ლაზერის სტრუქტურა და მოქმედების პრინციპი. ოპტიკურად ამოტუმბული კვანტური მოწყობილობები, რომლებიც მუშაობენ "სამ დონის სქემის" მიხედვით

კვანტურ გენერატორებს, რომლებიც ასხივებენ ხილული და ინფრაწითელი გამოსხივების დიაპაზონს, ეწოდება ლაზერები. სიტყვა „ლაზერი“ არის აბრევიატურა გამოთქმისა: სინათლის გაძლიერება გამოსხივების სტიმულირებული გამოსხივებით, რაც ნიშნავს სინათლის გაძლიერებას კვანტების ინდუცირებული ან, როგორც ზოგჯერ უწოდებენ, სტიმულირებული ემისიის შედეგად.

ლაზერული მოწყობილობა

განზოგადებული ლაზერი შედგება ლაზერული აქტიური საშუალებისგან, "სატუმბი" სისტემისგან - ძაბვის წყაროდან და ოპტიკური ღრუსგან.

სატუმბი სისტემა ენერგიას გადასცემს ლაზერული საშუალების ატომებს ან მოლეკულებს, რაც მათ საშუალებას აძლევს გადავიდნენ აღფრთოვანებულ „მეტასტაბილურ მდგომარეობაში“ შექმნის პოპულაციის ინვერსიას.

· ოპტიკური სატუმბი იყენებს ფოტონებს, რომლებიც უზრუნველყოფილია წყაროდან, როგორიცაა ქსენონით სავსე ფლეშ ნათურა ან სხვა ლაზერი, რათა გადაიტანოს ენერგია ლაზერულ ნივთიერებაზე. ოპტიკურმა წყარომ უნდა უზრუნველყოს ფოტონები, რომლებიც ემთხვევა ლაზერულ მასალაში გადასვლის დასაშვებ დონეებს.

· შეჯახების ტუმბო ეფუძნება ლაზერულ ნივთიერებაზე ენერგიის გადაცემას ლაზერული ნივთიერების ატომებთან (ან მოლეკულებთან) შეჯახების შედეგად. ამავდროულად, ასევე უნდა იყოს უზრუნველყოფილი დასაშვები გადასვლების შესაბამისი ენერგია. ეს ჩვეულებრივ მიიღწევა ელექტრული გამონადენის გამოყენებით სუფთა გაზში ან აირების ნარევი მილში.

· ქიმიური სატუმბი სისტემები იყენებენ ქიმიური რეაქციების შედეგად გამოთავისუფლებულ შემაკავშირებელ ენერგიას ლაზერული ნივთიერების მეტასტაბილურ მდგომარეობაში გადაქცევისთვის.

ლაზერში სასურველი ძალის უზრუნველსაყოფად და სასურველი მიმართულებით მოძრავი ფოტონების შესარჩევად საჭიროა ოპტიკური ღრუ. როდესაც პოპულაციის ინვერსიის მეტასტაბილურ მდგომარეობაში მყოფი პირველი ატომი ან მოლეკულა იხსნება, სტიმულირებული ემისიის გამო, იგი იწყებს სხვა ატომების ან მოლეკულების გამონადენს მეტასტაბილურ მდგომარეობაში. თუ ფოტონები მიემართებიან ლაზერული ნივთიერების კედლებისკენ, ჩვეულებრივ, ღეროს ან მილს, ისინი იკარგება და გაძლიერების პროცესი წყდება. მიუხედავად იმისა, რომ ისინი შეიძლება აისახოს ღეროს ან მილის კედლებიდან, ადრე თუ გვიან ისინი დაიკარგებიან სისტემიდან და ხელს არ შეუწყობენ სხივის შექმნას.

მეორეს მხრივ, თუ ერთ-ერთი განადგურებული ატომი ან მოლეკულა ათავისუფლებს ფოტონს ლაზერული ნივთიერების ღერძის პარალელურად, მას შეუძლია დაიწყოს სხვა ფოტონის გათავისუფლება და ისინი ორივე აისახება სარკით გენერირების ღეროს ბოლოს. ან მილის. ამის შემდეგ არეკლილი ფოტონები უკან გადიან ნივთიერების მეშვეობით და იწყებენ შემდგომ გამოსხივებას ზუსტად იმავე გზაზე, რომელიც კვლავ აირეკლება ლაზერული ნივთიერების ბოლოებზე არსებული სარკეებით. სანამ ეს გამაძლიერებელი პროცესი გრძელდება, გამაძლიერებელი ნაწილი ყოველთვის გამოვა ნაწილობრივ ამრეკლავი სარკედან. როდესაც ამ პროცესის მოგება ან მოგება აღემატება ღრუს დანაკარგებს, იწყება ლაზირება. ამრიგად, იქმნება თანმიმდევრული სინათლის ვიწრო, კონცენტრირებული სხივი. ლაზერული ოპტიკური ღრუს სარკეები ზუსტად უნდა იყოს მორგებული ისე, რომ სინათლის სხივები იყოს ღერძის პარალელურად. თავად ოპტიკური რეზონატორი, ე.ი. საშუალების ნივთიერება ძლიერად არ უნდა შთანთქოს სინათლის ენერგიას.

ლაზერული საშუალო (ლაზერული მასალა) - ლაზერები, როგორც წესი, განისაზღვრება გამოყენებული ლაზერული ნივთიერების ტიპის მიხედვით. არსებობს ოთხი ასეთი ტიპი:

მყარი,

საღებავი,

ნახევარგამტარი.

მყარი მდგომარეობის ლაზერები იყენებენ ლაზერულ მასალას, რომელიც ნაწილდება მყარ მატრიცაში. მყარი მდგომარეობის ლაზერებს უნიკალური ადგილი უკავია ლაზერის განვითარებაში. პირველი სამუშაო ლაზერული საშუალება იყო ვარდისფერი ლალის კრისტალი (საფირონის კრისტალი დოპირებული ქრომით); მას შემდეგ, ტერმინი "მყარი მდგომარეობის ლაზერი" ზოგადად გამოიყენება ლაზერის აღსაწერად, რომლის აქტიური გარემო არის იონური მინარევებით შეჯერებული კრისტალი. მყარი მდგომარეობის ლაზერები არის დიდი, ადვილად შესანახი მოწყობილობები, რომლებსაც შეუძლიათ გამოიმუშაონ მაღალი სიმძლავრის ენერგია. მყარი მდგომარეობის ლაზერების ყველაზე მნიშვნელოვანი რამ არის ის, რომ გამომავალი სიმძლავრე ჩვეულებრივ არ არის მუდმივი, მაგრამ შედგება დიდი რაოდენობის ინდივიდუალური სიმძლავრის მწვერვალებისგან.

