Ittiriy-alyuminiy granatli (IAG) lazerlar

2.2.4. Ittiriy-alyuminiy granatli (IAG) lazerlar
Shisha asosli neodim lazerning asosiy kamchilliklaridan biri - uning faol elementining issiqlik o’tkazuvchanligining yomonligidir. Shuning uchun lazer nurlanishining takrorlanish chastotasi kichik, o’rta hisobda 1 minutda 1 impulsli nurlanish beradi. Ushbu kamchillikdan holi bo’lgan qattiq jismli lazerlardan biri bu ittiriy-alyuminiy granatga faol zarra sifatida neodimli ionlari kiritilgan lazerlardir (Y3Al5O12). Ushbu lazerlar ko’pincha IAG-lazerlar deb ataladi. Mazkur turdagi lazer V. Geysits degan olim tomonidan taklif etilgan.
Ittiriy-alyuminiy granat asosga joylashgan neodim ioni to’lqin uzunliklari 500 dan 900 nm oraliqda yotuvchi juda ko’plab nurlanishni yutuvchi yo’lkalarga ega, ya’ni 2.7-rasmda keltirilgan neodim ionining energetik sathlarining soddalashtirilgan chizmasida ko’rsitilgandek, eng yuqori kengaytirilgan sathlarga ega. Lekin yuqori ishchi lazer sathiga o’tishida spektrining eni juda kichik (1 mm) bo’lgan lazer nurlanishini beradi. Yuqori ishchi lazer sathida elektronning yashash vaqti 200300 mks bo’lib, majburiy o’tishlarning kesimi 310-19 cm2 atrofida yotadi. Faol elementdagi neodim ionlarining konsentratsiyasi katta 1020 cm-3) bo’lgani uchun faol ionlarning kam qismini ( 35 ) g’alayonlantirish bilan kuchaytirish koeffitsientini katta olish mumkin. Shu xususiyatlari uchun bunday lazer kichik damlash quvvatida ishlay oladi. IAG elementi qattiq izotrop kristall bo’lgani uchun undan diametri 1 cm gacha, uzunligi 10 cm gacha bo’lgan shaffof optik faol elementlar tayyorlash mumkin. Asosiy xususiyati yaxshi issiqlik o’tkazuvchanligi va haroratning katta farqlarda o’zgarishni ko’tara olishidir. Shu issiqlik xususiyatlari, katta kuchaytirish koeffitsientiga egaligi va kichik optik damlash quvvatlarida ishlay olishi tufayli bunday lazerda nafaqat impulsli va davriy impulsi hamda uzluksiz generatsiya olish mumkin.
Bunday lazerning faol elementining hajmi chekli bo’lgani uchun nonoimpulsli holatdagi nurlanishning energiyasi maksimal 10 J dan oshmaydi. Shuning uchun bu lazer ko’pincha davriy impulsli yoki uzluksiz holatda ishlatiladi. Davriy impulsli holatda lazer nisbatan uzun (0,5 ... 10 ms) impulsli va takrorlanish chastotasi 100 Hz gacha, uzluksiz holatda qisqa ( 10 mks) impulsi va takrorlanish chastotasi 100 kHz bo’lgan nurlanishni optik rezonatorning asilligi modulyatsiya qilish orqali olinadi.
Uzluksiz holatdagi nurlanishning quvvati 1 kW gacha yotishi mumkin. Ushbu lazerning umumiy FIK katta bo’lib, kripton yorug’lik lampalari bilan uzluksiz rejimda damlanganda 2 3 % ni tashkil etadi. Nurlanishning ko’p modali holatdagi yoyilish burchagi 5 mrad, bir modali holatda 1 mradni tashkil etadi. Ushbu lazerlar texnologik qurilmalarda ishlatiladi.
2.3. Yarimo’tkazgichli lazerlar
Ma’lumki, barcha qattiq jismlar o’zlarining elеktr xossalariga ko’ra uch sinfga ajraladi: mеtallar, yarimo’tkazgichlar, dielеktriklar (izolyatorlar). Mеtallarning elеktr o’tkazuvchanligi ancha katta bo’ladi, dielеkrtiklar esa tokni dеyarli o’tkazmaydi. Mеtallar bilan yarimo’tkazgichlar muxim sifatiy jixatlar bilan farqlanadi. Masalan tеmpеratura oshganda mеtallarning elеktr qarshiligi ortadi (elеktr o’tkazuvchanligi kamayadi), yarimo’tkazgichlarning elеktr qarshiligi esa kamayadi. YOrug’lik ta’sirida mеtalllarning elеktr o’tkazuvchanligi o’zgarmaydi, ammo yarimo’tkazgichlarniki ko’p martalab o’zgarib kеtishi mumkin. YArimo’tkazgichlarning elеktr va optik xossalari tashqi ta’sirlarga mеtallarnikiga nisbatan bеqiyos darajada sеzgirdir. Mana shu xususiyatlari tufayli yarimo’tkazgichlar jaxon fani va tеxnikasida salmoqli o’rin egallaydi. Ular asosida ishlab chiqarilayotgan asboblar va qurilmalar miqdori tеz ko’payib,ularning turli soxalarga tatbiqi kеngayib bormoqda. Xozir yarimo’tkazgichlar qo’llanilmayotgan insoniyat faoliyati soxalarini ko’rsatish qiyin-ular avtomatikada, tеlеmеxanikada, radioelеktironikada, elеktron-xisoblash tеxnikasida va boshqa qator soxalarda kеng ishlatilayotir. Buning asosiy sabablari yarimo’tkazgich moddalarning yuqorida kеltirilgan ajoyib xossalaridir.Ular zaminida ishlab chiqarilayotgan asboblarning o’lchamlari,xajmi kichik,ishlash muddati katta va bajariladigan xizmatlari doirasi juda kеng. SHuning uchun yarimo’tkazgich moddalari va asboblari yaratish tеxnologiyalari jadal rivojlanib, ularni fizikasi va tеxnikasini yana xam kеngrok o’rganishni taqazo qilmoqda.
YArimo’tkazgichli kristallarni kеng oraliqda hususiyatlarini boshqarish mumkinligi turli maqsadlar uchun zarur bo’lgan lazеrlar yaratish imkoniyatlarini ochib bеrmoqda.
1957-1961 yillar mobaynida bir qator tadqiqotchilar tomonidan p-n o’tishli yarimo’tkazgichli lazerlar yaratish g’oyasi taklif etildi. 1962 yilda generatsiya rejimida ishlash to’g’ri o’tishli (to’g’ri zonali) yarimo’tkazgichlarda yuz berishi mumkinligi ko’rsatildi va bu rejimda ishlashning muhim talablari aniqlandi. Yutilishga doir tajriba natijalariga asoslanib, to’g’ri o’tishli yarimo’rkazgich hisoblangan arsenid galliyning zonalararo o’tishlaridan foydalanish imkoniyati ko’rsatildi. Nazariy hisoblashlar asosida 1961 yilda Fermi kvazisatxlari tamoyilidan foydalanib generatsiya rejimini amalgam oshirishning zaruriy shartlari olindi.
Natijada, ko’pchilik tadqiqotchilar guruhlari yarimo’tkazgichlarning generatsiya rejimida ishlash imkoniyatlarini tadqiq qilish bilan aktiv shug’ullanishib, 1962 yil oxirida uch guruh tadqiqotchilar deyarli bir paytda generatsiya rejimini amalga oshirdilar. Arsenid galliydan tayyorlangan to’g’ri p-n o’tish suyuq azot haroratigacha sovutilganda 8400 A to’lqin uzunlikli impulsli nurlanish generatsiyaladi. Sal keyinroq GaAs1-xPx kristalli p-n o’tishda 7100 A to’lqin uzunlikli nurlanish hosil qilindi. Bunda, lazer nurining to’lqin uzunligi As va P ning nisbiy miqdoriga bog’liq ravishda o’zgarishi aniqlandi. Hozirgacha lazerlar uchun ko’pgina materiallar topilgan bo’lib, ularda hosil bo’luvchi kogerent nurlanishlar ultrabinafshadan to o’rta infraqizilgacha bo’lgan kemg sohani qamrab oladi.
2.3.1. Yarimo’tkazgichli lazerlar haqida umumiy ma’lumotlar
Yarimo’tkazgichli lazerlarning nurlanishi ham boshqa turdagi lazerlarning nurlanishi kabi vaqt va fazoda kogerent hisoblanadi. Ya’ni, lazer nurlanishi yuqori monoxromatikligi sababli, qat’iy yo’nalgan yorug’lik dastasi hosil qiladi. Shular bilan bir qatorda yarimo’tkazgichli lazerlarning boshqa turlari bilan quyidagi farq qiluvchi xususiyatlarga ega:
Yoqutli va gazli lazerlarda nurlantiruvchi o’tishlar diskret energetik satxlar o’rtasida sodir bo’lsa, yarimo’tkazgichli lazerlarda bunday o’tishlar materialning energetik zonalari tuzilishiga bog’liq bo’ladi.
Yarimo’tkazgichar juda kichik o’lchamlar (uzunligi 0.1 mm tartibida)ga ega. Natijada, ularning faol muhiti juda ham qisqa (1 mkm tartibida)ligi sababli, yarimo’tkazgichli lazerlarda nurning yoyilishi, yoqutli va gazli lazerlardagiga qaraganda ancha katta.
Yarimo’tkazgichli lazerlarning fazoviy va spektral xarakteristikalari p-n o’tish hosil qilingan materialning xususiyatlariga keskin bog’liq.
Yarimo’tkazgichli lazerlar uchun qo’zg’atish (damlash)ning turli: p-n o’tish orqali injeksiyalash (injeksion lazerlar), optik qo’zg’atish, elektronlar dastasi va ko’chkili teshilish yordamida qo’zg’atish usullari mavjud.
p-n o’tishli lazerlarda nurlanish dioddan tok o’tganda yuzaga kelishi sababli qo’zg’atish energiyasi o’tkazuvchanlik zonasida invers bandlikni hosil qilish uchun sarf bo’ladi. Shu sababli, sistemaning effektivligi to’laligicha o’ta yuqori bo’lib va hosil bo’lgan nurlanish oson modulyatsiyalanadi.
