլյացիա ստեղծելու գործընթացը կոչվում է պոմպում: Իսկ լազերների մեկ այլ դասակարգում կատարվում է ըստ պոմպային մեթոդի (օպտիկական, ջերմային, քիմիական, էլեկտրական և այլն)։ Պոմպային մեթոդները կախված են լազերի տեսակից (պինդ վիճակում, հեղուկ, գազային, կիսահաղորդչային և այլն):
Պոմպային գործընթացի հիմնական խնդիրը կարելի է համարել եռաստիճան լազերի օրինակով (նկ. 2):

Նկ. 2 եռաստիճան լազերի սխեմա

E1 էներգիայով I ցածր լազերային մակարդակը համակարգի հիմնական էներգիայի մակարդակն է, որտեղ ի սկզբանե տեղակայված են բոլոր ակտիվ ատոմները: Պոմպը գրգռում է ատոմները և, համապատասխանաբար, դրանք գետնի I մակարդակից տեղափոխում III մակարդակ՝ E3 էներգիայով: Ատոմները, որոնք գտնվում են III մակարդակի վրա, արձակում են լույսի քվանտա և անցնում I մակարդակ, կամ արագ անցնում են դեպի վերին լազերային II մակարդակ։ Վերին լազերային II մակարդակում գրգռված ատոմների կուտակման համար E2 էներգիայով անհրաժեշտ է ունենալ ատոմների արագ թուլացում III-ից II մակարդակից, որը պետք է գերազանցի II վերին լազերային մակարդակի քայքայման արագությունը: Այս կերպ ստեղծված հակադարձ պոպուլյացիան պայմաններ կապահովի ճառագայթման ուժեղացման համար։

Այնուամենայնիվ, որպեսզի առաջանա սերունդ, անհրաժեշտ է նաև հետադարձ կապ ապահովել, այսինքն՝ այդ խթանված արտանետումը, երբ առաջացել է, առաջացնում է խթանված արտանետումների նոր ակտեր։ Նման գործընթաց ստեղծելու համար ակտիվ միջավայրը տեղադրվում է օպտիկական ռեզոնատորի մեջ։

Օպտիկական ռեզոնատորը երկու հայելիներից բաղկացած համակարգ է, որոնց միջև կա ակտիվ միջավայր (նկ. 3): Այն ապահովում է լույսի ալիքների բազմակի ծագում, որոնք տարածվում են իր առանցքի երկայնքով ուժեղացնող միջավայրի երկայնքով, ինչի արդյունքում ձեռք է բերվում բարձր ճառագայթման հզորություն:

Նկ.3 Լազերային սխեման

Երբ հասնում է որոշակի հզորություն, ճառագայթումը դուրս է գալիս կիսաթափանցիկ հայելու միջոցով: Քվանտների միայն այն մասի առաջացմանը մասնակցության շնորհիվ, որոնք զուգահեռ են ռեզոնատորի առանցքին, արդյունավետությունը։ լազերները սովորաբար չեն գերազանցում 1%-ը։ Որոշ դեպքերում, զոհաբերելով որոշակի հատկանիշներ, K.P.D. կարող է ավելացվել մինչև 30%:

Դիագրամը ցույց է տալիս. 1 - ակտիվ միջավայր; 2 - լազերային պոմպի էներգիա; 3 - անթափանց հայելի; 4 - կիսաթափանցիկ հայելի; 5 - լազերային ճառագայթ.

Բոլոր լազերները բաղկացած են երեք հիմնական մասից.

ակտիվ (աշխատանքային) միջավայր;

պոմպային համակարգեր (էներգիայի աղբյուր);

օպտիկական ռեզոնատոր (կարող է բացակայել, եթե լազերը աշխատում է ուժեղացուցիչի ռեժիմում):

Նրանցից յուրաքանչյուրը նախատեսում է լազերի շահագործում իր հատուկ գործառույթները կատարելու համար:

ակտիվ միջավայր

Ներկայումս որպես աշխատանքային լազերային միջավայր օգտագործվում են նյութի տարբեր ագրեգատային վիճակներ՝ պինդ, հեղուկ, գազային, պլազմա։ Նորմալ վիճակում ատոմների թիվը գրգռված էներգիայի մակարդակներում որոշվում է Բոլցմանի բաշխմամբ.

Այստեղ Նէներգիայով գրգռված վիճակում գտնվող ատոմների թիվն է Ե, Ն 0-ը հիմնական վիճակում գտնվող ատոմների թիվն է, կԲոլցմանի հաստատունն է, Տ- շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը. Այլ կերպ ասած, գրգռված վիճակում նման ատոմներն ավելի քիչ են, քան հիմնական վիճակում, ուստի հավանականությունը, որ միջավայրում տարածվող ֆոտոնը կառաջացնի գրգռված արտանետում, նույնպես փոքր է դրա կլանման հավանականության համեմատ: Հետևաբար, էլեկտրամագնիսական ալիքը, անցնելով նյութի միջով, իր էներգիան ծախսում է ատոմների գրգռման վրա: Ճառագայթման ինտենսիվությունը այս դեպքում նվազում է Բուգերի օրենքի համաձայն.

