Физика | ЛАЗЕР ЖӘНЕ ОНЫҢ ҚОЛДАНЫЛУЫ

Лазер — атомдар мен молекулалардың еріксіз сәуле шығаруына негізделген электромагниттік сәуле. Ол ағылшынның «Жарықты еріксіз сәуле шығару арқылы күшейту» деген сөздерінің басқы әріптерінен құралған. Лазерді оптикалық кванттық генератор (ОКГ), десе де болады.
Орта мектептің физика курсынан атомдағы электрондардың әр түрлі деңгейде қозғалып жүретіні белгілі. Электр бір деңгейден екінші деңгейге өткенде жарық толқынын шығарады.
Атомдағы электрон төменгі және жоғарғы деңгейде орналаса алады екен делік. Егер электрон төменгі денгенде орналасқан болса, онда оны жоғары деңгейге өткізу үшін оған жарық толқынымен әсер етеміз. Электрон осы жарық энергиясының бір бөлігін жұтады да, жоғары деңгейге өтеді. Ал электрон жоғарғы деңгейде орналасқан болса, онда оған әсер еткен жарық нәтижесінде электрон төменгі деңгейге өтеді де, өзінен фотон бөліп шығарады. Ал жоғарғы деңгейге бір емес, бірнеше электрон орналасқан болса, онда олар жарық әсерінен төменгі деңгейге өткенде өздерінен бірден фотондар бөліп шығарады. Бұл процесті еріксіз шығару деп атайды. Міне осы процесс лазердің негізі болып саналады. Ал жоғаргы деңгейде орналасқан электрондар жарық әсер етпей-ақ төменгі деңгейге өте алады. Бұл кездегі бөлінген фотондар әр түрлі электрондар үшін түрліше болады. Мұны өз бетінше, спонтанды шығару деп атайды. Лазерді құру кезінде бұл процесс зиянды болып саналады. Сонымен, төменгі деңгейдегі электрондар өзіне түскен жарықтың бір бөлігін жұтып, жоғары деңгейге көтерілсе, жоғары деңгейдегі электрондар өзіне түскен жарық энергиясының бір бөлігін фотон ретінде бөліп шығарып, төменгі деңгейге түседі. Ал төменгі деңгейдегі электрондар саны жоғары деңгейдегі электрондар санына қарағанда көбірек болғандықтан жалпы алғанда жарық жұтылуы көбірек байқалады. Ал атомдардан пайдалы жарық энергиясын бөліп алу үшін жоғары деңгейдегі электрондар саны төменгі деңгейдегі электрондар санынан көбірек болғаны жөн. Ол үшін белсенді (активті) орта керек. Активті ортаның энергиясының арқасында электрондардың төменгі деңгейден жоғары деңгейге шығарып жібере алады. Міне осы айтылған жайттарды молекула ішінде орналасқан атомдарға да таратуға болады. Айталық, активті ортада қозған атомдардың біреуі шығарған сәуле сол ортадан шықпас бұрын басқа қозған атомдардың еріксіз ауысуына себепші болады. Сөйтіп, мұның салдарынан жарық толқыны күшейеді. Активті ортаны алудың әр түрлі әдістері бар. Ол заттың қатты, сұйық немесе газ күйінде болуына да байланысты. Егер, электрон немесе атом тек екі деңгейде ғана орналаса алатын болса, онда активті орта шығарып алу мүмкін болмайды. Активті орта алу үшін электрон немесе атом кем дегенде үш деңгейде орналаса алатындай болуы керек. Үш деңгей алайық. Деңгей жоғарылаған сайын ондағы электрон немесе атом саны азая түседі. Айталық бірінші деңгейде алты электрон, екінші деңгейде төрт электрон, үшінші деңгейде екі электрон бар екен делік. Толқын ұзындығы бірінші және үшінші деңгейлердің энергияларының айырымына сәйкес келетіндей жарықпен әсер еткенде электрондар бірінші деңгейден үшінші деңгейге өте бастайды. Бірінші және үшінші деңгейлерде төрт-төрттен электрондар орналасады. Содан соң үшінші деңгейде орналасқан төрт электрон екінші деңгейге өтеді. Осы кезде олар бірдей фотондар шығарады. Сөйтіп екінші деңгейде сегіз, бірінші деңгейде төрт электрон болады.
Сонымен, біз үшінші деңгейдің көмегімен бірінші деңгейдегі электрондардың біразын екінші деңгейге орналастырып, активті орта алдық. Екі деңгейдің көмегімен біз мұны іске асыра алмаған болар едік. Еңді екінші деңгейде орналасқан электрондарды синхроиды түрде бірінші деңгейге өткізсек, онда ол электрондар бірдей фотондар бөліп шығарады, осыдан электромагниттік толқындар пайда болады. Екі деңгейдің энергияларының айырымына сәйкес келетін жарық толқынымен жоғарғы, екінші деңгейге әсер етсек, онда электрондар жапырлай төменгі, бірінші деңгейге өтеді. Пайда болған электромагниттік тасқын активті орта арқылы өтіп, күшейіп шығады.
Біз жарық күшейткішін аламыз. Жарық генераторын немесе лазерді жасау үшін жоғарғы аталған жарық күшейткішін кері байланыспен қамтамасыз ету керек. Кері байланыс жарық тасқынын активті ортада бірнеше рет әрі-бері жүгіріп өткізеді. Сөйтіп, барлық электрондарды төменгі деңгейге жинайды да, активті ортаның энергиясын түгел сығып алады. Лазердегі кері байланыс таңдап алынған резонаторлар, сондай-ақ айналар көмегімен жүзеге асады. Сонымен, лазер немесе кез-келген квант генераторы негізгі екі элементтен тұрады. Оның бірі — активті күйге түскен жұмысшы заты, екіншісі — резонатор. Активті орта электромагниттік толқындарды бөліп берсе, резонатор оны күшейтіп шығарады. Активті заттарды қолдануына байланысты лазерлерді қатты денелік, жартылай өткізгіштік, газдық және сұйықтық болып бөлінсе, жұмыс істеуіне қарап үздіксіз және импульстық делінеді.
Катты денелік лазерлердің кең тараған түрі — рубинді лазер, неодим, шынылы лазер. Рубинді лазер толқын ұзындығы 6,2 нм ашық қызыл жарық сәулесін шығарып бере алады. Рубин кристалы лазердің жұмысшы элементі болып саналады. Ол қолдан, жасанды түрде өсіріледі. Құрамы жөнінен рубин алюминий тотығының хроммен қосылысы болып есептеледі. Құрылысы жөнінен бұл кристалл оттегі және алюминий атомдарынан тұратын ара ұясын еске түсіреді. Тек кейбір ұяда хром атомы орналасады. Алюминий тотығына енген хром атомдары берік орналасу үшін өзінің үш электронын оттегінің атомдарына береді де, өзі зарядталған хром ионына айналады. Міне осы хром ионы жарық толқындарының көзі болып саналады. Хром иондары үш деңгейден тұрады. Оның жұмыс істеу принципі жоғарыда айтып кеткен мысалдағыдай, иондардың бірінші деңгейден үшінші дедгейге өтуі активті ортаның пайда болуын қамтамасыз етсе, екінші деңгенден бірінші деңгейге өткенде қызыл жарық пайда болады.
Өте жылтыратып өңделген рубин кристалы спираль түрінде жасалған жарқылдауық импульстер Шамының ішіне орналасады. Жарқылдауық шамға өте жоғары кернеу, мыңдаған вольтке дейін беріледі. Жарқылдауық импульстер, шамнан шыққан жарық өз құрамы жағынан күннен тараған жарыққа ұқсас келеді. Рубин кристалының екі басына өте жоғары сапалы екі айна орналасады. Бұл екі айнаның жазықтықтары біріне-бірі параллель, ал кристалл осіне перпенднкуляр болып келеді. Бұл екі айна резонатор қызметін атқарады. Бұл екі айна иондардың екінші деңгейден бірінші деңгейге ауысуын қамтамасыз етеді. Батареяны іске қосқаннан кейін жарқылдауық шам іске қосылады да, одан шыққан жарық рубин кристалына жан-жағынан түседі. Айтып кеткеніміздей, өз құрамы жағынан бұл жарық күннен шығатын жарыққа ұқсас болғандықтан оның құрамындағы көк-жасыл сәулені рубин кристалында хром иондары жұтып алады. Сөйтіп бұл иондар үшінші деңгейге, содан соң ол өзінен иондар бөліп шығарып екінші деңгейге жинала бастайды. Енді екінші деңгейде тұрған хром ионынын біреуі өзінен қызыл жарық шығарып, бірікші деңгейге өтсін делік. Міне, қызыл жарықтың осы фотоны (порциясы) кристалл арқылы айнадан шағылыса жүріп отырып өз жолындағы хром иондарының екінші деңгейден бірінші деңгейге түгел өтуіне көмектеседі. Екінші деңгейден бірінші деңгейге өткен әрбір хром ионы өзінен бір-бір порция қызыл жарық бөліп шығарып отырады. Сөйтіп өте күшті жарық импульсі пайда болады. Бұл процесс өте тез жүреді. Секундтың он мыңнан бір бөлігіндей уақыт ішінде активті ортаның бүкіл энергиясы бөлінеді. Егер екі айнаның біреуін мөлдір етіп жасаса, онда одан өте ашық қызыл жарық ағыны шығар еді. Жарқылдауық шам жарықты импульсті түрде беріп тұрса лазер импульсті түрде жұмыс істейді. Ал жарқылдауық шам жарықты рубин кристалына үздіксіз беріп тұрса, онда лазерден шығып жатқан қызыл жарық үздіксіз болып келеді.
Рубин кристалының бір кемшілігі бар. Оның лазер ретінде жұмыс істеуі үшін оған алғашқы кезде өте күшті жарық беру керек. Бұл кемшілікті жөндеу үшін европий, самарий немесе неодим тәрізді элементтерді қолданса жеткілікті. Бұл элементтер кристалдағы хромды ауыстырады. Басқаша айтқанда, хромның орнына неодимді алады. Сонда кристалдын лазер ретінде жұмыс істеуі тездейді. Сонымен қатар неодимді кристалға ғана ендіріп қоймайды, оны шыныға да енгізуге болады. Сонда шыны лазер ретінде қызмет атқарады.
Енді газды лазерге тоқталайық. Газ оптикалық қасиеті жөнінен біртекті "орта болып есептеледі. Сондықтан ол лазердің активті ортасы ретінде жиі қолданылады. Газды лазер кварц түтікшесінен тұрады. Ол түтікшенің ішінде гелий мен неон қоспасы болады. Түтікшенің ұштарында екі айна орналасады. Түтікшенің ұзындығы бір метр, ал диаметрі бірнеше миллиметр болады. Түтікшеден разряд екі әдіспен қоздырылады, оның біреуін контактылы, екіншісін контактысыз деп атайды. Контактылы әдісте түтікшенің ішінде, екі басында анод пен катод орналасады. Түзеткішпен осы екеуінің арасына 1000—2000 В кернеу беріледі. Сөйтіп электр заряды пайда болады. Контактысыз әдісті жиіліктегі генератор пайдаланылады. Бұл екі әдісте де газда пайда болған разряд ұзақ сақталуы мүмкін. Ол генератор мен түзеткіштің жұмысына байланысты болады. Олай болса газдағы активті орта ұзақ уақыт сақталады. Демек, газды лазер үздіксіз, ал кристалл мен шыныдағы лазер импульсті түрде жұмыс атқарады екен. Соңғы кездері жартылай өткізгіштегі лазерлер қолданылып жүр. Жартылай өткізгіштегі лазерлер өте кішкентай (миллиметрдің бірнеше үлесіндей) жасалынады. Жартылай өткізгішті лазердің мөлшері 1 X 2 X 2 мм. Жартылай өткізгііпті лазердегі айна ролін мұқият жонылған жартылай өткізгіштің қырлары атқарады. Бұл қырдаң (айнадан) оған түскен жарықтың 30—50 проценті ғана шағылысады екен. Бұлардан басқа кристалдағы, шыныдағы, газды, жартылай өткізгішті лазер, арнаулы сұйықтағы лазер дегендер де болады. Олардың да жұмыс істеу принципі жоғарыда айтып өткендей. ....