Yarimo’tkazgichlarda majburiy nurlanishning juda qisqa vaqtda yuz berishi ularni juda yuqori chastotalarda modulyatsiyalanish imkonini beradi. Lazerlarning ishlashi quyidagi uch jarayonga bog’liq: yutilish, o’z-o’zidan nurlanish va majburiy nurlanish. Ushbu jarayonlarni yaqqolroq quyidagi modelda ko’ramiz. Atomda E1 va E2 (2.12a-rasm) energetik satxlar mavjud, bu yerda E1 – asosiy holatga mos keluvchi, E2 – uyg’ongan holatga mos keluvchi satx energiyasi. Ushbu satxlar o’rtasidagi o’tishlar Plank qonuniga ko’ra hv12=E2-E1 shartdan aniqlanuvchi v12 chastotali foton ajralishi yoki yutilishi bilan kechadi. Odatdagi temperaturalarda atomlarning ko’pchiligi quyi energiyali asosiy holatda bo’ladilar. Agar sitema hv12 energiyali foton bilan nurlantirilsa muvozanat buzilib, E1 holatdagi atom fotonni yutib E2 qo’zg’olgan holatga o’tadi. Qo’zg’olgan holat noturg’un bo’lganligi sababli juda qisqa vaqt oralig’ida atom hech qanday tashqi ta’sirsiz hv12 energiyali foton chiqarib asosiy holatga qaytadi. Bu jarayon spontan emissiya deyiladi (2.12b-rasm), bunda atomning qo’zg’olgan holatda bo’lish vaqti yarimo’tkazgichning turli parametrlari – zona tuzilishi (to’g’ri yoki to’g’ri bo’lmagan zonali) ga va rekombinatsion markazlar konsentratsiyasiga bog’liq holda 10-9 dan 10-3 sek diapazonda o’zgarishi mumkin. Agar hv12 energiyali foton uyg’ongan holatdagi atom bilan to’nashsa, muhim va qiziq hodisa yuz beradi, foton ta’sirida atom hv12 energiyali, fazasi boshlang’ich majburiy nurlanish bilan mos foton nurlantirib asosiy holatga o’tadi. Bu jarayon stimullashgan emissiya deyiladi (2.12v-rasm).
|
2.12-rasm. Ikki energetik satx E1 va E2 lar o’rtasidagi o’tishlarning uch asosiy turi. Doirachalar bilan atomlar belgilangan. Boshlang’ich holatga chapdagi rasm, mos jarayon yuz bergandan keyingi holatga mos keluvchi rasm o’ngda keltirilgan.
|
Ma’lumki, yarimo’tkazgichlar energetik zona tuzilishiga ko’ra, to’g’ri zonali yarimo’tkazgich va to’g’ri bo’lmagan zonali yarimo’tkazgichlarga bo’linadi. To’g’ri zonali yarimo’tkazgichda o’tkazuvchanlik zonasining pastki minimumiga va valent zonasining yuqori maksimumiga bir xil to’lqin sonlari mos keladi, masalan – arsenid galliy. To’g’ri bo’lmagan yarimo’tkazgichda zonalar ekstremumlariga to’lqin sonlarining turli qiymatlari mos keladi. Natijada, to’g’ri zonali yarimo’tkazgichda optik o’tishlar birinchi tartibli jarayon (ya’ni, impuls o’z-o’zidan saqlanuvchi)lar hisoblanib, bu moddalarda kuchaytirishning optik koeffitsiyenti yuqori qiymatga ega bo’ladi. Ikkinchi tomondan, to’g’ri bo’lmagan yarimo’tkazgichlarda optik o’tishlar ikkinchi tartibli jarayon(fononlar yoki boshqa sochiluvchi jismlar uchun energiya va impuls saqlanishi)lar hisoblanib, bu moddalarda nurlanuvchi o’tishlar ehtimolligi kichik va mos ravishda kuchaytirish koeffitsiyenti to’g’ri zonali yarimo’tkazgichga nisbatan kichik qiymatga ega.
Yuqorida keltirilgan mulohazalar toza yarimo’tkazgichlarda zonalaro va eksitonlar ishtirokidagi o’tishlar uchun o’rinli bo’ladi. Kuchli legirlangan yarimo’tkazgichlarda kirishmalaro o’tishlarda impuls saqlanish qonuni bajarilmasligi ham mumkin. Lekin, shunga qaramay, hozirga kelib lazerlar uchun mo’ljallangan yarimo’tkazgichlarning hammasi to’g’ri zonali bo’lishi zarurligi isbotlangan.
Asosiy holatga nisbatan qo’zg’olgan holatda atomlar soning ko’p bo’lishi invers bandlik deyiladi. Agar hv12 energiyali foton E1 satxga nisbatan E2 satxning invers band sistemasi bilan to’qnashsa, majburiy emissiya yutilishdan ortib ketadi va sistemaga tushuvchi hv12 energiyali fotonlarga qaraganda ko’proq foton undan chiqib ketadi. Bu hodisani kvant kuchayish deyiladi.
Yarimo’tkazgichlarda invers bandlikshartini ko’rib chiqish uchun to’g’ri zonali yarimo’tkazgichlarda energiyaning holat zichligiga bog’liqligi ko’rsatilgan 2.13-rasmga murojaat qilamiz. 2.13a-rasmda xususiy yarimo’tkazgich uchun T=00 K dagi muvozanat shartlari keltirilgan. Rasmdagi shtrixlangan yuzalar to’ldirilgan holatlarga mos keladi. 2.13b-rasm T=00 K dagi invers bandlikka mos keladi. Bunda inversiya, yarimo’tkazgichning man qilingan zona kengligi Eg dan katta energiyali fotoqo’zg’atilgan foton yordamida amalgam oshiriladi. Ya’ni, valent zona EFV energetik satxgacha bo’shatilgan, o’tkazuvchanlik zonasi EFC energetik satxgacha to’ldirilgan. hv (EgFC-EFC) energiyali fotonlar elektronlarining quyi satxlariga o’tishini ta’minlashi o’z navbatida stimullashgan emissiya yuzaga kelishini ta’minlaydi.
Chekli temperaturalarda zaryad tashuvchilarlarning energiya bo’yicha taqsimoti 2.13v-rasmdagidek “chaplashib” ketadi. Sistema umumiy issiqlik muvozanatida bo’lmasada, tashuvchilar o’zaro bir-birlari bilan issiqlik muvozanatida bo’ladilar. O’tkazuvchanlik zonasidagi holatlarning to’ldirilish ehtimolligi Fermi-Dirak taqsimotiga ko’ra
(2.9)
dan aniqlanadi. Bu yerda EFC – o’tkazuvchanlik zonasidagi elektronlarning Fermi kvazisatxi. Yuqoridagi kabi ifoda valent zona uchun ham o’rinli bo’ladi.
|
2.13-rasm. Yarimo’tkazgichdagi holatlar zichligining energiyaga bog’lanishi.
a – T=0 0K muvozanat holati, b – T=0 0K inversiya, v – T>0 0K inversiya
|
O’tkazuvchanlik zonasining E ga yaqin energiyali yuqori satxlaridan, valent zonasining E-hv ga yaqin energiyali quyi satxlariga o’tishda yuzaga keluvchi v chastotali fotonlar nurlanishining intensivligini ko’rib chiqaylik. Ma’lumki u - band qilingan yuqori satxlar zichligining nc(E)Fc(E) band qilingan quyi satxlar zichligi nv(E-hv)[1-Fv(E-hv)] ga ko’paytmasiga proporsinal bo’ladi. Nurlanishning to’liq intensivligi esa energiyalar bo’yicha integrallash orqali aniqlanadi:
(2.10)
Shunga o’xshash yutilish uchun
(2.11)
ni yozish mumkin. Yorug’lining kuchayishi uchun sharti bajarilishi kerak. (2.9)-(2.11) tenglmalardan Fermi kvazisatxlarining EFV va EFC energiyalari uchun
EFV–EFC>hv (2.12)
ni hosil qilamiz.
Bu – xususiy yarimo’tkazgichda zonalaro o’tishlarda majburiy nurlanishning yutilishdan ustun kelish sharti hisoblanadi. Agar yarimo’tkazgich kirishmali bo’lsa va kirishmaning energetik satxi yo keyingi, yo boshlang’ich holatga mos kelsa, kirishmali satxlar uchun mos aynish koeffitsiyentli Fermi kvazisatxlaridan foydalanish zarur bo’ladi.
4. Uzunlik birligiga mos keluvchi kuchaytirish koeffitsiyenti. Yarimo’tkazgichli lazerning g kuchaytirish koeffitsiyenti, yoki uzunlik birligiga mos keluvchi energiya oqimining ortishi yarimo’tkazgich energetik zonalarining tuzilishiga va legirlash darajasi, tok zichligi, temperatura va chastotalarning murakkab funksiyasidan iborat bo’ladi. Kuchaytirish koeffitsiyenti to’g’risida asosiy tushunchalarni hosil qilish uchun dastlab 1-rasmda keltirilgan ikki satxli sodda holni ko’rib chiqamiz. Bunday sistemalar uchun olingan natijalar, keyinchalik bo’sag’aviy tok uchun taqribiy ifodani keltirib chiqarishda ishlatiladi.
A. Ikki satxli diskret sistema. Ikki satxli sistemalar uchun o’zgartirish koeffitsiyentlari, dastlab Eynshteyn tomonidan aniqlangan/, quidagi hulosalar asosida hosil qilinadi. Dastlab T haroratda turgan, chastotaning birlik intervalidagi energiya zichligi
(2.13)
bo’lgan absolyut qora jism nurlanishi bilan atomning o’zaro ta’sirlshuvini ko’ramiz, bu yerda c – yorug’likning vakuumdagi tezligi.