Այստեղ Ի 0 - սկզբնական ինտենսիվություն, Ի l-ը ճառագայթման ինտենսիվությունն է, որն անցել է հեռավորությունը լէության մեջ ա 1 - նյութի կլանման ինդեքսը. Քանի որ կախվածությունը էքսպոնենցիալ է, ճառագայթումը շատ արագ կլանվում է:

Այն դեպքում, երբ գրգռված ատոմների թիվն ավելի մեծ է, քան չգրգռվածների թիվը (այսինքն՝ պոպուլյացիայի ինվերսիայի վիճակում), իրավիճակը ուղիղ հակառակն է։ Խթանված արտանետման գործողությունները գերակշռում են կլանմանը, և արտանետումը ուժեղացվում է օրենքի համաձայն.

Որտեղ ա 2 - քվանտային ուժեղացման գործակից: Իրական լազերներում ուժեղացումը տեղի է ունենում այնքան ժամանակ, քանի դեռ գրգռված արտանետման հետևանքով եկող էներգիայի քանակը հավասարվում է ռեզոնատորում կորցրած էներգիայի քանակին: Այս կորուստները կապված են աշխատանքային նյութի մետակայուն մակարդակի հագեցվածության հետ, որից հետո պոմպի էներգիան օգտագործվում է միայն դրա տաքացման համար, ինչպես նաև բազմաթիվ այլ գործոնների առկայության հետ (միջին անհամասեռություններով ցրում, կլանում կեղտաջրերով, անկատարությամբ): արտացոլող հայելիներ, շրջակա միջավայրում օգտակար և անցանկալի ճառագայթում և այլն):

Պոմպային համակարգ

Լազերային միջավայրի հակադարձ պոպուլյացիա ստեղծելու համար օգտագործվում են տարբեր մեխանիզմներ: Պինդ վիճակում գտնվող լազերներում այն ​​իրականացվում է հզոր գազի արտանետման ֆլեշ լամպերով, կենտրոնացված արևային ճառագայթմամբ (այսպես կոչված օպտիկական պոմպով) և այլ լազերներից (մասնավորապես՝ կիսահաղորդչային) ճառագայթմամբ։ Այս դեպքում հնարավոր է աշխատել միայն իմպուլսային ռեժիմով, քանի որ պահանջվում են պոմպի էներգիայի շատ բարձր խտություններ, որոնք երկարատև ազդեցության ժամանակ առաջացնում են աշխատանքային նյութի ուժեղ ջեռուցում և քայքայում: Գազային և հեղուկ լազերները օգտագործում են էլեկտրական լիցքաթափման պոմպ: Այս լազերները գործում են անընդհատ: Պոմպում քիմիական լազերներտեղի է ունենում քիմիական ռեակցիաների հոսքի միջոցով իրենց ակտիվ միջավայրում: Այս դեպքում պոպուլյացիայի ինվերսիան տեղի է ունենում կա՛մ անմիջապես ռեակցիայի արգասիքներում, կա՛մ հատուկ ներմուծված կեղտերում՝ էներգիայի մակարդակների համապատասխան կառուցվածքով: Կիսահաղորդչային լազերների մղումը տեղի է ունենում p-n հանգույցի միջոցով ուժեղ ուղղակի հոսանքի ազդեցության ներքո, ինչպես նաև էլեկտրոնային ճառագայթով: Գոյություն ունեն մղման այլ մեթոդներ (գազադինամիկ մեթոդներ, որոնք բաղկացած են նախապես տաքացված գազերի կտրուկ սառեցումից, ֆոտոդիսոցիացիայից, քիմիական պոմպային կոնկրետ դեպքից և այլն)։

Նկարում՝ ա - եռաստիճան և բ - լազերային ակտիվ միջավայրը պոմպելու չորս մակարդակի սխեմաներ։