ერთი მაგალითია ნეოდიმი-YAG ლაზერი. ტერმინი YAG მოკლეა კრისტალისთვის: იტრიუმის ალუმინის ბროწეული, რომელიც ნეოდიმის იონების გადამზიდავია. ეს ლაზერი ასხივებს ინფრაწითელ სხივს ტალღის სიგრძით 1064 მიკრომეტრი. გარდა ამისა, შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა დოპინგ ელემენტები, როგორიცაა ერბიუმი (Er:YAG ლაზერები).

გაზის ლაზერები იყენებენ გაზს ან აირების ნარევს მილში. გაზის ლაზერების უმეტესობა იყენებს ჰელიუმის და ნეონის ნარევს (HeNe), პირველადი გამომავალი სიგნალით 6328 ნმ (ნმ = 10-9 მეტრი), ხილული წითელი. ეს ლაზერი პირველად შეიქმნა 1961 წელს და გახდა გაზის ლაზერების მთელი ოჯახის წინამორბედი.

ყველა გაზის ლაზერი საკმაოდ მსგავსია დიზაინითა და თვისებებით. მაგალითად, CO2 გაზის ლაზერი ასხივებს ტალღის სიგრძეს 10,6 მიკრომეტრს სპექტრის შორეულ ინფრაწითელ რეგიონში. არგონისა და კრიპტონის გაზის ლაზერები მოქმედებენ მრავალ სიხშირეზე, რომლებიც ასხივებენ უპირატესად სპექტრის ხილულ ნაწილში. არგონის ლაზერული გამოსხივების ძირითადი ტალღის სიგრძეა 488 და 514 ნმ.

საღებავი ლაზერები იყენებენ ლაზერულ საშუალებას, რომელიც წარმოადგენს კომპლექსურ ორგანულ საღებავს თხევად ხსნარში ან სუსპენზიაში.

ამ ლაზერების ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია მათი „ადაპტაცია“. საღებავისა და მისი კონცენტრაციის სწორი არჩევანი საშუალებას იძლევა ლაზერული შუქი წარმოიქმნას ტალღის სიგრძის ფართო დიაპაზონში ხილულ სპექტრში ან მის მახლობლად. საღებავი ლაზერები, როგორც წესი, იყენებენ ოპტიკური აგზნების სისტემას, თუმცა ზოგიერთი ტიპის საღებავი ლაზერები იყენებენ ქიმიურ აგზნებას.

ნახევარგამტარული (დიოდური) ლაზერები - შედგება ნახევარგამტარული მასალის ორი ფენისგან, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაწყობილი. ლაზერული დიოდი არის შუქმფენი დიოდი ოპტიკური ტევადობით, რომელიც აძლიერებს გამოსხივებულ შუქს ნახევარგამტარულ ღეროში უკუსვლისგან, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე. მათი დარეგულირება შესაძლებელია გამოყენებული დენის, ტემპერატურის ან მაგნიტური ველის შეცვლით.

ლაზერის მუშაობის სხვადასხვა დროის რეჟიმი განისაზღვრება ენერგიის მიწოდების სიხშირით.

უწყვეტი ტალღის (CW) ლაზერები მოქმედებენ მუდმივი საშუალო სხივის სიმძლავრით.

ერთპულსიან ლაზერებს, როგორც წესი, აქვთ პულსის ხანგრძლივობა რამდენიმე ასეული მიკროწამიდან რამდენიმე მილიწამამდე. მუშაობის ამ რეჟიმს ჩვეულებრივ უწოდებენ გრძელ პულსს ან ნორმალურ რეჟიმს.

ერთპულსიანი Q- გადართვის ლაზერები არის შიდა ღრუს შეფერხების შედეგი (Q-ჩართული უჯრედი), რაც საშუალებას აძლევს ლაზერულ გარემოს შეინარჩუნოს მაქსიმალური პოტენციური ენერგია. შემდეგ, ყველაზე ხელსაყრელ პირობებში, ერთჯერადი პულსები გამოიყოფა, ჩვეულებრივ, 10-8 წამის დროის ინტერვალით. ამ პულსებს აქვთ მაღალი პიკური სიმძლავრე, ხშირად 106-დან 109 ვატამდე.

პულსირებული იმპულსური ლაზერები, ან სკანირების ლაზერები, პრინციპში ფუნქციონირებს ისევე, როგორც იმპულსური ლაზერები, მაგრამ ფიქსირებული (ან ცვალებადი) პულსის სიხშირით, რომელიც შეიძლება განსხვავდებოდეს რამდენიმე იმპულსიდან წამში 20000 იმპულსამდე წამში.

ლაზერის მუშაობის პრინციპი

ლაზერული მოქმედების ფიზიკური საფუძველი არის იძულებითი (გამოწვეული) გამოსხივების ფენომენი. ფენომენის არსი იმაში მდგომარეობს, რომ აღგზნებულ ატომს შეუძლია სხვა ფოტონის გავლენის ქვეშ ასხივოს ფოტონი მისი შთანთქმის გარეშე, თუ ამ უკანასკნელის ენერგია უდრის ატომის დონეების ენერგიების განსხვავებას ატომის დონემდე და მის შემდეგ. რადიაცია. ამ შემთხვევაში, გამოსხივებული ფოტონი თანმიმდევრულია იმ ფოტოსთან, რომელმაც გამოსხივება გამოიწვია (ეს არის მისი „ზუსტი ასლი“). ამ გზით შუქი ძლიერდება. ეს ფენომენი განსხვავდება სპონტანური ემისიისგან, რომლის დროსაც გამოსხივებულ ფოტონებს აქვთ გავრცელების შემთხვევითი მიმართულებები, პოლარიზაცია და ფაზა.

