Lazer tarixi. Optik kvant generatorlari noyob yorug'lik manbalari. Lazerlarning ishlash printsipi

I. Asosiy qism
1. Lazerning tarixi
Shunday qilib, lazer atamasi o'zi stimulyatsiya qilingan emissiya jarayonlarining generatorlari va kogerent nur kuchaytirgichlarida o'ynaydigan 
asosiy rolini aks ettiradi. Shuning uchun lazerni yaratish tarixi 1917 yilda, Albert Eynshteyn stimulyatsiya qilingan emissiya g'oyasini birinchi marta kiritganidan boshlanishi kerak . Bu lazerga birinchi qadam edi . Keyingi qadam Sovet fizigi V.A. 1939 yilda ishlab chiqaruvchi elektromagnit nurlanishni bir moddadan o'tishi natijasida uni kuchaytirish uchun stimulyatsiya qilingan emissiyadan foydalanish imkoniyatini ko'rsatdi . V.A. tomonidan bildirilgan fikr. Ishlab chiqaruvchi, teskari populyatsion darajadagi mikrosistemalardan foydalanishni taklif qildi . 

Keyinchalik, Ikkinchi Jahon urushi tugaganidan so'ng, V.A. Ishlab chiqaruvchi ushbu g'oyaga qaytdi va 1951 yilda (M.M. Vudynskiy va F. A. Butaeva bilan birgalikda) stimulyatsiya qilingan emissiya yordamida radiatsiyani kuchaytirish usulini ixtiro qilish uchun buyurtma yubordi . Ushbu dastur sertifikat berildi yilda bu erda, sarlavhasi ostida " izlanish " o'qiydi: " elektromagnit sonini ko'paytirish uchun A usuli nurlanishi (ultrabinafsha, ko'rinadigan, infraqizil va radio amplifike radiatsiya o'rta orqali uzatiladi bo'lib, to'lqin), yordamchi radiatsiya yordamida bo'lib, yoki boshqa yo'l bilan, ular muvozanatga nisbatan hayajonlangan holatlarga mos keladigan yuqori energiya sathida atomlarning, boshqa zarralarning yoki ularning tizimlarining ortiqcha kontsentratsiyasini hosil qiladi » .
Dastlab, kuchaytiruvchi nurlanish usuli radioeshittirish zonasida, aniqrog'i mikroto'lqinlar diapazonida (mikroto'lqinlar diapazoni) amalga oshirila boshlandi. 1952 yil may oyida radio spektroskopiya bo'yicha Butunittifoq konferentsiyasida sovet fiziklari (hozirgi akademiklar) N.G. Basov va A.M. Proxorov mikroto'lqinlar diapazonida radiatsiya kuchaytirgichini yaratishning fundamental imkoniyatlari to'g'risida ma'ruza qildi . Ular buni " molekulyar generator " deb atashdi (ammiak molekulalarining nurlaridan foydalanish kerak edi). Deyarli bir vaqtning o'zida, AQShning Kolumbiya universitetida amerikalik fizik C. Tauns tomonidan millimetr to'lqinlarini kuchaytirish va hosil qilish uchun stimulyatsiya qilingan emissiyadan foydalanish to'g'risidagi taklif paydo bo'ldi . 1954 yilda tez orada maser deb nomlangan molekulyar generator haqiqatga aylandi. Maser yaratilganidan o'n yil o'tgach, 1964 yilda Nobel mukofotiga bag'ishlangan marosimda akademik A.M. Proxorov shunday dedi: " Radio diapazonida maserlar yaratilgandan so'ng, yaqin orada optik diapazonda kvant generatorlari paydo bo'ladi . Biroq, bu sodir bo'lmadi. Ular faqat 5-6 yildan keyin yaratilgan . Buning sababi nimada? Ikkita qiyinchilik bor edi. Birinchi qiyinchilik shundan iboratki, keyin optik to'lqin uzunligi diapazoni uchun rezonatorlar , ikkinchisiga esa - optik diapazonda teskari populyatsiyani olish usullari taklif qilinmadi . ” Aytilgan A.M. Olti yil davomida Proxorov haqiqatan ham maserdan lazerga o'tishga imkon beradigan tadqiqotlar bilan to'ldi . 1955 yilda N.G. Basov va A.M. Proxorov teskari darajadagi populyatsiyani yaratish uchun nasosning optik usulidan foydalanishni asosladi. 1957 yilda N.G. Basov kvant generatorlarini yaratish uchun yarimo'tkazgichlardan foydalanish g'oyasini ilgari surdi ; ammo , u namunaning o'zi bilan ishlangan sirtlarni rezonator sifatida ishlatishni taklif qildi . Xuddi shu 1957 yilda V.A. Ishlab chiqaruvchi va F.A. Butaev simob bug'i va oz miqdordagi vodorod va geliy aralashmasida elektr zaryadsizlanishi tajribalarida optik kvant amplifikatsiyasining ta'sirini kuzatdi . 1958 yilda A.M. Proxorov va mustaqil ravishda, amerikalik fiziklar A. Shavlov va C. Taunz stimulyatsiya qilingan emissiya fenomenini optik diapazonda qo'llash imkoniyatini nazariy jihatdan asosladilar ; ular (shuningdek, amerikalik D.Dik kabi) ochiq rezonatorlarni optik diapazonda ishlatish g'oyasini ilgari surdilar, mikroto'lqinli pallada bo'lgani kabi, hajmli emas. Shuni yodda tutingki, strukturaviy ochiq rezonator tovush rezonatoridan farq qiladi, chunki yon o'tkazuvchan devorlar chiqariladi ( bo'shliq o'qini kosmosda o'rnatadigan so'nggi reflektorlar saqlanib qoladi ) va rezonatorning chiziqli o'lchamlari radiatsiya to'lqin uzunligiga nisbatan katta bo'lishi uchun tanlanadi . 1959 yilda N.G. Basova, B.M. Vula, Yu.M. Popov yarimo'tkazgichli kvant generatorlari g'oyasining nazariy asoslanishi va ularni yaratish shartlarini tahlil qilgan holda  . Va nihoyat, 1960 yilda N.G. Basova, O.N. Kroxina, Yu.M. Popov, bunda infraqizil va ko'rinadigan diapazonda kvant generatorlari va kuchaytirgichlarining yaratilishi va nazariyasi har tomonlama ko'rib chiqilgan . Maqolaning oxirida mualliflar shunday yozdilar: " fundamental cheklovlarning yo'qligi yaqin kelajakda to'lqin uzunligi infraqizil va optik diapazonida generatorlar va kuchaytirgichlar yaratilishiga umid qilishimizga imkon beradi ".
Shunday qilib, SSSR va AQShda o'tkazilgan intensiv nazariy va eksperimental tadqiqotlar olimlarni 50-yillarning oxirigacha lazer yaratishga undadi . Muvaffaqiyat amerikalik fizik T. Meymanga nasib etdi. 1960 yilda ikkita ilmiy jurnallarda uning yoqutdagi optik diapazonda nurlanishni qo'lga kiritganligi haqida xabar paydo bo'ldi . Shunday qilib, dunyo birinchi " optik maser " - yoqut lazerining tug'ilishi haqida bilib oldi . Birinchi lazer namunasi juda kamtarona ko'rinishga ega edi: kichik bir yoqut kub (1x1x1 sm), uning ikki qarama-qarshi tomonida kumush qoplamasi bo'lgan (bu yuzlar rezonator nometall sifatida ishlangan), vaqti-vaqti bilan yoqut kubini ilon bilan qoplagan yuqori quvvatli chiroqdan yashil yorug'lik nurlantirilgan . Qizil yorug'lik pulslari shaklida hosil bo'lgan nurlanish kubning kumushrang yuzlaridan biridagi kichik teshik orqali chiqarildi . Xuddi shu 1960 yilda amerikalik fiziklar A. Yavan, V. Bennett, D. Erriot geliy va neon aralashmasida elektr tokida optik nurlanish hosil qilishga erishdilar . Shunday qilib, birinchi gaz lazeri paydo bo'ldi , uning ko'rinishi aslida V.A tomonidan tayyorlangan. Ishlab chiqaruvchi va F.A. Butaeva 1957 yilda 1961 yildan beri ishlab chiqarilgan bo'lib, har xil lazer turlari (qattiq holati va gaz) optik laboratoriyalarda mustahkam o'rin egallaydi.
Yangi faol ommaviy axborot vositalari o'zlashtirilmoqda, lazer ishlab chiqarish texnologiyasi rivojlantirilmoqda va takomillashmoqda . 1962-1963 yillarda. birinchi yarimo'tkazgich lazerlar bir vaqtning o'zida SSSR va AQShda yaratilmoqda. Shunday qilib , optikaning yangi, " lazer " davri boshlandi.

2. Optik kvant generatorlari - noyob yorug'lik manbalari. Lazerlarning ishlash printsipi. Lazer nurining asosiy xususiyatlari. Lazer nurlanishining monoxromatikligi. Uning kuchi.

Yigirmanchi asrning ikkinchi yarmidagi fizikaning ajoyib yutuqlaridan biri bu ajoyib qurilmani - optik kvant generatorini yoki lazerni yaratishda asos bo'lgan fizik hodisalarni kashf etish edi. Ushbu kashfiyotlar optik fizika sohasida katta yutuqlarga erishdi.
Lazerlar 1917 yilda Eynshteyn tomonidan bashorat qilingan induktsiyalangan nurlanish fenomeniga asoslangan edi.Eynshteynning fikriga ko'ra, oddiy nurlanish va rezonansni singdirish jarayonlari bilan bir qatorda uchinchi jarayon - qo'zg'atilgan (induktsiya qilingan) nurlanish mavjud. Rezonansli chastota nuri, ya'ni atomlar yutish qobiliyatiga ega bo'lgan energiya darajasi deb ataladigan chastota shu darajadagi atomlarning nurlanishiga olib kelishi kerak.
Bu nurlanishning o'ziga xos xususiyati shundaki, chiqarilgan yorug'lik haydash chiroqidan ajralib chiqmaydi, ya'ni u chastota, faza, polarizatsiya va tarqalish yo'nalishi bo'yicha ikkinchisiga to'g'ri keladi. Bu shuni anglatadiki, qo'zg'atilgan emissiya yorug'lik nuriga aynan bir xil miqdordagi yorug'lik qo'shadi, bu esa rezonansning singishi uni olib tashlaydi.
Atmosferaning atomlari energiya miqdori past bo'lganda yorug'likni qabul qilishlari mumkin , ammo ular yuqori darajalarda chiqaradilar. Bundan kelib chiqadiki, quyi darajadagi atomlarning ko'pligi (kamida yuqori darajadagi atomlar sonidan ko'p bo'lishi) bilan muhitdan o'tgan yorug'lik susayadi. Aksincha, agar yuqori darajadagi atomlarning soni o'rganilmaganlarning sonidan ko'p bo'lsa, unda ushbu vositadan o'tgan yorug'lik kuchayadi . Bu shuni anglatadiki, ushbu muhitda induktsiyalangan nurlanish ustunlik qiladi.
Ta'riflangan hodisaga asoslangan kvant kuchaytirgichlari va yorug'lik generatorlari 1-rasmda ko'rsatilgan sxema bo'yicha ishlaydi. 1 va 2 nometalllar orasidagi bo'shliq faol muhit bilan to'ldiriladi, ya'ni qo'zg'almagan narsalarga qaraganda ko'proq hayajonlangan atomlarni (energiya darajasi yuqori bo'lgan atomlarni) o'z ichiga olgan vosita. O'rta induktsiya qilingan nurlanish tufayli u orqali o'tadigan yorug'likni kuchaytiradi, uning boshlanishi atomlardan birining o'z-o'zidan tarqalishi bilan ta'minlanadi. Yorug'likning sezilarli kuchayishiga burchak juda kichik bo'lganda erishiladi . Keyin yorug'lik aks ettirishni boshdan kechiradi va barcha nurlar bir-birini kuchaytirib, bir-birini to'ldiradi. Shaklda 1, bu o'qning asta-sekin qalinlashishiga mos keladi.




1



2

1