Աշխատանքային միջավայրը պոմպելու դասական եռաստիճան համակարգը օգտագործվում է, օրինակ, ռուբին լազերային: Ռուբին Al 2 O 3 կորունդի բյուրեղ է, որը պարունակում է փոքր քանակությամբ Cr 3+ քրոմի իոններ, որոնք լազերային ճառագայթման աղբյուր են: Կորունդի բյուրեղային ցանցի էլեկտրական դաշտի ազդեցության պատճառով քրոմի արտաքին էներգիայի մակարդակը Ե 2-ը բաժանված է (տես Սթարկի էֆեկտը): Սա այն է, ինչը հնարավորություն է տալիս որպես պոմպ օգտագործել ոչ միագույն ճառագայթումը: Այս դեպքում ատոմը հիմնական վիճակից անցնում է էներգիայով Ե 0-ի մեջ հուզված էներգիայով Ե 2. Ատոմը կարող է մնալ այս վիճակում համեմատաբար կարճ ժամանակ (10-8 վրկ-ի սահմաններում), ոչ ճառագայթային անցում դեպի մակարդակը տեղի է ունենում գրեթե անմիջապես: Ե 1, որտեղ ատոմը կարող է շատ ավելի երկար մնալ (մինչև 10–3 վրկ), սա այսպես կոչված մետակայուն մակարդակն է։ Հնարավոր է ինդուկտիվ արտանետում իրականացնել այլ պատահական ֆոտոնների ազդեցության տակ։ Հենց որ մետաստաբիլ վիճակում ավելի շատ ատոմներ կան, քան հիմնականում, սկսվում է գեներացման գործընթացը։

Պետք է նշել, որ քրոմի ատոմների պոպուլյացիայի ինվերսիան կարող է ստեղծվել մակարդակից անմիջապես մղելու միջոցով Ե 0 մեկ մակարդակի համար Ե 1 հնարավոր չէ։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ եթե կլանումը և խթանված արտանետումը տեղի են ունենում երկու մակարդակների միջև, ապա այս երկու գործընթացներն էլ ընթանում են նույն արագությամբ: Հետևաբար, այս դեպքում պոմպացումը կարող է միայն հավասարեցնել երկու մակարդակների պոպուլյացիաները, ինչը անբավարար է առաջացման համար:

Որոշ լազերներում, օրինակ, նեոդիմումային լազերներում, որոնցում ճառագայթումը առաջանում է Nd 3+ նեոդիմի իոնների միջոցով, օգտագործվում է չորս մակարդակի պոմպային սխեման։ Այստեղ մետակայունի միջև Ե 2 և հիմնական մակարդակ Ե 0 կա միջանկյալ աշխատանքային մակարդակ Ե 1 . Խթանված արտանետումը տեղի է ունենում ատոմի մակարդակների միջև անցման ժամանակ Ե 2 և Ե 1 . Այս սխեմայի առավելությունն այն է, որ այս դեպքում հեշտ է կատարել բնակչության ինվերսիայի պայմանը, քանի որ վերին աշխատանքային մակարդակի կյանքի տևողությունը ( Ե 2) մի քանի կարգով ավելի երկար, քան ստորին մակարդակի կյանքի ժամկետը ( Ե 1). Սա զգալիորեն նվազեցնում է պոմպի աղբյուրի պահանջները: Բացի այդ, նման սխեման հնարավորություն է տալիս ստեղծել բարձր հզորության շարունակական ալիքային լազերներ, ինչը շատ կարևոր է որոշ ծրագրերի համար։ Այնուամենայնիվ, նման լազերները զգալի թերություն ունեն ցածր քվանտային արդյունավետության տեսքով, որը սահմանվում է որպես արտանետվող ֆոտոնի էներգիայի հարաբերակցությունը կլանված պոմպի ֆոտոնի էներգիային (η quantum = hν ճառագայթում / hν պոմպ)

Մեր ժամանակներում դժվար է գտնել մարդ, ով երբեք չի լսի այդ բառը «լազերային», սակայն, շատ քչերը հստակ հասկանում են, թե դա ինչ է։

Իրենց գյուտից հետո կես դարում տարբեր տեսակի լազերներ օգտագործվել են տարբեր ոլորտներում՝ բժշկությունից մինչև թվային տեխնոլոգիաներ: Այսպիսով, ի՞նչ է լազերը, ո՞րն է դրա գործողության սկզբունքը և ինչի՞ համար է այն:

Ի՞նչ է լազերը:

Լազերների գոյության հավանականությունը կանխատեսել էր Ալբերտ Էյնշտեյնը, ով դեռ 1917 թվականին հրապարակեց մի հոդված, որտեղ խոսվում էր որոշակի երկարության լույսի քվանտա արձակող էլեկտրոնների հնարավորության մասին։ Այս երեւույթը կոչվում էր խթանված արտանետում, սակայն երկար ժամանակ այն համարվում էր անիրագործելի տեխնիկական տեսանկյունից։

Սակայն տեխնիկական և տեխնոլոգիական հնարավորությունների զարգացման հետ մեկտեղ լազերի ստեղծումը դարձել է ժամանակի խնդիր։ 1954 թվականին խորհրդային գիտնականներ Ն.Բասովը և Ա.Պրոխորովը ստացան Նոբելյան մրցանակ՝ ամոնիակով աշխատող առաջին միկրոալիքային գեներատորի՝ մասերի ստեղծման համար։ Իսկ 1960 թվականին ամերիկացի T. Maiman-ը արտադրեց օպտիկական ճառագայթների առաջին քվանտային գեներատորը, որը նա անվանեց լազեր (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation): Սարքը էներգիան վերածում է նեղ ուղղության օպտիկական ճառագայթման, այսինքն. լույսի ճառագայթ, բարձր կոնցենտրացիայի լույսի քվանտների (ֆոտոնների) հոսք։