ალბათობა იმისა, რომ შემთხვევითი ფოტონი გამოიწვევს აღგზნებული ატომიდან სტიმულირებულ ემისიას, ზუსტად უდრის ამ ფოტონის შთანთქმის ალბათობას ატომის მიერ აუგზნებულ მდგომარეობაში. მაშასადამე, სინათლის გასაძლიერებლად აუცილებელია, რომ გარემოში იყოს უფრო აღგზნებული ატომები, ვიდრე აუგზნებელი (ე.წ. პოპულაციის ინვერსია). თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობაში ეს პირობა არ არის დაკმაყოფილებული, ამიტომ გამოიყენება ლაზერული აქტიური საშუალების ამოტუმბვის სხვადასხვა სისტემები (ოპტიკური, ელექტრო, ქიმიური და ა.შ.).

წარმოქმნის პირველადი წყარო სპონტანური ემისიის პროცესია, შესაბამისად, ფოტონების თაობების უწყვეტობის უზრუნველსაყოფად აუცილებელია დადებითი უკუკავშირის არსებობა, რის გამოც გამოსხივებული ფოტონები იწვევენ ინდუცირებული ემისიის შემდგომ აქტებს. ამისათვის ლაზერული აქტიური საშუალება მოთავსებულია ოპტიკურ ღრუში. უმარტივეს შემთხვევაში, იგი შედგება ორი სარკისგან, რომელთაგან ერთი გამჭვირვალეა - მისი მეშვეობით ლაზერის სხივი ნაწილობრივ გამოდის რეზონატორიდან. სარკეებიდან ასახული გამოსხივების სხივი არაერთხელ გადის რეზონატორში, რაც იწვევს მასში ინდუცირებულ გადასვლებს. გამოსხივება შეიძლება იყოს უწყვეტი ან პულსირებული. ამავდროულად, სხვადასხვა მოწყობილობების გამოყენებით (მბრუნავი პრიზმები, კერის უჯრედები და ა.შ.) უკუკავშირის სწრაფად გამორთვისა და ჩართვისთვის და ამით იმპულსების პერიოდის შესამცირებლად, შესაძლებელია შეიქმნას პირობები ძალიან მაღალი სიმძლავრის გამოსხივების წარმოქმნისთვის ( ეგრეთ წოდებული გიგანტური პულსები). ლაზერული მუშაობის ამ რეჟიმს ეწოდება Q- გადართვის რეჟიმი.

ლაზერის მიერ წარმოქმნილი გამოსხივება არის მონოქრომატული (ერთი ან ტალღის სიგრძის დისკრეტული ნაკრები), ვინაიდან გარკვეული სიგრძის ფოტონის ემისიის ალბათობა უფრო დიდია, ვიდრე მჭიდროდ განლაგებული, ასოცირდება სპექტრალური ხაზის გაფართოებასთან და შესაბამისად, ამ სიხშირეზე ინდუცირებული გადასვლების ალბათობასაც აქვს მაქსიმუმი. ამიტომ, თანდათანობით წარმოქმნის პროცესში, მოცემული ტალღის სიგრძის ფოტონები დომინირებენ ყველა სხვა ფოტონზე. გარდა ამისა, სარკეების სპეციალური მოწყობის გამო, მხოლოდ ის ფოტონები, რომლებიც ვრცელდება რეზონატორის ოპტიკური ღერძის პარალელურად, მისგან მცირე მანძილზე, რჩება ლაზერის სხივში; დარჩენილი ფოტონები სწრაფად ტოვებენ რეზონატორის მოცულობას. ამრიგად, ლაზერის სხივს აქვს ძალიან მცირე განსხვავების კუთხე. საბოლოოდ, ლაზერის სხივს აქვს მკაცრად განსაზღვრული პოლარიზაცია. ამისათვის რეზონატორში შეჰყავთ სხვადასხვა პოლაროიდები; მაგალითად, ისინი შეიძლება იყოს ბრტყელი მინის ფირფიტები, რომლებიც დამონტაჟებულია ბრუსტერის კუთხით ლაზერის სხივის გავრცელების მიმართულებით.

ლაზერების აპლიკაციები

ლაზერული კვანტური გენერატორის გამოსხივება

მათი გამოგონების დღიდან ლაზერებმა დაიმკვიდრეს თავი, როგორც „უცნობი პრობლემების მზა გადაწყვეტილებები“. ლაზერული გამოსხივების უნიკალური თვისებების გამო, ისინი ფართოდ გამოიყენება მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ბევრ დარგში, ასევე ყოველდღიურ ცხოვრებაში (CD ფლეერები, ლაზერული პრინტერები, შტრიხკოდების წამკითხველები, ლაზერული მაჩვენებლები და ა.შ.). მრეწველობაში ლაზერები გამოიყენება სხვადასხვა მასალისგან დამზადებული ნაწილების ჭრის, შესადუღებლად და შედუღებისთვის. გამოსხივების მაღალი ტემპერატურა საშუალებას გაძლევთ შედუღოთ მასალები, რომელთა შედუღება შეუძლებელია ჩვეულებრივი მეთოდების გამოყენებით (მაგალითად, კერამიკა და ლითონი). ლაზერის სხივი შეიძლება ფოკუსირებული იყოს მიკრონის რიგის დიამეტრის წერტილში, რაც შესაძლებელს ხდის მის გამოყენებას მიკროელექტრონიკაში (ე.წ. ლაზერული ჩაწერა). ლაზერები გამოიყენება მასალების ზედაპირული საფარის მისაღებად (ლაზერული შენადნობი, ლაზერული ზედაპირი, ვაკუუმ ლაზერული დეპონირება) მათი აცვიათ წინააღმდეგობის გაზრდის მიზნით. ასევე ფართოდ გამოიყენება სამრეწველო ნიმუშების ლაზერული მარკირება და სხვადასხვა მასალისგან დამზადებული პროდუქციის გრავირება. მასალების ლაზერული დამუშავებისას მათზე მექანიკური ზემოქმედება არ ხდება, ამიტომ ხდება მხოლოდ მცირე დეფორმაციები. გარდა ამისა, მთელი ტექნოლოგიური პროცესი შეიძლება იყოს სრულად ავტომატიზირებული. ამიტომ ლაზერული დამუშავება ხასიათდება მაღალი სიზუსტით და პროდუქტიულობით.

ნახევარგამტარული ლაზერი, რომელიც გამოიყენება Hewlett-Packard პრინტერის გამოსახულების გენერირების განყოფილებაში.

