Modul №1 optika fanining rivojlanish tarixi

Mavzu bo’yicha savollar.
1. Yorug’likning kritik nuqtadan uzoqda molekulyar sochilishining miqdoriy nazariyasini tushuntiring.
2. Eynshteyn formulasi nimani ifodalaydi?
3. Osmonning zangori bo’lishi va botishda Quyoshning qizil bo’lib ko’rinishi sababi nima?
4. Konsentratsiya fluktuatsiyalari tufayli sochilgan yorug’likning intensivligi qanday ifodalanadi?
5. Mandelshtam-Brillyuen komponentalari nima?
6. Yorug’likning suyuqlikda sochilishning qanday xarakterga ega?
7. Molekulyar sochilgan yorug’lik intensivligi nimaga bog’liq?
8. Sochilishda yorug’likning qutblanishini tushuntiring.
9. Qutbsizlanish o’lchovi sifatida odatda qanday miqdor olinadi?
10. Temperatura ortishi bilan "binafsha" yo’ldoshlarning intensivligi qanday o’zgaradi?
11. Yorug’likning kombinatsion sochilishi deb nimaga aytiladi?
25-MAVZU: YORUG’LIK TO’LQINI UCHUN DOPPLER EFFEKTI. SPONTAN VA INDUKSIYALANGAN NUR SOCHISH. OPTIK KVANT GENERATORLAR-LAZERLAR. GOLOGRAFIYA VA UNING AMALDA QO’LLANILISHI.


Reja:
1. Lazer fizikasi asoslari.
2. Lazerlarning tuzilishi va turlari.
3. Lazerlarning qo’llanishi.
4. Golografiyaning fizikaviy asoslari.
5. Yupqa qatlamli gologrammalarni yozish.
6. Gologrammalardagi tasvirni tayanch nurlari yordamida qayta tiklash.
7. Qalin qatlamli gologrammalar.

Atomlarda elektronlar ma’lum bir kvant shartlarini qoniqtiruvchi energetik holatlardagina bo’lishi mumkin. Bu energetik sathlar orasidagi o’tishlardagi nurlanish chastotasi:

(25.1)
Atom tizimi bir energetik holatdan boshqasiga spontan (o’z-o’zidan) yoki majburiy o’tishi mumkin.
Spontan nurlanish ehtimolligi:
(25.2)
bu yerda N_i - i-energetik sathdagi birlik hajmga mos keluvchi atomlar soni, A - spontan nurlanish ehtimolligini xarakterlovchi Eynshteyn koeffitsiyenti.
Majburiy nurlanish ehtimolligi o’tish tezligi bilan quyidagi munosabat orqali bog’langan:
(25.3)
bu yerda W_ik- i va k- sathlar orasidagi majburiy o’tish ehtimolligini ifodalaydi. ehtimolliklarning o’lchov birligi qilib s^-1 kattalik qabul qilingan.
M ajburiy nurlanish ehtimolligi elektromagnit nurlanishining energiya zichligi bilan quyidagi munosabat orqali bog’langan bo’ladi:
(25.4)
bu yerda B_ik- majburiy nurlanish uchun Eynshteyn koeffitsiyenti. U spontan nurlanish ehtimolligi A -orqali quyidagicha ifodalanadi:
(25.5)
Shaffof dz - qatlamdan o’tayotgan yorug’lik oqimining o’zgarishi:
(25.6)
bu yerda - o’tishning ko’ndalang kesim yuzasi deb ataluvchi kattalik. i va k- energetik sathlar bo’yicha atomlarning joylashishi termodinamik muvozanat qaror
topgan holda Bolsman taqsimoti ga asosan aniqlanadi:
(25.7)
Agar biror usul bilan yuqori energetik holatdagi atomlar sonini pastgi holatdagiga nisbatan ko’p bo’lishiga erishilsa (bunday holatga o’ta band joylashish yoki inversion joylashish deb aytiladi), (6) - ifodaga asosan dF = 0 bo’ladi. Ya’ni, bunday tizimdan yorug’lik nurlari o’tgan vaqtda u yutilmasdan, balki kuchayadi. Yorug’likning majburiy nurlanish yordamida kuchaytiruvchi (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) asboblarga lazerlar deyiladi.
Bu nazariyani birinchi bo’lib 1940 y.da V.A.Fabrikant o’rtaga tashladi. 1953 y.da Basov, Proxorov va ulardan bexabar Tauns, Veberlar santimetrli to’lqinlar diapazonida ishlovchi asbob mazerni yaratish nazariyasini ishlab chiqdilar. 1960 y. da Meyman lazerni yaratdi.
Barcha lazerlar asosan quyidagi qismlardan tashqil topgan bo’ladi:
1. Ishchi modda.
2. Yoritgich (damlash manbai).
3. Rezonatorlar.
4. Sovitgich.
Agar rezonatordagi energiya yo’holishi faqat ko’zgularning qaytarishi oqibatida yuzaga kelsa, generastiya bo’sag’asiga quyidagi shart bajarilganda erishiladi:
(25.8)
bunda R₁ va R₂ -ko’zgularning qaytarish koeffitsiyentlari.
Lazer nurlarining bir qator ajoyib xususiyatlari mavjud. Bular:
1. Nurlarning vaqt va fazoda kogerentligi.
2. Qat’iy monoxromatligi ( ).
3. Katta quvvatga egaligi.
4. Ingichka nurlar dastasini hosil qilishi.
Lazerlar undagi ishchi moddaga qarab quyidagi turlarga bo’linadi:
1. Qattiq jismli lazerlar.
2. Gaz lazerlari.
3. Kimyoviy lazerlar.
4. Yarim o’tkazgichli lazerlar.
XX asrda fizika sohasidagi eng buyuk ixtirolar safiga, shubxasiz, lazerlarni kiritish mumkin, Lazerlar 1960 yilda yaratilgan bo’lishiga qaramasdan, shu davrdayoq lazer texnikasining jadal rivojlanishi kuzatildi. Aniq ilmiy va texnik masalalarni hal qilish uchun turli xil lazer qurilmalari yaratildi. Hozirgi davrda ijtimoiy hayotimizning istagan sohasini lazerlarsiz tasavvur qilish ham qiyin bo’lib qoldi. Lazerlar kosmosda, tibbiyotda, harbiy va qishloq xo’jaligi texnikalarida, er osti qazilma boyliklarini aniqlash va olishda, geodeziyada, bosmaxonalarda va yana juda ko’p elektron-optik qurilmalarda salmoqli vazifalarni bajarib kelmoqda.
Kundalik hayotimizga lazer tushunchasi shunchalik chuqur kirib ketganki, hatto maishiy xizmat sohasining barcha tarmoqlarida lazerlarning o’z o’rni mavjud bo’lib, maktab o’quvchilaridan tortib keksalargacha bu so’zni deyarli har kuni eshitishadi yoki ishlatishadi.
Xo’sh, shunchalik yuqori imkoniyatlarga ega bo’lgan lazerlarning o’zi nima, ular qanday hosil qilinadi, lazer nurlarining oddiy nurlardan farqi nimada, bu nurlarning shunchalik ajoyib fazilatlarga ega bo’lishiga sabab nima degan savollar albatta ko’pchilikni qiziqtiradi. Bu savollarga javob berish uchun lazerlarning yaratilish tarixiga bir nazar solamiz.
Lazerlar yaratilish evolyustiyasi quyidagi davrlarga bo’linadi:
-M.Plank tomonidan 1900 yilda yorug’likning kvant nazariyasi asoslanishi,
-A.Eynshteyn tomonidan 1903 yilda yorug’lik zarrachalari - fotonlar, 1916 yilda esa yorug’likning spontan (o’z-o’zidan) va majburiy nurlanish tushunchasining kiritilishi,
-Dirak tomonidan 1919 yilda majburiy nurlanish vaqtida chiqarilgan nurlanishning barcha fizikaviy xususiyatlari stimullovchi foton bilan bir xil bo’lishi to’g’risidagi ilmiy ishlari;
-V.Fabrikant 1939 yilda majburiy nurlanish yordamida yorug’lik biror muhitdan o’tgan vaqtda yutilmasdan balki kuchaytirilishi mumkinligini, bunga atomlarning energetik sathlar bo’yicha joylashishida yuqori sathlarda bo’lgan atomlar sonini pastki energetik holatlardagi atomlar sonidan oshirish orqali erishish mumkin ekanligini o’zining doktorlik dissertatsiyasida ko’rsatib berdi. Atomlarning energetik sathlar bo’yicha bunday joylashishiga "manfiy mutloq temperaturali" holat yoki inversion (o’ta band) joylashish deyiladi.
Haqiqatdan ham bunday tizimlardan elektromagnit to’lqinlari o’tgan vaqtda ularni kuchaytirish mumkin ekanligini 1952 yil may oyida Radiospektroskopiya bo’yicha xalqaro ilmiy konferensiyada N.G.Basov va A.M.Proxorovlar e’lon qilishdi. Ular o’ta yuqori chastotali tebranishlarni kuchaytiruvchi generatorlarni yuratish imkoniyatlarini ochib berdilar. Bu qurilma molekulyar generatorlar deb ataldi. Chunki ularda aktiv ishchi modda sifatida ammiak molekulalaridan foydalanilgan. 1954 yilda N.G.Basov va A.M.Proxorovlar hamda Ch.Tauns raxbarligidagi AQSh Kolumbiya universitetining bir guruh olimlari bir-birlaridan mustaqil ravishda "mazer" lar, ya’ni mikroto’lqinlarni kuchaytiruvchi molekulyar generatorlarni yaratdilar. Lazerlar, yoki yorug’lik nurlarini kuchaytiruvchi optik kvant generatorlarini yaratish g’oyalari N.G.Basov, A.M.Proxorov, Ch.Tauns, A.Shavlov V.A.Fabrikant, F.A.Butaeva va boshqalar tomonidan rivojlantirilganiga qaramasdan birinchi bo’lib bunday qurilmani yaratish sharafiga 1960 yilda Amerikalik T.Meyman erishdi. Birinchi lazer qurilmasida ishchi modda sifatida rubin kristalidan foydalanilgan. Tez orada gaz va yarim o’tkazgichli optik kvant generatorlari yaratildi.
Lazerlarni yaratish va uni ilmiy asoslab berganliklari uchun Basov, Proxorov va Taunslar 1964 yilda fizika sohasida Nobel mukofotiga sazovor bo’lishdi.
Lazer nurlarining tabiatini o’rganish shuni ko’rsatadiki, bu nurlar o’ta ajoyib fizikaviy xususiyatlarga ega ekan. Bunday xususiyatlardan biri ularning kogerentligidir. Oddiy yorug’lik manbalarida nur chiqaruvchi atomlar bir-biriga bog’liq bo’lmagan holda Tarqoq nurlarni chiqaradi. Optik kvant generatorlarida esa juda ko’p sondagi atomlar o’zaro aloxada bo’lib, chiqarilayotgan nurlar hamo’zaro muvofiqlashtirilgan bo’ladi. Kogerent manbalarning nurlanishlari monoxromatik, ya’ni ularning tarkibida bir xil chastotali nurlar mavjud bo’ladi. Lazer qurilmalarida kuchaytirilgan nurlar optik rezonatorlar orasida juda ko’p marta yo’l bosganliklari uchun ular uzoq masofalarga uzatilganda ham juda ingichka nurlar dastasini hosil qiladi. Natijada nur dastasining ko’ndalang kesim yuzasiga mos keluvchi energiya zichligi oddiy nurlarning energiya zichligidan bir necha million maratoba katta bo’ladi. Nurlanish quvvati 1kW bo’lgan SO₂ - gaz lazerining nur dastasida energiya zichligi 10¹⁰ W/sm² bo’lsa, Quyosh nurlarining yerga yaqin joylarida esa bu ko’rsatkich 0,1 W/sm² ga teng.
Lazer nurlarining bunday xususiyatlari ularning qo’llanish sohalarini keskin oshirib yubordi. Lazer nurlari yaratilgan davrdan boshlab tibbiyot, ishlab chiqarish, ilmiy tadqiqot ishlarida o’zining mustahkam o’rnini topdi. 1966 yilda lazerlar Vishnevskiy nomidagi tibbiyot institutida ko’krak qafaslarini jarrohlik qilishda qo’llanildi. Lazer nurlari impulsining juda qisqaligi va quvvati ulkanligi uning jarrohlik pichog’i sifatida ishlatilishiga qo’l keldi. Birinchi marotoba qonsiz jarrohliklar lazer nurlari orqali amalga oshirila boshlandi. Ayniqsa, inson hayoti uchun juda muhim bo’lgan yurak, ichki organlar va ayniqsa ko’z operatsiyalari muvoffaqiyatli o’tkazildi. Odam tanasiga kiritilgan optik tolalar orqali yuborilgan lazer nurlari yordamida ichki organlarni tashqaridan hech qanaqa jarrohlik ishlarini bajarmasdan davolash mumkin. Hozirgi davrda lazer nurlari yordamida ko’zni operatsiya qilish konveyr usulida bajariladi, ya’ni operatsiya qilingan bemorlar jarroxlik stolidan sog’aygan holatda yuboriladi. Quvvatli lazer nurlaridan o’ta qattiq materiallarga ishlov berish va ularni silliq kesish, sirtlarga termik ishlov berish kabi texnologik jarayonlarda foydalaniladi. Lazer nurlarining geodeziyada va atmosferadagi tabiiy hodisalarni o’rganishda o’rni juda katta. Ayniqsa, havo qatlamining ifloslanishini ekologik toza usulda nazorat qilishda lazer nurlari juda qo’l keladi. Lazer interforometrlari o’lchamlarni yorug’lik to’lqin uzunligining ulushlarigacha katta aniqlikda o’lchashga imkon beradi. Lazer spektroskopiyasi nafaqat ilmiy izlanishlarda, balki jinoyat qidiruv ishlarida ham keng qo’llanilmoqda. Kriminalistikada jinoyatchi qoldirgan sezilmas izlar, masalan chekilgan tamaki tutuni va qoldig’i, qon izlari, lab bo’yoqi va shunga o’xshagan moddalarning miqdori juda oz bo’ladi. Ularni aniqlashda juda nozik va sezgirligi o’ta yuqori bo’lgan qurilmalar kerak bo’ladi. Buni lazer spektroskopiyasigina amalga oshira oladi. Lazer golografiyasi hayotimizga keng kirib kelmoqda. Hajmiy tasvirga tushirish, ma’lumotlarni yuqori sifatda va kichik hajmda saqlash ishlarini golografik usulda amalga oshiriladi. Bunday optik usulda yozib olingan ma’lumotlar juda uzoq vaqtgacha tashqi ta’sirga chidamli holda saqlanadi va qayta tiklanadi. Kichik o’lchamli (o’lchamlari gugurt qutisiga teng bo’lgan) gologrammada katta kutubxonadagi barcha kitoblarni tasvirga olish va uni qayta o’qish imkoniyati mavjuddir. Lazer nurlari yordamida "sun’iy Quyosh" yaratish muammosi ancha rivojlantirildi. Lazerlar yordamida hosil qilingan plazmalarning temperaturasi bir necha million graduslargacha bo’lib, ular maxsus kuchli magnit maydonlarida ushlab turiladi. Hozirgi vaqtda "Tokamak" qurilmalarida "sun’iy Quyosh" holati 1sekundgacha boshqarilmoqda.
Keyingi paytda yaratilgan lazerlarning yana bir o’ziga xos xususiyati shundan iboratki, bu qurilmalarda bir lazer nurlarining rangini, ya’ni to’lqin uzunligini boshqarish mumkin. Birta lazer qurilmasining o’zidan bir vaqtning o’zida bir necha maqsadlarda foydalanish imkoniyati tuqiladi. Ayniqsa, 3 mkm li lazerlar aviastiyada, tumanli kunlarda samolyotlarni qo’ndirishda samarali ishlatiladi. Tuman tarkibidagi suv bug’lari bu nurlar uchun "shaffof" bo’lgani sababli samolyotlarda o’rnatilgan qabul qilgichlarga yuborilgan signallar yordamida uning tezligi, balandligi Yerdan turib boshqarilib boriladi.