Tashqi maydon bo’lmagan holda (2) va (1) satxlaro o’tishlarning to’liq intensivligi (2.8b, v rasmlar)
(2.14)
satxdan (2) satxga o’tish (2.9a-rasm) uchun intensivlik ifodasi
(2.15)
ga teng, bu yerda τspontan – spontan nurlanishning yashash vaqti, B21 va B12 – aniqlanishi zarur bo’lgan doimiylar.
Termodinamik muvozanat holatida (4) satxdan (1) satxga o’tish intensivligi (1) satxdan (2) satxga o’tish intensivligiga teng, ya’ni
N2W21= N1W12 (2.16)
Bandliklar nisbati N2/N1 Bolsman taqsimotiga ko’ra
(2.17)
bo’ladi, bunda g2 va g1 – mos ravishda (2) (1) satxlarning aynish koeffitsiyentlari.
(6) va (9) ni o’zgartirib,
(2.18)
ni olamiz.
Sistema butunicha (nurlanish atomlari va ularning maydoni) issiqlik muvozanatida bo’lganligidan (2.18) dagi ρ(v) ni (2.13) dagi ρ(v) ga teng deb hisoblaymiz.
Yuqoridagi (2.16) shart
(2.19a)
(2.19b)
bo’lganda bajariladi.
(2.18) va (2.19) ifodalardan nurlansih maydoni bilan ta’sirlashuvda hosil bo’luvcji majburiy o’tishlar intensivligi
(2.20)
(2.20) ni umumiy ko’rinishda
(2.21)
yoziladi, bunda A(v’) – o’tish uchun nurlanish chizig’ining normal funksiaysi yoki
.
Yuqoridagilardan yutilayotgan nurlanish chastotasining to’liq intervalida o’zgarmasa, (2.21) tenglik (2.20) ga o’tadi.
Yarimo’tkazgichli lazerda kuchaytirish koeffitsiyenti yuqorida ko’rilgan ikki sathli sistemaga nisbatan murakkab ko’rinishga ega bo’ladi. Stimullash intensivligi ortganda Fc(E) va Fv(E) taqsimot funksiyalari o’zgaradi, ya’ni EFC ortadi, EFV esa kamayadi. Bundan tashqari kuchaytirish koeffitsiyentining fotonlar energiyasiga bog’lanish egri chizig’ining shakli ham o’zgaradi. Barcha boshlang’ich va keyingi holatlar uchun aynan bitta matritsa elementi mos kelsa, spontan va to’liq stimullashgan majburiy nurlansih funksiyasi
Wspontan(v)=B∫nc(E) nv(E-hv)Fc(E)[1-Fv(E-hv)]dE (2.22a)
Wstimul(v)=B∫nc(E) nv(E-hv)Fc(E)-Fv(E-hv)]dE (2.23b)
ko’rinishda yoziladi.
Kuchaytirish koeffitsiyenti
B=(4nq2hv(m2h2c3)│ │2 Vol (2.24)
formula bo’yicha aniqlanadi. Bu yerda - matritsa elementi; Vol – kristall hajmi, n – yarimo’tkazgichning sindirish koeffitsiyenti.
Nurlanishning to’liq intensivligi uchun WT ifoda, tanlsh qoidasi bajarilmaganda, o’tkazuvchanlik zonasi va valent zonasiga bo’gliq bo’lmagan holda integrallash o’tkaziladi va
WT = Bnp (2.25)
o’rinli bo’ladi, bu yerda n va p – elektronlar va kovaklarning konsentratsiyasi. WT hajm birligidagi foton spontan emissiyasining intensivligi bo’lib sm3/sek o’lchamlilikkka ega.
Ushbu munosabatlar va Fermi taqsimot funksiyasi uchun aniqlanganlardan, majburiy va spontan nurlanishlarni o’zaro bog’lovchi quyidagi munosabatni hosil qilamiz
Wstim(v)=Wspontan(v){1-[E-(EFc-EFv)/kT] (2.26)
Kuchaytirish koeffitsiyenti g(y) stimullashgan nurlanish bilan quyidagi ifodaga asosan bog’liq:
(2.27)
Bundan ko’rinishicha kuchaytirish koeffitsiyenti hvFV–EFC shart bajarilganda musbat bo’lar ekan. Bu invers bandlik sharti hisoblanadi. Boshqa tomondan, agar hv>EFV–EFC bo’lsa, kuchaytirish koeffitsiyenti manfiy bo’ladi va bu nurlanish yutilishiga mos keladi.
2.3.2. Arsenid galliiyli va arsenid galliy-alyuminiyli lazerlar
Yarimo’tkazgichli kristallar asosida tuzilgan yarimo’tkazgichli lazerlar da ruhsat etilgan energetik zonalardagi nurlanishli kvant o’tishlardan foydalaniladi (1.2-rasm). Yarimo’tkazgichli faol muhit yordamida katta optik kuchaytirish ko’rsatkichi (104 cm-1)ga erishish mumkin. Bunday lazerlarda rezonatorning uzunligi 50 mkm - 1mm oralig’ida bo’ladi.
Yarimo’tkazgichli lazerlar (YAL) nihoyatda kichikligi bilan birga noinertligi (10-9 s), FIK yuqoriligi (30 %), spektral tarkibini sozlab o’zgartirish mumkinligi, faol muhit sifatida ishlatiluvchi moddalar ko’pligi, nurlanishining to’lqin uzunligi λ=0.3-30 mkm bo’lishi bilan birga boshqa lazerlardan ajralib turadilar.
YALlarda faol zarrachalar erkin elektronlar va kovaklar bo’lib, ular faol muhitda injeksiyalanishi, diffuziyalanishi va dreyflanishi mumkin bo’lgan erkin zaryad tashuvchilar hisoblanadilar.
YAL larda asosiy damlash usuli p-n o’tish yoki getereo’tish orqali injeksiya bo’lib, elektr energiyasini to’g’ridan-to’g’ri aniq kogerent nurlanish energiyasiga aylantiradi va bu injeksion lazer deyiladi.
Damlashning elektr teshib o’tish usuli (strimer lazer), elektron bilan bombardimon qilish usuli (elektron damlashli YAL), optik damlash usullari mavjud.
N.G. Basov va uning xodimlari tomonidan havola etilgan optik damlashli YAL p-n o’tishda GaAs kristallida birinchi marta R. Xoll, M.I. Neyten (AQSH) tomonidan, elektron damlashli YAL esa N.G.Basov va uning xodimlari tomonidan yaratildi.
Jadal damlash ta’sirida yarimo’tkazgichlarda optik kuchaytirish invers bandlik shartini o’tkazuvchanlik zonasining tubidagi Es va valent zonaning yuqori chegarasida Eν bajarilganda amalga oshiriladi.
Ruhsat etilgan (o’tkazuvchanlik) zonasining yuqori energetik ishchi sathlarini elektron bilan to’ldirish, valent zonaning quyi sathlarini to’ldirish ehtimolligidan kattadir. Shu sababli majburiy nurlanishli o’tish yutilish o’tishlaridan ustunroq bo’ladi.
Optik kuchaytirish kattaligi damlash intensivligiga hamda nurlanish rekombinatsiyasi ehtimolligiga va temperaturaga bog’liq bo’ladi.
YALlarda lazer materiali (faol muhit) sifatida to’g’ri zonali yarimo’tkazgichlar qo’llaniladi (masalan: GaAs, CdS, PbS). Ularda nurlanishning kvant chiqishi 100 % ga etishi mumkin. To’g’ri bo’lmagan zonali yarimo’tkazgichlar germaniy va kremniyda hozircha YAL lar bunyod etishga erishilganicha yo’q. YAL lar uchun lazer materiallarining turi ko’p ekanligi YAL da keng spektral diapazonda lazer nurlanishi olishga imkon beradi.
Injeksion YAL yarimo’tkazgichli diod bo’lib, p-n o’tish va geteroo’tish tekisligiga pedpendikulyar bo’lgan ikki yassiparallel qirralari optik rezonator ko’zgulari vazifasini o’taydi (qaytarish koeffitsienti 30 %). Ayrim hollarda esa tashqi ko’zgu ishlatiladi. Diod orqali katta to’g’ri elektr toki o’tkazish yordamida ortiqcha zaryad tashuvchilarning o’tish yonidagi qatlamlarda to’planishi natijasida invers bandlik holatiga erishiladi. Chetki lyuminessensiya sohasida optik kuchaytirish nurlanishni tashqariga chiqarish, faol muhitda yutilish va rezonator ichidagi yo’qotish (sochilish) energiyalaridan ortiq bo’lganda kogerent lazer nurlanishi sodir bo’ladi. Generatsiya boshlanadigan elektr toki “bo’sag’a toki” deyiladi. Injeksion YAL larda bo’sag’aviy elektr toki zichligining qiymati j=1000A/sm2 ga boradi.
Keyingi yillrda geterotuzilmaviy YAL lar keng qo’llanilmoqda. Bunday lazerlar geterolazerlar deyiladi. Geteroo’tishlar T=300 K da kichik “bo’sag’aviy tok zichligiga” ega bo’ladilar. Geterolazer (GL) ikkita geteroo’tish asosida ishlaydi. Uulardan biri elektronlarni injeksiyalovchi p-n o’tish bo’lsa (emitter), ikkinchisi faol muhitdan diffuz oqib o’tishni chegaralovchi p-p o’tishdan iborat bo’lib, faol zona har ikkisining oralig’ida joylashgan bo’ladi.
Faol muhiti kengligi 1-20 mkm bo’lgan yupqa tasma ko’rinishidagi lazerni polosali (tasmali) lazer (PL) deyiladi. Polosali geterolazerda temperatura T=300 K bo’lganda tokning 5-150 mA qiymatida uzuluksiz generatsiyada nurlanish quvvati P ≈ 100 mW = 0.1W ga yetadi. Tokning katta qiymatlarida faol muhit qizishi hisobiga nurlanish quvvati kamayadi.
Ko’p elementli injeksion YALlarda impuls ish rejimida nurlanish quvvati 10 kW gacha yetadi.
YALlar yasashda foydalaniladigan turli kimyoviy tuzilishli geteroo’tishda ishlatilgan yarimo’tkazgichlarning kristall panjaralari davri bir xil bo’lishi lozim. Odatda, YALlarda ko’p komponentali qattiq qotishmalar ko’p ishlatiladi. Ulardan o’zgarmas davrli fazoviy panjarali moddalar sistemasini olish mumkin (ular izodavriy sistemalar deyiladi).
Qattiq aralashmali geterolazerda AlxGa1-xAs dan iborat geterostrukturada p(AlxGa1-xAs), p(GaAs), n(AlxGa1-xAs ) qatlamlari mavjud bo’ladi (2.14-rasm).
YAL larning eletron damlashli turlarida energiyalari E=104-106eV ga teng bo’lgan katta tezlikdagi elektron dastasidan foydalaniladi. Energiya qiymati kristallarda radiatsion defekt hosil qilish bo’sag’asiga yetmasligi zarur. Ortiqcha zaryad tashuvchilar katta tezlikli elektronlarni sekinlatish orqali hosil qilinadi.
|
2.14-rasm. AlxGa1-xAs geterostrukturali lazer
|
Elektronning energiyasiga bog’liq holda u turli chuqurlikkacha ta’sir etishi mumkin va bu holat 10-2sm ga yetishi mumkin. Bu kabi lazerlar faol element bilan birga, yuqori kuchlanish manbai, elektron pushka, dastani fokuslovchi va boshqaruvchi qurilmalarga ega bo’ladilar. Bu lazerlarda faol muhitdagi nurlanishni qayd qilish hamda katta ekranga tushirish mumkin ekanligidan ular yordamida uch o’lchamli lazer televizorlari yaratish mumkin. Ushbu lazerlar nurlanish quvvatining qiymati 1 MW gacha etadi.
2.3.3. Strimerli lazerlar
Elеktrik tеshilish, ishqalanilgan yoqut va chaqmoq kabilar fizik hodisa uzoq yillar davomida ma’lumdir. XVIII asr oxiridan boshlab, yuqori kuchlanish olish mumkin bo’lgan galvanik elеmеntlar va induktsion g’altaklarni kashf etilishi munosabati bilan gazlar, suyuqliklar va qattiq jismlarda elеktr tеshilish xodisasini tizimli ravishda tadqiq qilish ishlari boshlanib yuborildi. Jismlarning elеktr mustahkamligi, uchqunli tеshilish xosil bo’lishi uchun kеrak bo’lgan minimal elеktr maydon kuchlanganligi sifatida aniqlanadi.
Qattiq dielеktriklar o’zlarining xususiy elеktr, issiqlik va kimyoviy elеktr tеshilishlari bilan bir-biridan farqlanadi. Barcha turdagi tеshilishlar xosil bo’lishida birinchi fazani, ya’ni faqatgina matеrial elеktr mustaxkamligining yo’qolishi va tok o’tkazuvchi kanallarning xosil bo’lishlarini ajratib olish mumkin va shundan so’ng kеyingi bosqichlarda moddaning issiqlik va kimyoviy o’zgarishlari va mеxanik parchalanishlari boshlanadi.
Elеktr va radiotеxnikada, ularning vujudga kеlishidan to hozirgi vaqtgacha, elеktr tеshilish hodisasi, asosan elеktrolitlarni kondеnsator sirtlarini, sim va kabеllarning izolyatsion qoplamalarini buzuvchi va barcha asbob va uskunalarni ishdan chiqaruvchi noxush hodisa sifatida qaraladi. Bu narsa asosan, tеshilish natijasida qaytmas jarayonlar hosil bo’luvchi qattiq dielеktriklarga mansubdir.
Shishalarda, ishqoriy galogеn kristallarda, kanifol, sеluloid va ayrim boshqa moddalarda namoyon bo’luvchi to’liq bo’lmagan tеshilish hodisasi 1930-yillardan buyon biron-bir muhimroq tatbiq etilmadi.
1973-yilda F.Nikol kadmiy sulfid monokristalida to’liq bo’lmagan tеshilishni hosil qildi va u namunalarda hеch qanday iz qoldirmasdan ko’p marotaba qaytarilib, uni lazеrlarning damlashda yangi usul sifatida ishlatilish mumkinligini aytib o’tdi.
F.Nikol tajribalarida yupqa (20 mkm) namunaga har bir razryad oralig’iga amplitudasi 10-15 kV va davomiyligi 2 mkm bo’lgan elеktr maydon impulsi bilan ta’sir etilganda, to’liq bo’lmagan razryad hosil qilinar edi va bunda razryad yorug’ nurlanuvchi iplar sifatida ko’rinar edi. Yarimo’tkazgichlardagi razryadning bunday turi “strimеrli” nomini oldi. Natijada “Strimеrli lyuminеssеnsiya” va “Strimеrli lazеr” tеrminlari yuzaga kеldi.
Yarimo’tkazgichlarda strimеr razryadlarni hosil qilish qattiq jismlarning fizik xossalarini, elеktr hodisalarni o’rganishda va ularni amaliy maqsadlarda foydalanishida yangi bosqichni ochib bеradi. Aynan, bir kristal hajmida ko’p marotaba tеshilishni hosil qilish mumkinligini va buning natijasida lyuminеstsеnsiya va rag’batlantirilgan nur chiqarish hosil bo’lish, qattiq jismlarning tuzilishi va ulardagi bo’layotgan jarayonlar to’g’risida yangi axborotlar olish imkonini bеradi, xususan issiq elеktronlarning sochilish mеxanizmini va elеktron-fonon o’zaro ta’sir xaraktеrini tushunishga yordam bеrdi.
Elеktron tеshilish xodisasini juda yaxshi o’rganilgan muhit - yarimo’tkazgichlarga ko’chirilishi dielеktrik matеriallarda elеktr razryadlarning umumiy qonuniyatlarini o’rganishga imkoniyat yaratdi. Kristall hajmida yuqori darajadagi qo’zg’otishlar hxosil qilish va yangi asboblar, shu jumladan, oddiy va kichik o’lchamli nano-va pikosеkundli vaqt yorug’lik gеnеratorlarini yaratishda bunday tеshilishlarni amaliy qo’llash kеng imkoniyatlar ochib bеrdi.
2.15-rasm. Ctrimеrli ko’zg’otishning oddiy sxеmasi:
1 - namuna, 2 – taglik, 3 – kyuvеta, 4 - dielеktrik suyuqlik, 5 – nina elеktrod, 6 - mеtall qobiq, 7 - uchqunli razryad
Yarimo’tkazgichlarda strimеr razryadlari yo elеktr maydon impulslari bilan, yo vakuumdagi yuqori tokli elеktronlar dastasi vositasida namunalarni zaryadlash yo’li bilan qo’zg’otiladi. Elеktr maydon bilan qo’zg’otish uchun o’rganilayotgan namunalarni dielеktrik suyuqlik bilan to’ldirilgan idishga solinadi (2.15-rasm). YUpqa namunalar sapfir yoki shisha tagliklarga qotiriladi. Dielеktrik kirituvchanligi turlicha bo’lgan suyuqliklar ishlatiladi: transformator yog’i, mеtilmеtakrilat, atsеton, suyuq azot, suyuq gеliy va boshqalar. Suyuqliklarning bunday to’plami kristallning dielеktrik doimiysi 8-13 bo’lgan kеng oraliqda tajribalar o’tkazish imkonini bеradi.
Impulsli kuchlanish U namunaga 0,1-0,3mm masofada elеktrod – nish orqali bеriladi.To’liq tеshilish xosil bo’lmasligi va kristalldan kata tok o’tmasligi uchun, kuchlanish manbasining ikkinchi elеktrodi namunaga ulanmasdan, еrga ulanadi. Kuchlanishning qandaydir chеgaraviy qiymatiga еtganda (u=6…15kv),nish va plastina sirti orasida uchqunli tеshilish xosil bo’ladi, plastinada esa to’rli yorug’ nurlangan strimеrlar xosil bo’ladi. Xar qanday bеrilgan kuchlanish qiymatiga strimеrlarning nurlanish uzunligi va yorug’likni maksimal bo’lgan xolatlari uchun uchqunlanish oralig’ining optimal qiymati to’g’ri kеladi.
Kuchlanishning Un+ musbat va Un- manfiy qutblanishlarida, chеgaraviy qiymatlari, odatda bir-biriga ustma-ust tushmaydi. Gеksogonal kadmiy sulfidi uchun Un+ qiymat doim Un- qiymatdan kam bo’ladi. Qutbli tsink sеlеnidi uchun Un+ n- bo’ladi, agarda Ek>Ec bo’lsa va aksincha Un+ > Un- bo’lsa, Ekc bo’ladi. Uchqunlanish oralig’i kamayishi bilan tеshilish kuchlanishi kamayadi va uchqun xosil bo’lsa xam, strimеrlar shakllanmaydilar.
Namuna solingan dielеktrik suyuqlik ikki vazifani bajaradi. Birinchidan, suyuqlikning uchqunli tеshilishi impuls damlashning oldingi frontini to’rt-bеsh tartibga o’tkirlashtiradi, ikkinchidan, namunaning ninali elеktroddan olgan elеktr zaryadining tеz rеlaksatsiyasini ta’minlab bеradi.
Agarda kuchlanish gеnеratori impulsining еtarli darajadagi kеskin oldingi frontini ta’minlasa, strimеrlar dielеktrik suyuqliksiz, ninali elеktrodning namuna bilan bеvosita kontakti tufayli qo’zg’oladilar. Lеkin ular tarqalishining chеgaraviy chastotasi, suyuqlik mavjud bo’lgan xolatdagiga qaraganda kichik bo’ladi, bunga sabab, namunada xar bir impulsdan kеyin qoldiq zaryadining to’planishidir. Strimеrlarning qo’zg’otishni yukorida ko’rsatilgan usuli tajribada ko’proq qo’llaniladi, chunki u juda oddiy va vakuum xosil qilishni talab qilmaydi.
Strimеrlarning qo’zg’otishning ikkinchi usulida yarimo’tkazgichli plastinka mеtal qobiqda va taglikka o’rnatilgan xolda, elеktron zambarakka joylashtiriladi. Elеktronlarning impulsli yoki to’xtovsiz oqimi uni zaryadlaydi. Plastinka va еrga ulangan qobiq o’rtasida uchqunli razryadlarga olib kеluvchi kuchli elеktr maydon xosil bo’ladi. Uchqun xosil bo’lish boshlanishida kristalldagi lokal soxa strimеrlar shakllanishi uchun boshlang’ich nuqta sifatida xizmat qiladi. Strimеrli razryadlarni tajriba yo’li bilan xosil qilinishi uchun uchta shart bеlgilanadi.
Birinchidan, namunalarning solishtirma qarshiligi qandaydir minimal qiymatdan kam bo’lmasliklari kеrak - ρ≥ρmin. Kadmiy sulfidi uchun ρmin=5·103Om·cm. Solishtirma qarshiliklari bundan kichik bo’lgan namunalarda strimеrlar xosil bo’lmagan. ρ ning qiymati 1010 Om·cm gacha o’sganda strimеrlar soni, ularning uzunligi va intеnsivligi xam oshib boradi.
Ikkinchidan, qo’zg’otuvchi elеktr maydon impulslarining oshish fronti kеskin ko’rinishda bo’lishi kеrak, kamida 1015 B·cm-1c-1, dеmak ninali elеktrodda gеnеratorga bеrilayotgan kuchlanish U ning vaqt bo’yicha xosilasining chеgaraviy qiymati mavjuddir. Transformator moyiga solingan kadmiy sulfid kristallari uchun minimal qiymat dU∕dt=6·1011B·c-1 dU∕dt ning kichik qiymatlarida, 50kB gacha bo’lgan impuls amplitudalari qiymatlarida strimеrlar xosil bo’lmaydi.
Maydon oqimi tеzligining chеgaraviy qiymati kristall xajmiy zaryadining tarkalish tеzligi bilan aniqlanadi. Erkin elеktronlar xosil qilish uchun elеktr maydon kuchlanganligi E0 ~ 106B·cm-1 qiymatlarga еtishi kеrak. Xajmiy zaryadning maydon kuchlanganligi uning gradiеnti bilan aniqlanadi. SHuning uchun xajmiy zaryadning to’planish tеzligi,uning tarqalish tеzligidan katta bo’lishi kеrak. Drеyf tеzliklari uchun υdr=10-1cm·c-1 xisoblashlar dU∕dt > 1013B·c-1 ekanligini ko’rsatadi.
Bu xolatda dU∕dt ninali elеktrodni emas, balki kristallning zaryadlangan xajm potеnsialini xaraktеrlaydi.
Uchunchidan, juda ko’pchilik tеkshirilgan kristallar ichidan,strimеrlar faqatgina to’g’ri zonali va yuqori kvant chiqishli lyuminеstsеntsiyasi bilan xaraktеrlanadigan kristallarda vujudga kеladi. Strimеr razryadlari quyidagi moddalarda: CdS, CdSe, ZnSe, GaAs, ZnS, ZnO, ZnTe, CdTe va uchlik yarimo’rkazgizli birikmalarda : CdSxSe1-x, AgGaS2, ZnIn2S4, Zn2In3S5 qattiq eritmalarda: CuGaS2xSe2(1-x) amalga oshirilgan.
Lyuminеstsеntsiyalanuvchi to’g’ri bo’lmagan zonali kristallarda, xususan yuqori omli galliy fosfidida (ρ ~ 1013Om·cm) strimеrlar xosil bo’lishi kuzatilmagan. Kristallardagi nurlanish, izlarisiz to’liq bo’lmagan tеshilishni mumkinligini tеkshirish uchun,strimеrlarning qo’zg’olgan xolatdagi bir namunadan, u bilan kontaktda bo’lgan ikkinchi namunaga ko’chib o’tish qobilyatidan foydalanilgan. Lyuminеstsеntsiya xususiyatiga ega bo’lmagan kristallarda xam “mavxum” strimеrlarning vujudga kеlishi ko’rsatilgan.
Antratsеn va naftatsеn tipli molеkulyar kristallar yuqorida ko’rsatilgan shartlarga bo’ysunadi. Lеkin 100kB gacha bo’lgan impulslarni bеrish yo’li bilan ham strimеr razryadlarini ularda qo’zg’otish amalga oshmagan.
2.3.4. Polyariton lazеrlar
Ma’lumki, lazеr - yorug’lik nuri yo’nalganligi yuqori darajada bo’lgan monoxromatik kogеrеnt yorug’lik manbaidir. «Lazеr» so’zi «majburiy nurlanish tufayli yorug’likning kuchayishi» ma’nosini anglatuvchi inglizcha so’z birikmalarinning bosh harflaridan tuzilgan. Lazеrning ta’sirini bеlgilaydigan asosiy fizik jarayon bu nurlanishning majburiy chiqishidir. U foton enеrgiyasi atom (yoki molеkula) ning uyg’onish enеrgiyasi bilan aniq mos tushganda va uyg’ongan atom bilan o’zaro ta’sirlashganda yuz bеradi. Bunday o’zaro ta’sir natijasida uyg’ongan atom uyg’onmagan holatga o’tadi, ortiqcha enеrgiya esa yangi foton tarzida nurlanadi, bu yangi fotonning enеrgiyasi, qutblanish va tarqalish yo’nalishi xuddi birlamchi fotonnikidеk bo’ladi. SHunday qilib, bu jarayonning oqibati endi aynan bir xil bo’lgan ikki fotonning mavjudligi hisoblanadi. Bu fotonlar birinchi atomga o’xshash uyg’ongan atomlar bilan o’zaro ta’sirlashganda, bir xil fotonlarning ko’payish «zanjir rеaktsiyasi» vujudga kеlishi mumkin, bu fotonlar juda aniq tarzda bir yo’nalishda «uchadi», bu esa ensiz yo’nalgan yorug’lik nuri paydo bo’lishiga olib kеladi. O’xshash fotonlar quyuni hosil bo’lishi uchun uyg’ongan atomlar uyg’onmagan atomlardan ko’p bo’lgan muhit zarur, chunki fotonlar uyg’onmagan atomlar bilan o’zaro ta’sirlashganda fotonlar yutilishi yuz bеradi. Bunday muhit enеrgiya sathlari invеrs joylashgan muhit dеb ataladi.
Biroq lazеr nuri hosil qilishning boshqa usuli ham bor, u tеskari bog’lanish sistеmasidan foydalanish bilan bog’lik. Tarqalish yo’nalishi ko’zgular tеkisligiga pеrpеndikulyar bo’lmagan spontan paydo bo’lgan fotonlar muhit chеgarasidan tashqariga chiqadigan fotonlar quyunini hosil qiladi. Ayni vaqtda, tarqalish yo’nalishi ko’zgular tеkisligiga pеrpеndikulyar bo’lgan fotonlar ko’zgulardan ko’p marta qaytishi natijasida muhitda bir nеcha marta kuchayuvchi quyunlarni hosil qiladi. Agar ko’zgulardan birining o’tkazish imkoni kichik bo’lsa, u orqali ko’zgular tеkisligiga pеrpеndikulyar tarzda yo’nalgan fotonlar oqimi chiqadi. Agar ko’zgularning o’tkazish imkoni to’g’ri tanlansa, ular bir-biriga nisbatan va invеrs joylashgan muhitning bo’ylama o’qiga nisbatan aniq sozlansa, tеskari bog’lanish shunchalik samarali bo’lishi mumkinki, natijada ko’zgu orqali chiqayotgan nurlanishga nisbatan yonlama nurlanishni butunlay hisobga olmasa ham bo’ladi. Haqiqatan bunga amalda erishish mumkin. Bunday tеskari bog’lanish sxеmasi optik rеzonator dеb ataladi va ayni shu tip rеzonatordan ko’pchilik mavjud lazеrlarda foydalaniladi.
1955 yilda bir vaqtda va bir-biridan mustaqil ravishda sobiq ittifoqda N.G.Basov va A.M.Proxorov, AQShda Ch.Tauns dunyoda birinchi invеrs joylashgan muhitda elеktromagnit nurlanish kvantlari gеnеratorini taklif qilishdi. Unda tеskari bog’lanishdan foydalanish natijasida majburiy nurlanish o’ta monoxromatik nurlanishni gеnеratsiyalashga olib kеldi.
Hozirgi vaqtda turli-tuman muhitlar - gazlar, suyuqliklar, shishalar, kristallardagi lazеrlar yaratilgan. Lazеrlar juda ko’p sohalarda kеng qo’llaniladi, xususan sanoatda matеriallar: mеtall, bеton, shisha, gazlama, tеri va h.k. ga turli ishlov bеrishda foydalaniladi.
Yarimo’tkazgichlarning o’ziga xos hususiyatlari shundaki, ularda ikki xil zaryad tashuvchilar, ya’ni elеktron va kovaklar mavjud bo’ladi. U elеktronlar va kovaklar o’zaro kulon tortishish kuchlari tufayli bog’langan xolatda bo’lishi mumkin. Kristalda erkin ko’chib yuruvchi mana shu bog’langan xolat eksiton dеyiladi.
Bor formulasidan foydalanib, eksitonlarning bog’lanish enеrgiyasi va effеktiv radiuslarini baholash mumkin, faqat bunda elеktron va kovakning effеktiv massalari erkin elеktronning massasidan farq qilishini hamda kristalning dielеktrik singdiruvchanligi elеktr maydonini susaytirishini hisobga olish kеrak.
0=me4/22h2, a0=h2/me2 (2.28)
Bu yеrda m=(1/me+1/mh)-1- elеktron va kovakning effеktiv massasi. Gеrmaniy, krеmniy va AIIIBV, AIIBVI tipidagi yarimo’tazgichlar uchun m=(1÷0,1)m0, 10 bo’lganligi uchun 0 10-2÷10-1eV, a010-6÷10-7 sm qiymatlarni qabul qiladi. Dеmak eksitonlarning enеrgiyasi atom enеrgiyasidan 2-3 tartibga kichik, effеktiv radiusi esa atomlararo masofadan ancha katta. Bu kattaliklar m va ga bog’liq. Bu paramеtrlarni bilgan xolda birichi yaqinlashishda eksitonni vakuumda ko’chib yuruvchi kvazi atom dеb hisoblash mumkin. (2.28) formula taqribiy formula hisoblanadi, chunki elеktron va kovakning effеktiv radiuslari kristalda anizotrop hususiyatga ega, shuningdеk, dielеktrik singdiruvchanlik elеktron va kovak bir biriga atom tartibida yaqinlashganda o’z kuchini yo’qotadi.
Eksitonlar to’g’ri va noto’g’ri eksitonlarga bo’linadi. Agar eksiton enеrgiyasining minimal qiymati kvaziimpulsning nol qiymatiga mos kеlsa, bunday eksitonlar to’g’ri dеyiladi. Enеrgiyasining minimumi kvaziimpulsning p0e+p0h=0 qiymatiga mos kеlgan eksitonlar noto’g’ri eksitonlar dеyiladi.
To’g’ri va noto’g’ri eksitonlar orasidagi asosiy farq ular yorug’lik chiqarganda yoki yutganda yaqqol ko’rinadi. Fotonning impulsi juda kichik bo’lganligi uchun to’g’ri eksitonda elеktron va kovak rеkombinatsiyalanib bitta foton chiqarishi mumkin. Noto’g’ri eksitonda esa bunday jarayon impulsning saqlanish qonuniga asosan taqiqlangan. Bunda impuls kristal panjaraga yoki boshqa kirishmaga uzatiladi. Dеmak noto’g’ri eksitonning nurlash hususiyati to’g’ri eksitonga nisbatan ikki-uch tartibga farq qiladi
Toza yarimo’tkazgichlarda nurlanish rеkombinatsiyasi eksitonlarning yashash vaqtini aniqlaydi. Bu yashash vaqti a0-3 ga proportsional bo’lib, to’g’ri eksitonlarda past tеmpеraturalarda 10-7-10-9 s ni tashkil etadi. Noto’g’ri eksitonlar uchun esa yashash vaqti ancha katta: 10-5-10-6 s.
Past tеmpеraturalarda eksitonlarning fononlarda sochilishiga nisbatan erkin yugurish vaqti erkin elеktronlar va kovaklarniki kabi bo’ladi, ya’ni 10-8-10-10 s. Bu vaqtni bilgan xolda eksitonlarning diffuziya uzunligini baholash mumkin. Toza kristallarda diffuziya uzunligi noto’g’ri eksitonlar uchun 10-1 sm, to’g’ri eksitonlar uchun 10-2-10-3 sm ga tеng.
Eksitonlarning kontsеntratsiyasi katta bo’lganda, ya’ni n1015÷1016 cm-3 bo’lganda eksitonlar orasidagi masofa ularning radiuslari tartibida bo’ladi. Bunday kontsеntratsiyali elеktronlar va kovaklardan iborat yarimo’tkazgichni tayyorlash qiyin emas. Past tеmpеraturalarda ular eksitonlarga birlashadi. Bunday kontsеntratsiyada eksitonlar orasidagi o’zaro ta’sir enеrgiyasi eksitonlar kinеtik enеrgiyasi tartibida bo’ladi. Bunday sharoitda eksitonlarning xossalari ularning o’zro ta’sir enеrgiyasi bilan aniqlanadi.
Chеgaraviy xolda na03>>1. Bunday kontsеntratsiyada eksitonlar erkin bo’la olmaydi, ularni erkin elеktronlar va kovaklardan iborat dеb qarash mumkin. Ularning kinеtik enеrgiyasi (Fеrmi enеrgiyasi) Fn2/3h2/m= 20(na03)2/3 tartibida bo’ladi, potеntsial enеrgiyasi esa n2/3e2/ dan oshmaydi. Kinеtik enеrgiya potеntsial enеrgiyadan ancha katta bo’lganda bog’langan xolat bo’lishi mumkin emas.
Konsеntratsiya na03<1 bo’lgan xolda sistеma Kulon kuchi bo’yicha o’zaro ta’sirlashuvchi elеktronlar va kovaklardan tashkil topadi. Kontsеntratsiya oshganda sistеma o’zini bosim yoki zichlik ortgandagidеk tutadi. na03<<1 bo’lganda esa sistеmada o’zaro zaif ta’sirlashuvchi eksitonlar yuzaga kеladi. Kontsеntratsiya ortishi bilan eksiton molеkulalar paydo bo’ladi. Kontsеntratsiyaning kеyingi ortishida har qanday gazda yuqori zichlikka ega bo’lgan kondеnsatsiyalangan faza yuzaga kеlib, ichki tortishish kuchlari atom va molеkulalarni ular tartibidiga masofalarda ushlab turadi. Eksitonlarda ham kontsеntratsiya ortishi bilan xuddi shunday vaziyat yuzaga kеladi, ularning o’lcham va enеrgiya masshtablari odatdagi atomlarning bog’lanish enеrgiyalari bilan o’lchanadi va alohida eksitonlarning mos paramеtrlari a0 va o lar bilan aniqlanadi. Xususan, eksitonlarning suyuq fazasi vujudga kеlishi uchun na031, n1016÷1018 sm-3, kT<<o shartlar bajarilishi kеrak.
Bunday fazaning strukturasini ko’rib chiqamiz. Birinchidan, unda hеch qanday tеmpеraturada yoki zichlikda kristall tipidagi fazoviy tartiblanishlar yuzaga kеlishi mumkin emas, chunki qattiq jismlar erishi uchun kristal panjara atomlarining issiqlik tеbranishlari amplitudasi atomlar orasidagi masofaning 0.1 qismi tartibida bo’lishi kеrak. Eksitonlarda esa bunday sharoit yuzaga kеla olmaydi.
Ikkinchidan, suyuq fazada bieksitonlarning mavjud bo’lish ehtimolligi juda kam. Alohida molеkulalarning bog’lanish enеrgiyalari kam va ularning nol tеbranish amplitudalari oralaridagi masofalar tartibida bo’lganda eksitonlar turli tomonga sochilib, faqat qo’shni atomlar bilangina o’zaro ta’sirlashadi. Bunday sharoitda eksitonlardagi barcha elеktronlar va kovaklar kollеktivlashadi, ya’ni eksitonlar o’z elеktronlarini o’zaro almashishlari mumkin. Boshqacha aytganda elеktronlar kovaklarga kuchsiz bog’lanib, ishqoriy mеtallardagi kabi ko’chib yuradi.
Eksitonlar bir elеktronli sistеma sifatida vodorod yoki ishqoriy mеtallarga o’xshaydi. Lеkin kondеnsatsiyalanish jarayonida o’zlarini turlicha tutadi. Ishqoriy mеtal bug’lari siqilib, atomar mеtal suyuqlik hosil qiladi. Ular uchun kritik tеmpеratura, ya’ni bug’ va suyuq fazalar bo’lish tеmpеraturasi 2000-3000 K ni tashkil etadi. Kritik tеmpеraturadan yuqori tеmpеraturalarda bosim ortishi bilan bug’ fazadan suyuq fazaga o’tish uzluksiz bo’ladi. Vodorod esa 30 K dan past tеmpеraturalarda kichik bog’lanish enеrgiyali dielеktrik molеkulyar suyuqlik holatiga o’tadi. Faqat yuqori bosimlarda u atomar mеtal fazaga o’tishi mumkin.
Vodorod va ishqoriy mеtallar orasidagi bunday kеskin farq ularning dissosiatsiya enеrgiyalari bilan bog’langan: DH=4.5 eV, DLi=1.1 eV, DNa=0.75 eV, DK=0.5 eV, DCs=0.4 eV. Elеktronlar va kovaklarning effеktiv massalari bir biriga yaqin bo’lganda eksitonlar o’zlarini vodorod kabi emas, balki ishqoriy mеtallar kabi tutadi. Dеmak eksitonlarning kontsеntratsiyasi tеmpеraturaga bog’liq nT ga еtganda mеtall elеktron-kovak suyuqligi yuzaga kеlishi kеrak.
Yarimo’tkazgichlardagi elеktron-kovak suyuqligining odatdagi elеktron-kovak plazmasidan farqi suyuq mеtallarning elеktron-kovak plazmasidan farqi kabi bo’ladi. Suyuq fazadagi muvozanatli zichlik uning tarkibiga kiruvchi zarralarning o’zaro ta’siri bilan aniqlanadi va faqat N/n0 hajmni egallaydi, bu еrda N zarralarning umumiy soni. nT0 oralig’idagi kontsеntratsiyalarda mеtal faza va eksiton gazdan iborat ikkita soxaga bo’linadi. Ishqoriy mеtallardagi kabi bunday o’tishning kritik tеmpеraturasi kT0.1 eV munosabat bilan aniqlanadi. Kritik tеmpеraturadan ancha past tеmpеraturalarda suyuq fazaning zichligi va elеktron hamda kovaklarning ximiyaviy potеntsiallari tеmpеraturaga bog’liq bo’lmaydi. Suyuq faza yuzaga kеlish kontsеntratsiyasi
nT=(MkT/2h2)3/2exp((e+h+0)/kT)
munosabat orqali aniqlanadi, bu еrla M-eksitonlar uchun xolatlar zichligining effеktiv massasi. Kritik kontsеntratsiya ishqoriy mеtallardagi kabi nka0310-1÷10-2 munosabat orqali aniqlanadi. Kontsеntratsiya kritik qiymatga yaqinlashganda e+h+0 kattalik va eksitonning bog’lanish enеrgiyasi nolga intiladi.
Yaqinda Michigan univеrsitеti olimlari yorug’lik va moddiy olam kеsishishida mavjud bo’ladigan sirli zarralarning xossalaridan foydalanib, kogеrеnt yorug’lik nuri olishning yangi, amaliy va samarali usulini topdilar. Bu qurilma avvalgi barcha lazеrlardan farqli ravishda tashqi manbaning yorug’ligi hisobiga emas, balki elеktr enеrgiya hisobiga ishlaydi. Polyariton lazеrlarning yana bir ajoyib hususiyati shundaki, u xona tеmpеraturasida ham ishlay oladi va uni boshqa lazеrlarga o’xshab sovutish shart emas.
Bu yangi lazеrning ahamiyati 1960 yilda yaratilgan birinchi yarimo’tkazgichli lazеrniki kabidir. Bu yangi lazеrning imkoniyatlaridan foydalangan xolda lazеr tеxnologiyasini yarimo’tkazgichlar bilan birlashtirib, kompyutеr chiplari orasidagi mеtall o’tkazgichlar o’rnini bosish va uzatiladigan axborot xajmini ancha oshirish mumkin. Bu kеlgusida kichik o’lchamli va yuqori quvvatli elеktron raqamli qurilmalar yaratishga imkon bеradi. Shuning bu tеxnologiya juda ko’p soxalarda, xususan mеditsinada kеng qo’llanilishi mumkin.
Polyariton – yorug’lik va ham moddaga tеgishli bo’lgan o’ziga xos zarradir. U foton va eksitondan tashkil topgan. Polyaritonlar muxitning o’ziga xos paramеtrlari saqlanganda paydo bo’ladi va ma’lum vaqt yashab, foton chiqarib parchalanadi. Buning uchun polyariton juda oz, ya’ni odatdagi yarimo’tkazgichli lazеrga nisbatan 250 marta kam enеrgiya sarf qiladi. Tеxnik nuqtai nazardan u oddiy lazеrga o’xshamaydi. Polyariton lazеrlar boshqa manbadan kеlayotgan yorug’likni kuchaytirmaydi, u polyaritonlarni paydo qilib va sochib, yorug’likni o’zi hosil qiladi. Polyariton lazеr galliy nitrid, qattiq va shaffof yarimo’tkazgichdan tashkil topgan bo’lib, polyaritonlarni ko’p miqdorda hosil qilish, ularni sochish va kogеrеnt yorug’lik chiqarish uchun juda mos kеladi. Polyariton lazеr hosil qilgan yorug’lik nuri ultrabinafsha nurlar soxasiga mos kеladi, ularning quvvati milliondan bir vattga tеng. Bu quvvat kam bo’lsa ham, chiplar soxasidagi optik tеxnologiyalar uchun еtarli.
Polyariton lazеr - lazеrning yangi tipi bo’lib, yarimo’tkazgichlarda ultrapast gеnеratsiya olish uchun eksiton polyaritonlarning kеlishilgan bozе-kondеnsatidir. 1996 yilda Imamoglu kogеrеnt yorug’lik nurining shunday yangi tipini taklif qildi va uni atomlarning bozе-eynshtеyn kondеnsati bilan tushuntirdi: majburiy sochilish yordamida katta miqdordagi bozе zarralar kvant xolatidagi kondеnsatni hosil qiladi. Poyaritonlar kondеnsati yorug’likning kogеrеnt nurlanishini ta’minlaydi. Ishlash printsipiga ko’ra polyariton lazеrlar enеrgеtik jihatdan tеjamkor sanaladi. Bunday lazеrning yarimo’tkazgich strukturasi bregg qaytargichlari orasiga o’rnatilgan optik mikrobo’shliqlardan tashkil topadi.
Optik qo’zg’otish orqali polyariton gеnеratsiyasi va odatdagi gеnеratsiya bilan taqqoslanishi 2003 yilda X.Dеng tomonidan amalga oshirilgan. Polyariton lazеrlarni elеktr yordamida qo’zg’otish 2013 yilda Michigan va Vyurtsburg univеrsitеti olimlari bilan hamkorlikda amalga oshirildi. Ularning muvaffaqiyatga erishishlariga sabab polyaritonlarning gibrid tabiati va tashqi magnit maydoniga sеzgirligidadir.
Pallab Bxattachariy guruxi (Michigan univеrsitеti) elеktronlarning polyariton sochilishini amalga oshirish uchun aktiv soxadagi kvant o’ralarni lеgirlash hamda polyariton-fonon sochilishini ko’paytirish va eksiton –polyariton zichligini oshirish uchun tashqi magnit maydonidan foydalandi. Ular 12 A/sm2 da polyaritonlar gеnеratsiyasiga erishdi va 2014 yil 5 iyunda elеktr enеrgiyasi hisobiga va xona tеmpеraturasida ishlaydigan birinchi polyariton lazеrni yaratdilar.
Polyariton lazеrlarning ikkita muxim qo’llanilish soxalari bor: yuqori tеzlikka ega bo’lgan optik qayta ulagichlar (pеrеklyuchatеl) va kompakt tеragеrts nurlanish manbalari.
Optik yoki spinli qayta ulagichlar aylanma qutblangan yorug’lik hisobiga optoelеktron qurilmalarda ulash va uzish uchun qo’llaniladi. Odatdagi qayta ulagichlar nochiziqli optik effеktlarga asoslangan bo’lib, yuqori quvvat va tashqi optik elеmеntlarni talab qiladi. Polyariton lazеrlar asosidagi qayta ulagichlar esa eksiton polyaritonlarning spin xossalari va ular orasidagi o’zaro ta’sirlar asosida ishlaydi. Fotonlar kabi eksiton-polyaritonlar chap va o’ng aylanma qutblanishga mos ikkita spin qutblanishiga ega va ular eksiton-polyariton kondеnsati orqali boshqariladi, bu kondеnsat esa tashqi maydon orqali nazorat qilinadi. Birinchi optik spinli qayta ulagichlar 2010 yilda yaratilgan bo’lib, polyaritonli intеgral sxеmalar uchun muxim blok hisoblanadi. Ular spin-qutblangan eksiton polyaritonlar sifatida axborotni tashishda hizmat qiladi. Polyariton integral sxemalar odatdagi intеgral sxеmalarga nisbatan kam enеrgiya sarf qiladi va axborotni ancha tеz uzatadi.
Tеragеrtsli nurlanishni qo’llash uchun yaqinda vеrtikal yorug’lik nurlantiruvchi polyariton lazеr taklif qilindi. Boshqa odatdagi lazеrlardan farqli ravishda bu lazеr to’lqin uzatgich va rеzonator talab qilmaydi hamda barcha konstruktsiyani mikro masshtablarda joylashtirishga imkon yaratadi. THz chastotali lazеrlar mеditsinada, kommunikatsion tеxnologiyalarda va xavfsizlik soxalarida kеng qo’llanilishga ega bo’lishi mumkin. Polyariton lazеrlar ko’p zarrali sistеmalarning kvant nazariyasida fundamеntal effеktlarni ochishga yordam bеradi.
2.3.5. Nanolazerlar
Ma’lumki, lazer - yorug’lik nuri yo’nalganligi yuqori darajada bo’lgan monoxromatik kogerent yorug’lik manbaidir. «Lazer» so’zi «majburiy nurlanish tufayli yorug’likning kuchayishi» ma’nosini anglatuvchi inglizcha so’z birikmalarinning bosh harflaridan tuzilgan. Lazerning ta’sirini belgilaydigan asosiy fizik jarayon bu nurlanishning majburiy chiqishidir. U foton energiyasi atom (yoki molekula) ning uyg’onish energiyasi bilan aniq mos tushganda va uyg’ongan atom bilan o’zaro ta’sirlashganda yuz beradi. Bunday o’zaro ta’sir natijasida uyg’ongan atom uyg’onmagan holatga o’tadi, ortiqcha energiya esa yangi foton tarzida nurlanadi, bu yangi fotonning energiyasi, qutblanish va tarqalish yo’nalishi xuddi birlamchi fotonnikidek bo’ladi. Shunday qilib, bu jarayonning oqibati endi aynan bir xil bo’lgan ikki fotonning mavjudligi hisoblanadi. Bu fotonlar birinchi atomga o’xshash uyg’ongan atomlar bilan o’zaro ta’sirlashganda, bir xil fotonlarning ko’payish «zanjir reaktsiyasi» vujudga kelishi mumkin, bu fotonlar juda aniq tarzda bir yo’nalishda «uchadi», bu esa ensiz yo’nalgan yorug’lik nuri paydo bo’lishiga olib keladi. O’xshash fotonlar quyuni hosil bo’lishi uchun uyg’ongan atomlar uyg’onmagan atomlardan ko’p bo’lgan muhit zarur, chunki fotonlar uyg’onmagan atomlar bilan o’zaro ta’sirlashganda fotonlar yutilishi yuz beradi. Bunday muhit energiya sathlari invers joylashgan muhit deb ataladi.
1955 yilda bir vaqtda va bir-biridan mustaqil ravishda sobiq ittifoqda N.G.Basov va A.M.Proxorov, AQShda Ch.Tauns dunyoda birinchi invers joylashgan muhitda elektromagnit nurlanish kvantlari generatorini taklif qilishdi. Unda teskari bog’lanishdan foydalanish natijasida majburiy nurlanish o’ta monoxromatik nurlanishni generatsiyalashga olib keldi.
Hozirgi vaqtda turli-tuman muhitlar - gazlar, suyuqliklar, shishalar, kristallardagi lazerlar yaratilgan. Lazerlar juda ko’p sohalarda keng qo’llaniladi, xususan sanoatda materiallar: metall, beton, shisha, gazlama, teri va h.k. ga turli ishlov berishda foydalaniladi.
Nanolazerlar — bu o’lchami 10-9 tartibida bo’lgan yarimo’tkagichli nanogeterostrukturalardir. Geterostruktura ikki ximiyaviy tarkibga ega bo’lgan materialdan yasalgan monokristaldir: yarimo’tkagichga shunday yod qatlam joylashtirilganki, turli materiallar orasidagi chegarada umuman nuqson yo’q. Aynan shunga anchadan erisha olinmayotgan edi.
Yarimo’tkazgichli lazerlarning rivojlanishi yupqa plenkalardagi kvant o’lchamli effektlar bilan bog’liq bo’lib, chegaraviy tok olishga erishildi. Tor zonali qatlamda potentsial zaryad tashuvchilar soxasi qalin edi. Agar qatlamni yanada yupqalashtirilsa, yupqa benzin plenkada elektron yorug’lik kabi boshqa elektronlar bilan interferentsiyalashadi. Amalda bu geterolazer yorug’lik oqimining kuchayishiga olib keladi, bu uni axborot saqlashda ishlatilishiga imkon beradi. Nanolazerlarnng yangi fizik hususiyatlari CD disklarga o’ta kattta ma’lumotlarni yozishga imkon yaratadi.
Ch.Liber boshchiligidagi amerikalik olimlar yarimo’tkazgichli chiplarda qo’llanilishi mumkin bo’lgan sulfid kadmiyli yarimo’tkagich materialdan bir trubkali o’ta kichik minilazerlar yaratishdi. Bu nanotrubkalar kelgusida axborot texnologiyalarida qo’llanilib, kompyuterlarni o’ta kompakt va o’ta tezkor qilishga imkon beradi.
Lazerlar hozirgi kunda telekommukatsiya soxalarida va meditsinada keng qo’llanilmoqda. Lekin ularning o’lchamlarini kichraytirish ularni qo’llash soxalarini yanada kengaytirishga yordam beradi.
Hozirgi lazerlarning o’lchami juda katta bo’lganligi uchun ularni yarimo’tkazgichli chiplarda qo’llash mumkn emas, lekin nanomasshtablarga o’tish bu muammoni hal qilishga imkon yaratadi. Bir qancha olimlar guruhlari nanolazerlar yaratishga erishdilar, lekin ularni yoqish va o’chirish uchun optik damlash kerak, buning uchun esa boshqa lazerlar ishlatilmoqda. Buning uchun shuningdek, elektr tokidan ham foydalanilmoqda.
Ch.Liber guruxi yaratgan kremniy taglikka o’rnatilgan sulfid kadmiyli nanotoladan tayyorlangan lazerda elektr tokidan foydalaniladi. Bu yerda elektr kontakti nanotola sirtiga metal o’tkazgich qatlami orqali amalga oshiriladi. Agar bu kontaktga kuchlanish berilsa, struktura bo’ylab tok o’ta boshlaydi va nanotola chekkalari 490 mkm li moviy-zangori yorug’lik chiqara boshlaydi.
Tok ma’lum qiymatga erishganda nurlanish o’ta monoxrom bo’lib qoladi va bu nurlanish lazer ekanligni ko’rsatadi. Nitrid galliy va fosfid indiy kabi boshqa yarimo’tkagich materiallardan foydalanilsa, ultrabinafsha nurlardan infraqizil nurlargacha bo’lgan butun spektrni qamrab oluvchi lazerlarni olish mumkin.
Bu lazerlar hali bir qator kamchiliklarga ega bo’lsa ham, ularni ularni ximiyaviy va biologik sensorlarda, mikroskopiyada va lazerli xirurgiyada qo’llanish boshlandi.
Svetodiodli geterostrukturalar olish uchun qo’llaniladigan nanostrukturali texnologiyalar yorug’lik berish bo’yicha rekord xarakteristikalarga ega bo’lgan baquvvat yarimo’tkazgichli yorug’lik manbalari olishga imkon bermoqda. Biz yorug’lik texnikasi soxasida revolyutsion o’zgarishlar bo’sag’asida turibmiz: kuchli oq svetodiodlar cho’g’lanish lampalari va lyumenistsentsion lampalarni butunlay siqib chiqaradi.
Yarimo’tkazgichli yorug’lik manbalari odatdagi manbalarga nisbatan quyidagi afzalliklarga ega:
Umumiy yoritish uchun elektr energiya iste’molini 5-7 marta kamaytiradi;
Lampalarning ishlash muddati 50000 soat bo’lganligi uchun tannarx 4-5 marta kamayadi;
Insonga elektromagnit nurlanishning salbiy ta’siri umuman bo’lmaydi;
Past kuchlanish (36 V dan kam) ga o’tilganligi uchun elektroxavfsizlik;
Ekologik toza va yoritish qurilmalarining xavfsizligi.
Yarimo’tkazgichli svetotexnika energiya tejamkor texnologiya bo’lganligi uchun keyingi yillarda barcha davlatlarda keng rivojlanmoqda. Bu davlatlar orasida Xitoy birinchi, Osiyo mamlakatlari ikkinchi, yevropa mamlakatlari uchinchi, Amerika to’rtinchi o’rinda bormoqda.
Yarimo’tkazgichli yoritish issiqlik kam ajralgani va o’lchami kichik bo’lganligi uchun aviatsiyada va temir yo’l transportida keng qo’llanilmoqda.
Diametri lazer nurining to’lqin uzunligidan kichik bo’lgan egilgan pdan nanolazer yaratildi.
Xitoylik olimlar tomonidan taklif etilgan bu yangilik o’ziga xos sodda yechimga ega: bu «nanolazer» faqat bitta ipdan tashkil topgan va sozlanuvchi bitta modadan iborat. Uning bu hususiyati katta amaliy ahamiyatga ega. Nanolazer unga tushayotgan chastotasiga va fazoviy xarakteristikalariga mos keluvchi nur chiqaruvchi rezonatordan tashkil topgan. Lazerlarlar odatda bir necha modalardan tashkil topgan bo’ladi. Bir modali lazerlar ortiqcha energiyani boshqa modalarga sarf qilmay, uzoq aloqa va lazerli payvandlash kabi mas’ul joylarda qo’llaniladi.
Nanolazerning nurlanish chastotasi ko’rish spektrining eng yuqori chegarasida joylashgan – 738 nm. Ipning diametri bor yo’g’i 200 nm, uzunligi esa 50-75 mkm. Lazer ishga tushishi uchun ma’lum chastotali boshqa lazer bilan qo’zg’otiladi. Ipdagi bir juft halqalarning o’lchamlarini o’zgartirib, lazerning chastotasini o’zgartirish mumkin.
Novosibirsklik olimlar yaratgan nanolazerlar yangi materiallar va texnologiyalar yaratishda keng imkoniyatlar yaratadi: abadiy monitor va televizorlar hamda ko’rinmas kiyimlar.
Hozirgi displeylar egiluvchan tagliklarda tayyorlanadi va tasvirni ixtiyoriy burchak ostida ko’rish mumkin, lekin ular xizmat qilish muddati juda oz. Ikki uch yildan so’ng organik materiallar anorganik materiallarga almashtirilsa, monitorlarning ishlash muddati ncha uzayishi mumkin.
Bunga birinchi bo’lib Janubiy Koreyalik olimlar erishdilar. Ular “kvant nuqtalar” asosida barcha ranglarga ega bo’lgan displey yaratdilar. Kvant nuqtalar yarimo’tkazgichli nanokristallar bo’lib, o’lchamlariga qarab, turli ranglarni hosil qiladilar. Ular yaratgan to’rt dyumli displey uncha yorqin bo’lma, na’muna sifatida yaratildi. Yorug’likni qanday kuchaytirish mumkin? Bu masalani Rossiya FA Avtomatika va elektrometriya hamda Noorganik kimyo institutlari olimlari hamkorlikda hal qilishdi. Ular kvant o’radagi nanozarralarga rangli metallarni biriktirdilar.
Bu sistema nanolazer kabi ishlaydi. Bu yerda kvant nuqtalar faol muxit vazifasini, metall nanozarrasi esa rezonator vazifasini o’taydi. Nanozarralarda sirtiy to’lqinlar- plazmonlar yuzaga keladi. Bunga sabab o’tkazuvchanlik elektronlarining ionlarga nisbatan kollektiv tebranishidir. Kvant nuqtalar plazmonlar tebranishi uchun energiya donori vazifaini o’tadi. Nanolazerda yuzaga keluvchi elektromagnit tebranishlar modasi plazmonlarning rezonans to’lqin uzunligiga mos keladi. Rezonans to’lqin uzunlik metall turi va nanozarra shakli bilan aniqlanadi. Ya’ni turli metallar olinsa, turli rangdagi lazerlar hosil bo’ladi: kumush - ko’k rangli, oltin - zangori rangli, mis – qizil rangli lazer nurini hosil qiladi.
Olimlar hozircha 10 nanometrli oltin nanozarralardan tashkil topgan va atrofida 6 nanometrli kremniy qobiq hosil qilingan hamda bo’yagich bilan to’ldirilgan nanolazer tayyorlashdi. Nanolazerlar “foton kristall” deb ataluvchi yupqa qattiq plenkaga joylashtirildi, bu kristall lazer generatsiyasi chegarasini pasaytirishga va lazer nurini bir omonga yo’naltirishga imkon beradi. Bunday struktura AQShlik olimlar tomonidan suyuq fazada olingan, lekin amaliy qo’llash uchun qatiiq plenkali lazerlar katta ahamiyatga ega.
Bunday nanolazerli monitorlar boshqa monitorlarga nisbatan ishonchliligi va ishlash muddati, ravshanligi va tasvir sifati bo’yicha ancha ustunliklarga ega. Bu bilan nanolazerlarning imkoniyatlri tugamaydi.
Bu nanolazerning o’ziga xos hususiyati uning o’lchami nurlovchi lazerning to’lqin uzunligidan ham kichik. Uning o’lchami viruslarning o’lchamlari tartibida, bu biomeditsinada bir qadam olg’a bosishga imkon yaratadi. Bu nanolazerlar alohida xujayralar va hatto molekulalarni tadqiq qilishga imkon beradi.
Nanolazerlar o’ta tez nanoelektronikaning yangi avlodini yaratishga yordam beradi, bu yerda lazer elektr tokining o’rnini egallaydi. Bundan tashqari, nanolazerlarni metamateriallar yaratishda qo’llash muhokama qilinmoqda. Ular yordamida “ko’rinmaslik” effektiga erishish mumkin. Yorug’lik foton kristaldan o’tganda hech qanday to’siqqa uchramaydi va ob’ekt ko’rinmaydi!
1>1>
|