Լազերի շահագործման սկզբունքը

Երևույթը, որի վրա հիմնված է լազերի աշխատանքը, կոչվում է միջավայրի խթանված կամ ինդուկտիվ ճառագայթում։ Որոշ նյութի ատոմները կարող են ֆոտոններ արձակել այլ ֆոտոնների ազդեցությամբ, մինչդեռ գործող ֆոտոնի էներգիան պետք է հավասար լինի ատոմի էներգիայի մակարդակների տարբերությանը ճառագայթումից առաջ և հետո:

Արտանետվող ֆոտոնը համահունչ է նրան, որն առաջացրել է արտանետումը, այսինքն. ճիշտ այնպես, ինչպես առաջին ֆոտոնը: Արդյունքում, միջավայրում թույլ լույսի հոսքը ուժեղանում է և ոչ թե պատահականորեն, այլ մեկ ուղղությամբ: Ձևավորվում է գրգռված ճառագայթման ճառագայթ, որը կոչվում է լազեր։

Լազերների դասակարգում

Երբ ուսումնասիրվեցին լազերների բնույթն ու հատկությունները, հայտնաբերվեցին այդ ճառագայթների տարբեր տեսակներ: Ըստ նախնական նյութի վիճակի՝ լազերները կարող են լինել.

• գազ;
• հեղուկ;
• ամուր վիճակ;
• ազատ էլեկտրոնների վրա։

Ներկայումս լազերային ճառագայթ ստանալու համար մշակվել են մի քանի մեթոդներ.

• էլեկտրական փայլի կամ աղեղի արտանետման օգնությամբ գազային միջավայրում - գազի արտանետում;
• տաք գազի ընդլայնմամբ և բնակչության ինվերսիաների ստեղծմամբ՝ գազի դինամիկ;
• կիսահաղորդչի միջով հոսանք անցնելով միջավայրի գրգռմամբ՝ դիոդ կամ ներարկում.
• միջավայրը օպտիկական մղելով ֆլեշ լամպով, LED-ով, մեկ այլ լազերով և այլն;
• միջավայրի էլեկտրոնային ճառագայթով պոմպով;
• միջուկային պոմպը միջուկային ռեակտորից ճառագայթում ստանալուց հետո.
• օգտագործելով հատուկ քիմիական ռեակցիաներ՝ քիմիական լազերներ։

Դրանք բոլորն ունեն իրենց առանձնահատկություններն ու տարբերությունները, որոնց շնորհիվ օգտագործվում են տարբեր ոլորտներում։

Լազերների գործնական կիրառում

Մինչ օրս տարբեր տեսակի լազերներ օգտագործվում են տասնյակ ոլորտներում, բժշկության, ՏՏ տեխնոլոգիաների և գործունեության այլ ոլորտներում։ Դրանք օգտագործվում են.

• մետաղների, պլաստմասսաների, այլ նյութերի կտրում և եռակցում;
• նկարներ, մակագրություններ և ապրանքների մակերեսի նշում;
• գերբարակ անցքերի հորատում, կիսահաղորդչային բյուրեղային մասերի ճշգրիտ մշակում;
• արտադրանքի ծածկույթների ձևավորում ցողման, մակերևույթի, մակերևույթի համաձուլման և այլնի միջոցով;
• ապակեպլաստե օգտագործմամբ տեղեկատվական փաթեթների փոխանցում;
• վիրաբուժական վիրահատությունների և այլ թերապևտիկ ազդեցությունների կատարում.
• կոսմետիկ ընթացակարգեր մաշկի երիտասարդացման, թերի գոյացությունների հեռացման և այլնի համար;
• թիրախավորում տարբեր տեսակի զենքեր՝ փոքր զենքերից մինչև հրթիռներ.
• հոլոգրաֆիկ մեթոդների ստեղծում և օգտագործում;
• կիրառում տարբեր հետազոտական ​​նախագծերում;
• հեռավորությունների, կոորդինատների, աշխատանքային միջավայրի խտության, հոսքի արագության և շատ այլ պարամետրերի չափում.
• տարբեր տեխնոլոգիական գործընթացների իրականացման համար քիմիական ռեակցիաների մեկնարկը:

Կան շատ ավելի շատ ոլորտներ, որտեղ լազերներն արդեն օգտագործվում են կամ կիրառություն կգտնեն շատ մոտ ապագայում: