Mavzuning dolzarbligi - Mirzo ulug‘bek nomidagi o‘zbekiston milliy universiteti

Mavzuning dolzarbligi: Lazer fizikasi fanida kvant kuchaytirgichlar haqida qolavers optika, kvant fizikasi, kvant elektronikasi radioelektronika, radiofizika fanlari integratsiyasi natijasida paydo bо‘lgan. Hozirgi kunda ishlab chiqarishni va amaliy hayotimizni optik kvant generatori (OKG), ya’ni lazerlarsiz yoki lazerli texnologiyalarsiz tasavvur qilish qiyin. Hozirgi kunda kvant kuchaytirgichlar haqida talabalarga ko`plab ma`lumot berilmoqda.
Mavzuning maqsadi: kvant effektlari asosidagi jarayonlar yordamida faol (aktiv) muhitda kogerent nurlanish olish tushunchasini hosil qilishdan iborat
Mavzuning vazifasi: diskret energetik sathlar, termodinamik muvozanatda va muvozanatda bо‘lmagan holatlar orasidagi о‘tish ehtimoliyatlarini о‘rgatishdan iborat. Bundan tashqari termodinamik muvozanatda bо‘lmagan faol muhitlarni hosil qilish usullarini, ularda tarqalayotgan nurlanishni kuchayish jarayonini fizik mohiyatini tushuntirishdan iboratdir. Xuddi shunday teskari bog‘lanishli optik sistemalarni yaratishni о‘rganish kabi vazifalarni о‘z ichiga oladi
Lazer fizikasi haqida ma`lumot.
Lazer fizikasi fani fizikani boshqa bо‘limlari bilan juda uzviy aloqaga ega, chunki lazerlarning yaratilish tarixi optika, termodinamika, radiofizika fanlarining rivojlanish natijasidir. Biz bilamizki, lazer uchta asosiy g‘oyaga asoslanib yaratilgan:
1-g‘oya. Majburiy nurlanish, Eynshteyn, optika
2-g‘oya. Notermodinamik muvozanatdagi holat tushunchasi, Fabrikant, termodinamika.
3-g‘oya. Musbat teskari bog‘lanishli sistema. Bu radiofizikaga tegishli.
Lazer fizikasini chuqur о‘rganish ijtimoiy hayotimizda juda foydalidir, chunki hozirgi kunda ishlab chiqarishning barcha sohalarida yengil va og‘ir sanoatda, geologiyada xullas barcha sohalarda lazerlar keng ishlatiladi. Buni biz lazerli texnologiya mavzusida kо‘rib о‘tishimiz mumkin.
Spektrning optik qismida ishlatiladigan yorug’lik manbalarining nurlanishi kogerent bo’lmaydi, masalan, manbaning butun nurlanishi uning atomlari, molekulalari, ionlari, erkin elektronlari kabi mikroskopik elementlari chiqarayotgan va o’zaro kogerent bo’lmagan oqimlardan tashkil topgan bo’ladi. Gaz razryadining yorug’lanishi, su’niy va tabiiy manbalarning issiqlik nurlanishi, turli usulda uyg’otilgan lyuminessensiya kogerent bo’lmagan nurlanishga misol bo’la oladi. Lazerlarning yaratilishi insoniyat ilmiy-texnik taraqqiyotining ulkan yutuqlaridan biri desa bo’ladi. Lazerlar yaratilishining boshlanishi 1916-yilga borib taqaladi. O’sha yili buyuk fizik olim A.Eynshteyn birinchi bo’lib, majburiy nurlanish tushunchasini kiritdi va nazariy yo’l bilan majburiy nurlanish uni majburlovchi nurlanishga kogerentligini (mosligini) ko’rsatadi. 1930-yilda P.Dirak o’zi tomonidan yaratilgan nurlanishning kvantomexanik nazariyasi asosida majburiy nurlanish va uning kogerentlik xususiyatlarini chuqurroq va aniqroq tahlil qilib, tushuntirib berdi. Lekin bu lazerning yaratilishi uchun yetarli emas edi. 1930-yildan boshlab optik spektroskopiya sohasida ko’plab ilmiy-tadqiqot ishlari boshlanib ketdi. Bu izlanishlar natijasida atomlar, molekulalar, ionlarning energetik sathlari haqida ko’plab ma’lumotlar olindi va keyinchalik turli lazerlarning yaratilishida ishlatildi. Bu ishlarga S.E.Frish va V.A.Fabrikant kabi Rossiya olimlari ham o’z hissalarini qo’shishdi. 1939-yilda V.A.Fabrikant birinchi bo’lib, yorug’lik nurining majburiy nurlanish hisobiga kuchayishining imkoniyati borligini aytdi. 1951-yilning yozida, u o’zining xodimlari bilan majburiy nurlanish yordamida elektromagnit nurlanishni (ultrabinafsha, ko’rinuvchi, infraqizil va radioto’lqinlar sohasida) kuchaytirish uslubi uchun avtorlik guvoxnomasini olishga taklif berishgan. Bu takliflarida lazerlarning faol muhitini yaratishning asosiy g’oyalari bayon etilgan edi. Lekin optik kuchaytirish g’oyalaridan tashqari, uni amalda bajarish va nihoyat kogerent nurlarning hosil qilish uchun o’ziga xos teskari bog’lanishli optik rezonator bo’lishi kerak edi. Kvant elektronikasi yoki lazerlar fizikasining rivojlanishida radiofizikanig bo’limi bo’lgan radiospektroskopiya muhim omil bo’ldi. Uning keskin rivojlanishi 1940-yillardan boshlanib, ilmiy izlanishlar yo’nalishi atom va molekula spektroskopiyasidan tashqari vaqt va chastotaning, ya’ni o’ta yuqori chastota (O’YUCH) standartlarini yaratilishga bag’ishlangan edi. Bu ilmiy izlanishlar natijasida 1950-yillarning boshlarida bir-birlaridan mustaqil ravishda N.G.Basov, A.M.Proxorov (FIAN, Rossiya) va Ch.Tauns (AQSH, Kolumbiya universiteti) tomonidan majburiy nurlanish g’oyalaridan amalda foydalanib, ammiak molekulasida ishlovchi molekulyar kuchaytirgich va generator (Mazer) yaratild Aktiv element lazer nuri hosil qilinadigan va kuchayadigan joy hisoblanadi. Bunday element sifatida har xil muhitlar (jismlar) ishlatilishi mumkin: gazlar va gazlar aralashmasi, har xil ionlar kiritilgan kristallar va shishalar, suyuqliklar va yarim o‘tkazgichlar. Aktiv element tarkibiga kiritilgan ionlar “aktiv markaz” deb ataladi va lazer nuri ana shu markazlarning (ionlarning) lazerning optik o‘qiga parallel ravishda nur chiqarishi natijasida hosil bo‘ladi. Yarim o‘tkazgichli lazerlarda esa aktiv markaz rolini elektron-teshik juftliklari o‘ynaydilar.