ლაზერები გამოიყენება ჰოლოგრაფიაში, რათა თავად შექმნან ჰოლოგრამები და მიიღონ ჰოლოგრაფიული სამგანზომილებიანი გამოსახულება. ზოგიერთ ლაზერს, როგორიცაა საღებავი ლაზერები, შეუძლია წარმოქმნას თითქმის ნებისმიერი ტალღის სიგრძის მონოქრომატული შუქი და რადიაციის იმპულსები შეიძლება მიაღწიონ 10-16 წმ-ს და, შესაბამისად, უზარმაზარ ძალას (ე.წ. გიგანტური პულსები). ეს თვისებები გამოიყენება სპექტროსკოპიაში, ასევე არაწრფივი ოპტიკური ეფექტების შესწავლაში. ლაზერის გამოყენებით შესაძლებელი გახდა მთვარემდე მანძილის გაზომვა რამდენიმე სანტიმეტრის სიზუსტით. კოსმოსური ობიექტების ლაზერულმა დიაპაზონმა გაარკვია ასტრონომიული მუდმივის მნიშვნელობა და ხელი შეუწყო კოსმოსური სანავიგაციო სისტემების დახვეწას, გააფართოვა მზის სისტემის პლანეტების ატმოსფეროსა და ზედაპირის სტრუქტურის გაგება. ასტრონომიულ ტელესკოპებში, რომლებიც აღჭურვილია ადაპტური ოპტიკური სისტემით ატმოსფერული დამახინჯების გამოსასწორებლად, ლაზერები გამოიყენება ხელოვნური სახელმძღვანელო ვარსკვლავების შესაქმნელად ატმოსფეროს ზედა ფენებში.

ულტრამოკლე ლაზერული იმპულსები გამოიყენება ლაზერულ ქიმიაში ქიმიური რეაქციების გასააქტიურებლად და გასაანალიზებლად. აქ ლაზერული გამოსხივება იძლევა ზუსტი ლოკალიზაციის, დოზის, აბსოლუტური სტერილობის და სისტემაში ენერგიის შეყვანის მაღალი სიჩქარის საშუალებას. ამჟამად ვითარდება სხვადასხვა ლაზერული გაგრილების სისტემები და განიხილება ლაზერების გამოყენებით კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის განხორციელების შესაძლებლობები (თერმობირთვული რეაქციების სფეროში კვლევისთვის ყველაზე შესაფერისი ლაზერი იქნება ლაზერი, რომელიც იყენებს ტალღის სიგრძეებს ხილული სპექტრის ლურჯ ნაწილში. ). ლაზერები ასევე გამოიყენება სამხედრო მიზნებისთვის, მაგალითად, როგორც სახელმძღვანელო და დამიზნების დამხმარე საშუალება. განიხილება მაღალი სიმძლავრის ლაზერებზე დაფუძნებული საჰაერო, საზღვაო და სახმელეთო საბრძოლო თავდაცვის სისტემების შექმნის ვარიანტები.

მედიცინაში ლაზერებს იყენებენ როგორც უსისხლო სკალპელებს და იყენებენ ოფთალმოლოგიური დაავადებების სამკურნალოდ (კატარაქტა, ბადურას გამოყოფა, მხედველობის ლაზერული კორექცია და სხვ.). ასევე ფართოდ გამოიყენება კოსმეტოლოგიაში (ლაზერული ეპილაცია, სისხლძარღვთა და პიგმენტური კანის დეფექტების მკურნალობა, ლაზერული პილინგი, ტატუსა და ასაკობრივი ლაქების მოცილება). ამჟამად სწრაფად ვითარდება ეგრეთ წოდებული ლაზერული კომუნიკაცია. ცნობილია, რომ რაც უფრო მაღალია საკომუნიკაციო არხის გადამზიდავი სიხშირე, მით მეტია მისი გამტარუნარიანობა. ამიტომ, რადიო კომუნიკაციები უფრო მოკლე ტალღის სიგრძეზე გადადის. სინათლის ტალღის სიგრძე საშუალოდ ექვსი რიგით ნაკლებია, ვიდრე რადიო დიაპაზონის ტალღის სიგრძე, ამიტომ ლაზერულ გამოსხივებას შეუძლია გაცილებით დიდი რაოდენობის ინფორმაციის გადაცემა. ლაზერული კომუნიკაცია ხორციელდება როგორც ღია, ასევე დახურული სინათლის სახელმძღვანელო სტრუქტურებით, მაგალითად, ოპტიკური ბოჭკოებით. მთლიანი შიდა ასახვის ფენომენის გამო, სინათლეს შეუძლია მასში გავრცელება დიდ დისტანციებზე, პრაქტიკულად შესუსტების გარეშე.

ყოველდღიური წარმოება და სამეცნიერო საქმიანობა. წლების განმავლობაში ეს „ინსტრუმენტი“ უფრო და უფრო გაუმჯობესდება და ამავდროულად ლაზერების მოქმედების სფერო მუდმივად გაფართოვდება. ლაზერული ტექნოლოგიების სფეროში კვლევის მზარდი ტემპი ხსნის ახალი ტიპის ლაზერების შექმნის შესაძლებლობას მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებული მახასიათებლებით, რაც მათ საშუალებას აძლევს გააფართოვონ თავიანთი გამოყენების სფეროები...

არა მხოლოდ განსაკუთრებით მძიმე მასალებისთვის, არამედ მასალებისთვის, რომლებიც ხასიათდება გაზრდილი მყიფეობით. ლაზერული საბურღი აღმოჩნდა არა მხოლოდ ძლიერი, არამედ ძალიან დელიკატური "ინსტრუმენტი". მაგალითი: ლაზერის გამოყენება ალუმინის კერამიკისგან დამზადებული ჩიპის სუბსტრატებზე ხვრელების გაბურღვისას. კერამიკა უჩვეულოდ მყიფეა. ამ მიზეზით, ჩიპის სუბსტრატზე ხვრელების მექანიკური ბურღვა...

ლაზერი აუცილებლად შედგება სამი ძირითადი კომპონენტისგან:

1) აქტიური საშუალო, რომლებშიც იქმნება მოსახლეობის ინვერსიის მქონე სახელმწიფოები;

2) სისტემებისატუმბი− მოწყობილობები აქტიურ გარემოში ინვერსიის შესაქმნელად;

3) ოპტიკურირეზონატორის შესახებ− მოწყობილობა, რომელიც აყალიბებს ფოტონის სხივის მიმართულებას.

გარდა ამისა, ოპტიკური რეზონატორი განკუთვნილია ლაზერული გამოსხივების მრავალჯერადი გაძლიერებისთვის.

ამჟამად როგორც აქტიური (მუშაობა) გარემო ლაზერები იყენებენ მატერიის სხვადასხვა აგრეგატულ მდგომარეობას: მყარი, თხევადი, აირისებრი, პლაზმური.

ლაზერული გარემოს ინვერსიული პოპულაციის შესაქმნელად, სხვადასხვა სატუმბი მეთოდები . ლაზერის ამოტუმბვა შესაძლებელია როგორც უწყვეტად, ასევე იმპულსურად. გრძელვადიან (უწყვეტ) რეჟიმში, აქტიურ გარემოში შეყვანილი ტუმბოს სიმძლავრე შეზღუდულია აქტიური საშუალების გადახურებით და მასთან დაკავშირებული ფენომენებით. ერთჯერადი პულსის რეჟიმში, შესაძლებელია აქტიურ გარემოში მნიშვნელოვნად მეტი ენერგიის შეყვანა, ვიდრე ერთსა და იმავე დროს უწყვეტ რეჟიმში. ეს იწვევს ერთი პულსის უფრო დიდ ძალას.

ლაზერი- ეს არის სინათლის წყარო თვისებებით, რომლებიც მკვეთრად განსხვავდება ყველა სხვა წყაროსგან (ინკანდესენტური ნათურები, ფლუორესცენტური ნათურები, ალი, ბუნებრივი სანათები და ა.შ.). ლაზერის სხივს აქვს მრავალი შესანიშნავი თვისება. ის ვრცელდება დიდ მანძილზე და აქვს მკაცრად წრფივი მიმართულება. სხივი მოძრაობს ძალიან ვიწრო სხივში დაბალი ხარისხის განსხვავებულობით (ის აღწევს მთვარემდე ასობით მეტრის ფოკუსით). ლაზერის სხივს აქვს დიდი სითბო და შეუძლია ნახვრეტი გაუკეთოს ნებისმიერ მასალას. სხივის სინათლის ინტენსივობა აღემატება უძლიერესი სინათლის წყაროების ინტენსივობას.
დაასახელეთ ლაზერიარის ინგლისური ფრაზის აბრევიატურა: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). სინათლის გაძლიერება სტიმულირებული ემისიის გამოყენებით.
ყველა ლაზერული სისტემა შეიძლება დაიყოს ჯგუფებად გამოყენებული აქტიური საშუალების ტიპის მიხედვით. ლაზერების ყველაზე მნიშვნელოვანი ტიპებია:

მყარი მდგომარეობა

ნახევარგამტარი

თხევადი

გაზი
აქტიური გარემო არის ატომების, მოლეკულების, იონების ან კრისტალების ერთობლიობა (ნახევარგამტარული ლაზერი), რომელსაც სინათლის გავლენით შეუძლია შეიძინოს გამაძლიერებელი თვისებები.

ამრიგად, თითოეულ ატომს აქვს ენერგიის დონის დისკრეტული ნაკრები. ძირეულ მდგომარეობაში მდებარე ატომის ელექტრონები (მდგომარეობა მინიმალური ენერგიით), სინათლის კვანტების შთანთქმისას გადადიან უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე - ატომი აღგზნებულია; როდესაც სინათლის კვანტი გამოიყოფა, პირიქით ხდება. უფრო მეტიც, სინათლის ემისია, ანუ გადასვლა დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე (ნახ. 1ბ) შეიძლება მოხდეს სპონტანურად (სპონტანურად) ან გარე გამოსხივების (იძულებითი) გავლენის ქვეშ (ნახ. 1c). უფრო მეტიც, თუ სპონტანური გამოსხივების კვანტები ემიტირებულია შემთხვევითი მიმართულებებით, მაშინ სტიმულირებული გამოსხივების კვანტი გამოიყოფა იმავე მიმართულებით, როგორც კვანტი, რომელმაც გამოიწვია ეს გამოსხივება, ანუ ორივე კვანტი სრულიად იდენტურია.

სურ.1 ლაზერული გამოსხივების სახეები

იმისთვის, რომ გადასვლები, რომლებშიც ხდება ენერგიის ემისია (გადასვლები ენერგიის ზედა დონიდან ქვედაზე) გაიმარჯვოს, აუცილებელია აღგზნებული ატომების ან მოლეკულების გაზრდილი კონცენტრაციის შექმნა (პოპულაციის ინვერსიის შესაქმნელად). ეს გამოიწვევს ნივთიერებაზე მსუბუქი ინციდენტის ზრდას. ნივთიერების მდგომარეობას, რომელშიც იქმნება ენერგიის დონის ინვერსიული პოპულაცია, ეწოდება აქტიური, ხოლო ამ ნივთიერებისგან შემდგარ გარემოს - აქტიური გარემო.

დონეების ინვერსიული პოპულაციის შექმნის პროცესს ტუმბოს უწოდებენ. ხოლო ლაზერების კიდევ ერთი კლასიფიკაცია მზადდება სატუმბი მეთოდის მიხედვით (ოპტიკური, თერმული, ქიმიური, ელექტრო და ა.შ.). ტუმბოს მეთოდები დამოკიდებულია ლაზერის ტიპზე (მყარი, თხევადი, აირი, ნახევარგამტარი და ა.შ.).
სატუმბი პროცესის მთავარი ამოცანა შეიძლება ჩაითვალოს სამ დონის ლაზერის მაგალითის გამოყენებით (ნახ. 2).

ნახ. 2 სამ დონის ლაზერის დიაგრამა

ქვედა ლაზერული დონე I ენერგიით E1 არის სისტემის მთავარი ენერგეტიკული დონე, რომელზედაც თავდაპირველად ყველა აქტიური ატომია განთავსებული. ამოტუმბვა აღაგზნებს ატომებს და, შესაბამისად, გადააქვს მათ მიწის I დონიდან III დონეზე, ე3 ენერგიით. ატომები, რომლებიც აღმოჩნდებიან III დონეზე, ასხივებენ სინათლის კვანტებს და გადადიან I დონეზე, ან სწრაფად გადადიან ლაზერის II დონეზე. იმისათვის, რომ აღგზნებული ატომების დაგროვება მოხდეს II ლაზერის ზედა დონეზე, E2 ენერგიით, აუცილებელია ატომების სწრაფი რელაქსაცია III დონიდან II-მდე, რომელიც უნდა აღემატებოდეს II დონის ლაზერის დაშლის სიჩქარეს. ამ გზით შექმნილი ინვერსიული პოპულაცია უზრუნველყოფს რადიაციის გაძლიერების პირობებს.

თუმცა, იმისთვის, რომ წარმოქმნა მოხდეს, ჯერ კიდევ საჭიროა უკუკავშირის მიწოდება, ანუ სტიმულირებული ემისია, გაჩენისთანავე, გამოიწვიოს სტიმულირებული ემისიის ახალ აქტებს. ასეთი პროცესის შესაქმნელად აქტიური გარემო მოთავსებულია ოპტიკურ რეზონატორში.

ოპტიკური რეზონატორი არის ორი სარკის სისტემა, რომელთა შორის არის აქტიური გარემო (ნახ. 3). იგი უზრუნველყოფს სინათლის ტალღების მრავალ საწყისს, რომელიც გავრცელდება მისი ღერძის გასწვრივ გამაძლიერებელი საშუალების მეშვეობით, რის შედეგადაც მიიღწევა მაღალი რადიაციული სიმძლავრე.

ნახ.3 ლაზერული დიაგრამა

როდესაც გარკვეული სიმძლავრე მიიღწევა, რადიაცია გამოდის გამჭვირვალე სარკის მეშვეობით. კვანტების მხოლოდ იმ ნაწილის წარმოქმნაში მონაწილეობის გამო, რომლებიც პარალელურია რეზონატორის ღერძის, ეფექტურობა. ლაზერები, როგორც წესი, არ აღემატება 1%. ზოგიერთ შემთხვევაში, გარკვეული მახასიათებლების შეწირვა, ეფექტურობა. შეიძლება გაიზარდოს 30%-მდე.

დიაგრამაზე ნაჩვენებია: 1 - აქტიური საშუალო; 2 - ლაზერული ტუმბოს ენერგია; 3 - გაუმჭვირვალე სარკე; 4 - გამჭვირვალე სარკე; 5 - ლაზერის სხივი.

ყველა ლაზერი შედგება სამი ძირითადი ნაწილისგან:

აქტიური (სამუშაო) გარემო;

სატუმბი სისტემები (ენერგიის წყარო);

ოპტიკური რეზონატორი (შეიძლება არ იყოს, თუ ლაზერი მუშაობს გამაძლიერებლის რეჟიმში).

თითოეული მათგანი უზრუნველყოფს, რომ ლაზერი ასრულებს თავის სპეციფიკურ ფუნქციებს.

აქტიური გარემო

ამჟამად, მატერიის სხვადასხვა აგრეგატული მდგომარეობა გამოიყენება როგორც ლაზერის სამუშაო საშუალება: მყარი, თხევადი, აირისებრი, პლაზმა. ნორმალურ მდგომარეობაში, აღგზნებულ ენერგეტიკულ დონეზე მდებარე ატომების რაოდენობა განისაზღვრება ბოლცმანის განაწილებით:

Აქ ნ- ენერგიით აღგზნებულ მდგომარეობაში მყოფი ატომების რაოდენობა ე, ნ 0 - ატომების რაოდენობა ძირითად მდგომარეობაში, კ- ბოლცმანის მუდმივი, თ- გარემოს ტემპერატურა. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, აღგზნებულ მდგომარეობაში ნაკლებია ასეთი ატომები, ვიდრე ძირეულ მდგომარეობაში, ამიტომ იმის ალბათობა, რომ გარემოში გავრცელებული ფოტონი გამოიწვიოს სტიმულირებულ ემისიას, ასევე მცირეა მისი შთანთქმის ალბათობასთან შედარებით. მაშასადამე, ელექტრომაგნიტური ტალღა, რომელიც გადის ნივთიერებაში, ხარჯავს თავის ენერგიას ატომების აღგზნებად. გამოსხივების ინტენსივობა მცირდება ბუგერის კანონის მიხედვით:

Აქ მე 0 - საწყისი ინტენსივობა, მე l არის რადიაციის ინტენსივობა, რომელიც გადის მანძილზე ლმატერიაში ა 1 არის ნივთიერების შეწოვის სიჩქარე. ვინაიდან დამოკიდებულება ექსპონენციალურია, რადიაცია ძალიან სწრაფად შეიწოვება.

იმ შემთხვევაში, როდესაც აღგზნებული ატომების რაოდენობა არააღგზნებულზე მეტია (ანუ პოპულაციის ინვერსიის მდგომარეობაში), სიტუაცია ზუსტად საპირისპიროა. სტიმულირებული ემისიის აქტები ჭარბობს შთანთქმას და გამოსხივება იზრდება კანონის მიხედვით:

სად ა 2 - კვანტური მომატების ფაქტორი. რეალურ ლაზერებში გაძლიერება ხდება მანამ, სანამ სტიმულირებული ემისიის შედეგად მიღებული ენერგიის რაოდენობა არ გახდება რეზონატორში დაკარგული ენერგიის რაოდენობის ტოლი. ეს დანაკარგები დაკავშირებულია სამუშაო ნივთიერების მეტასტაბილური დონის გაჯერებასთან, რის შემდეგაც სატუმბი ენერგია გამოიყენება მხოლოდ მის გასათბობად, ასევე მრავალი სხვა ფაქტორის არსებობასთან (გაფანტვა საშუალების არაერთგვაროვნებით, შთანთქმა მინარევებით, ამრეკლავი სარკეების არასრულყოფილება, სასარგებლო და არასასურველი გამოსხივება გარემოში და ა.შ.).

სატუმბი სისტემა

ლაზერულ გარემოში პოპულაციის ინვერსიის შესაქმნელად გამოიყენება სხვადასხვა მექანიზმები. მყარი მდგომარეობის ლაზერებში ხმაური მიიღწევა დასხივების გზით მძლავრი გაზის გამონადენი ფლეშ ნათურებით, ფოკუსირებული მზის რადიაციის (ე.წ. ოპტიკური ტუმბოს) და სხვა ლაზერების (კერძოდ, ნახევარგამტარული ლაზერების) გამოსხივების მეშვეობით. ამ შემთხვევაში, მუშაობა შესაძლებელია მხოლოდ იმპულსური რეჟიმში, რადგან საჭიროა ძალიან მაღალი სატუმბი ენერგიის სიმკვრივე, რაც ხანგრძლივი ზემოქმედებით იწვევს სამუშაო ნივთიერების ღეროს ძლიერ გათბობას და განადგურებას. გაზის და თხევადი ლაზერები იყენებენ ელექტრო გამონადენის ტუმბოს. ასეთი ლაზერები მუშაობენ უწყვეტ რეჟიმში. სატუმბი ქიმიური ლაზერებიხდება მათ აქტიურ გარემოში ქიმიური რეაქციების წარმოქმნით. ამ შემთხვევაში, პოპულაციის ინვერსია ხდება ან უშუალოდ რეაქციის პროდუქტებში ან სპეციალურად შეყვანილ მინარევებს ენერგეტიკული დონის შესაბამისი სტრუქტურით. ნახევარგამტარული ლაზერების ამოტუმბვა ხდება ძლიერი წინა დენის გავლენის ქვეშ p-n შეერთების მეშვეობით, ისევე როგორც ელექტრონების სხივი. არსებობს სატუმბი სხვა მეთოდებიც (გაზ-დინამიკური, რაც გულისხმობს წინასწარ გახურებული აირების მკვეთრ გაგრილებას; ფოტოდისოციაცია, ქიმიური ამოტუმბვის განსაკუთრებული შემთხვევა და ა.შ.).

ფიგურაში: a - სამ დონის და b - ოთხდონიანი სატუმბი სქემები ლაზერული აქტიური გარემოსთვის.

სამუშაო საშუალების სატუმბი კლასიკური სამ დონის სისტემა გამოიყენება, მაგალითად, ლალის ლაზერში. რუბი არის კორუნდის კრისტალი Al 2 O 3, რომელიც დოპირებულია მცირე რაოდენობით ქრომის იონებით Cr 3+, რომლებიც ლაზერული გამოსხივების წყაროა. კორუნდუმის ბროლის ელექტრული ველის გავლენის გამო, ქრომის გარე ენერგეტიკული დონე ე 2 იყოფა (იხ. სტარკის ეფექტი). ეს არის ის, რაც შესაძლებელს ხდის არამონოქრომატული გამოსხივების გამოყენებას როგორც სატუმბი. ამ შემთხვევაში ატომი ძირითადი მდგომარეობიდან გადის ენერგიით ე 0 ენერგიით აღფრთოვანებული ე 2. ატომს შეუძლია დარჩეს ამ მდგომარეობაში შედარებით მოკლე დროში (დაახლოებით 10−8 წმ); დონეზე არარადიაციული გადასვლა თითქმის მაშინვე ხდება. ე 1, სადაც ატომი შეიძლება დარჩეს ბევრად უფრო დიდხანს (10 −3 წმ-მდე), ეს არის ეგრეთ წოდებული მეტასტაბილური დონე. ჩნდება ინდუცირებული გამოსხივების შესაძლებლობა სხვა შემთხვევითი ფოტონების გავლენის ქვეშ. როგორც კი მეტასტაბილურ მდგომარეობაში მეტი ატომია, ვიდრე ძირითად მდგომარეობაში, იწყება წარმოქმნის პროცესი.

უნდა აღინიშნოს, რომ ქრომის ატომების პოპულაციის ინვერსიის შესაქმნელად Cr პირდაპირ დონიდან ტუმბოს გამოყენებით ე 0 დონეზე ე 1 შეუძლებელია. ეს გამოწვეულია იმით, რომ თუ შეწოვა და სტიმულირებული ემისია ხდება ორ დონეს შორის, მაშინ ორივე პროცესი ხდება იმავე სიჩქარით. აქედან გამომდინარე, ამ შემთხვევაში, ტუმბოს შეუძლია მხოლოდ ორი დონის პოპულაციების გათანაბრება, რაც საკმარისი არ არის ლაზინგისთვის.

ზოგიერთი ლაზერი, მაგალითად, ნეოდიმის ლაზერები, რომლებშიც გამოსხივება წარმოიქმნება ნეოდიმის Nd 3+ იონების გამოყენებით, იყენებს ოთხ დონის სატუმბი სქემას. აქ შორის მეტასტაბილური ე 2 და ძირითადი დონე ე 0 არის საშუალო სამუშაო დონე ე 1 . სტიმულირებული ემისია ხდება მაშინ, როდესაც ატომი გადადის დონეებს შორის ე 2 და ე 1 . ამ სქემის უპირატესობა ის არის, რომ ამ შემთხვევაში ადვილია პოპულაციის ინვერსიის პირობების დაკმაყოფილება, ვინაიდან ზედა საოპერაციო დონის სიცოცხლის ხანგრძლივობაა ( ე 2) რამდენიმე რიგის სიდიდის უფრო გრძელი ვიდრე ქვედა დონის სიცოცხლე ( ე 1). ეს მნიშვნელოვნად ამცირებს მოთხოვნებს ტუმბოს წყაროზე. გარდა ამისა, ასეთი სქემა შესაძლებელს ხდის შექმნას მაღალი სიმძლავრის ლაზერები, რომლებიც მუშაობენ უწყვეტ რეჟიმში, რაც ძალიან მნიშვნელოვანია ზოგიერთი აპლიკაციისთვის. ამასთან, ასეთ ლაზერებს აქვთ მნიშვნელოვანი ნაკლი დაბალი კვანტური ეფექტურობის სახით, რაც განისაზღვრება, როგორც გამოსხივებული ფოტონის ენერგიის თანაფარდობა აბსორბირებული ტუმბოს ფოტონის ენერგიასთან (η quantum = hν გამოსხივება / hν ტუმბო).

დღეს ძნელია იპოვოთ ადამიანი, რომელსაც ეს სიტყვა არასოდეს გაუგია "ლაზერი"თუმცა, ძალიან ცოტას ესმის, რა არის ეს.

მათი გამოგონებიდან ნახევარი საუკუნის განმავლობაში, სხვადასხვა ტიპის ლაზერებმა იპოვეს გამოყენება ფართო სპექტრში, მედიცინადან ციფრულ ტექნოლოგიებამდე. რა არის ლაზერი, როგორია მისი მოქმედების პრინციპი და რისთვის არის ის?

რა არის ლაზერი?

ლაზერების არსებობის შესაძლებლობა იწინასწარმეტყველა ალბერტ აინშტაინმა, რომელმაც ჯერ კიდევ 1917 წელს გამოაქვეყნა ნაშრომი, სადაც საუბარი იყო ელექტრონების მიერ გარკვეული სიგრძის სინათლის კვანტების გამოსხივების შესაძლებლობაზე. ამ ფენომენს სტიმულირებულ ემისიას უწოდებდნენ, მაგრამ დიდი ხნის განმავლობაში ტექნიკური თვალსაზრისით არარეალიზებად ითვლებოდა.

თუმცა ტექნიკური და ტექნოლოგიური შესაძლებლობების განვითარებასთან ერთად ლაზერის შექმნა დროის საკითხი გახდა. 1954 წელს საბჭოთა მეცნიერებმა ნ.ბასოვმა და ა.პროხოროვმა მიიღეს ნობელის პრემია მასერის შექმნისთვის - პირველი მიკროტალღური გენერატორი, რომელიც მუშაობს ამიაკზე. ხოლო 1960 წელს ამერიკელმა T. Maiman-მა შექმნა ოპტიკური სხივების პირველი კვანტური გენერატორი, რომელსაც მან უწოდა ლაზერი (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). მოწყობილობა ენერგიას გარდაქმნის ვიწრო მიმართულების ოპტიკურ გამოსხივებად, ე.ი. სინათლის სხივი, მაღალი კონცენტრაციის სინათლის კვანტების (ფოტონების) ნაკადი.

ლაზერის მუშაობის პრინციპი

ფენომენს, რომელსაც ეფუძნება ლაზერის მოქმედება, ეწოდება გარემოს იძულებითი, ან ინდუცირებული გამოსხივება. გარკვეული ნივთიერების ატომებს შეუძლიათ ასხივონ ფოტონები სხვა ფოტონების გავლენით, ხოლო მოქმედი ფოტონის ენერგია ტოლი უნდა იყოს ატომის ენერგიის დონეებს შორის განსხვავებას გამოსხივებამდე და მის შემდეგ.

გამოსხივებული ფოტონი თანმიმდევრულია იმ გამოსხივების გამომწვევთან, ე.ი. ზუსტად ისევე როგორც პირველი ფოტონი. შედეგად, საშუალო სინათლის სუსტი ნაკადი ძლიერდება და არა ქაოტურად, არამედ ერთი მოცემული მიმართულებით. იქმნება სტიმულირებული გამოსხივების სხივი, რომელსაც ლაზერი ეწოდება.

ლაზერული კლასიფიკაცია

ლაზერების ბუნებისა და თვისებების შესწავლისას აღმოაჩინეს ამ სხივების სხვადასხვა სახეობა. საწყისი ნივთიერების მდგომარეობიდან გამომდინარე, ლაზერები შეიძლება იყოს:

• გაზი;
• თხევადი;
• მყარი მდგომარეობა;
• თავისუფალ ელექტრონებზე.

ამჟამად შემუშავებულია რამდენიმე მეთოდი ლაზერის სხივის წარმოებისთვის:

• ელექტრული სიკაშკაშის ან რკალის გამონადენის გამოყენება აირისებრ გარემოში - აირის გამონადენი;
• ცხელი გაზის გაფართოების გამოყენება და პოპულაციის ინვერსიების შექმნა - გაზის დინამიური;
• ნახევარგამტარში დენის გავლის გზით საშუალო - დიოდის ან ინექციის აგზნებით;
• საშუალების ოპტიკური ამოტუმბვით ფლეშ ნათურა, LED, სხვა ლაზერი და ა.შ.
• საშუალების ელექტრონული სხივის ამოტუმბვით;
• ბირთვული ტუმბო, როდესაც რადიაცია მოდის ბირთვული რეაქტორიდან;
• სპეციალური ქიმიური რეაქციების - ქიმიური ლაზერების გამოყენებით.

ყველა მათგანს აქვს საკუთარი მახასიათებლები და განსხვავებები, რის წყალობითაც ისინი გამოიყენება ინდუსტრიის სხვადასხვა დარგში.

ლაზერების პრაქტიკული გამოყენება

დღეს სხვადასხვა ტიპის ლაზერები გამოიყენება ათობით ინდუსტრიაში, მედიცინაში, IT ტექნოლოგიებში და საქმიანობის სხვა სფეროებში. მათი დახმარებით ხორციელდება შემდეგი:

• ლითონების, პლასტმასის და სხვა მასალების ჭრა და შედუღება;
• გამოსახულების, წარწერების გამოყენება და პროდუქციის ზედაპირის მარკირება;
• ულტრა თხელი ხვრელების ბურღვა, ნახევარგამტარული ბროლის ნაწილების ზუსტი დამუშავება;
• პროდუქტის საფარების ფორმირება შესხურებით, ზედაპირის მოპირკეთებით, ზედაპირული შენადნობით და ა.შ.
• საინფორმაციო პაკეტების გადაცემა ბოჭკოვანი მინის გამოყენებით;
• ქირურგიული ოპერაციების და სხვა თერაპიული ჩარევების ჩატარება;
• კოსმეტიკური პროცედურები კანის გაახალგაზრდავებისთვის, დეფექტური წარმონაქმნების მოცილებისთვის და ა.შ.
• მიზნად ისახავს სხვადასხვა ტიპის იარაღს, მცირე იარაღიდან დაწყებული რაკეტებით დამთავრებული;
• ჰოლოგრაფიული მეთოდების შექმნა და გამოყენება;
• გამოყენება სხვადასხვა კვლევით სამუშაოებში;
• მანძილების გაზომვა, კოორდინატები, სამუშაო მედიის სიმკვრივე, დინების სიჩქარე და მრავალი სხვა პარამეტრი;
• ქიმიური რეაქციების დაწყება სხვადასხვა ტექნოლოგიური პროცესის განსახორციელებლად.

კიდევ ბევრი სფეროა, სადაც ლაზერები უკვე გამოიყენება ან იპოვის გამოყენებას უახლოეს მომავალში.