Damlash sistemasi aktiv markazlarni qo‘zg‘atish uchun ishlatiladi. Qo‘zg‘atish uslubi aktiv muhitning qandayligiga qarab turlicha bo‘lishi mumkin. Gazli lazerlarda gaz (yoki gazlar aralashmasi) orqali tok o‘tkazib, gaz plazmasi hosil qilinadi va aktiv markazlar zarrachalarning o‘zaro to‘qnashuvi natijasida qo‘zg‘atiladi. Aktiv elementi qattiq jism bo‘lgan lazerlarda shu element katta quvvatli nur chiqaruvchi lampa (yoki chaqmoq lampa) yordamida yoritiladi. Yarimo‘tkazgichli lazerlarda “p-n o‘tish” orqali tok o‘tkazib, elektron–teshiklar injeksiya qilinadi. Ba’zan aktiv elementni qo‘zg‘atish uchun kimyoviy reaksiyalar va elektron dastalari xam ishlatilishi mumkin. Optik rezonator ikki yassi, biri yassi va ikkinchi sferik yoki ikkalasi sferik ko‘zgulardan iborat bo‘lishi mumkin. Odatda ko‘zgulardan birining nuri qaytarish koeffitsiyenti 100 % qilib olinadi, ikkinchi ko‘zgu qisman o‘tkazadigan bo‘ladi. Ba’zi bir kuchaytirish koeffitsiyenti katta bo‘lgan lazerlarda ikkinchi ko‘zgu oddiy shaffof yassi - parallel shisha plastinka ko‘rinishida ham bo‘lishi mumkin.
Optik rezonator ichiga qo‘shimcha elementlarni (plastinka, prizma va h.k..) o‘rnatish mumkin va ular har xil vazifalarni bajaradi. Masalan, lazer nurini modulyatsiya qilish, yorug‘lik spektrini toraytirish, lazerni kerakli rejimda ishlatish va h.k.
Lazer texnologiyasi jarayonlarini shartli ravishda ikki turga bo’lish mumkin. Ularni birinchisida lazer nurini o’ta aniq fokuslash va impulsli rejimda ham, uzluksiz rejimda ham energiyani aniq dozalash imkoniyatidan foydalaniladi. Bunday texnologik jarayonlarda o’rtacha quvvati uncha yuqori bo’lmagan lazerlar: impuls-davriy ishlaydigan gaz lazerlari, neodim kirishmali itiriy-alyuminiy granat kristallaridagi lazerlar qo’llaniladi. Keyingi lazerlar yordamida soatsozlik sanoati uchun yoqut va olmos toshlarda mayda (diametri 1-10 mkm va chuqurligi 10-100 mkm gacha) teshiklar parmalash texnologiyasi va ingichka sim tortish uchun filerlar texnologiyasi ishlab chiqilgan. Kichik quvvatli impuls lazerlar qo’llanadigan asosiy soha mikroelektronika va elektrovakuum sanoatida mitti detallarni kesish va payvandlash, mitti detallarga markalar tushirish bilan bog’liq; poligrafiya sanoati ehtiyojlari uchun raqamlar, harflar, tasvirlar avtomatik tarzda kuydirib tayyorlanadi.
Yuqorida aytilganlarni majburiy chiqarish nurlanishni uning boshqa xarakteristikalarini o’zgartirmay kuchaytiradi, majburiy yutish esa susaytiradi degan fikrning boshqacha shaklda aytilgani deb hisoblash mumkin. Lekin optik kvant generatorlari nurlanishning xususiyatlarini tushunish uchun tushayotgan to’lqin bilan majburiy o’tishlar natijasida chiqarilayotgan «ikkilamchi» to’lqinlarning kogerentligi to’g’risidagi tasavvurlarga asoslansak manbadan ma’lum bir yo’nalishda tarqaluvchi quvvatli nurlanish olish uchun zarur bo’lgan fazoviy sinfazlik shartini majburiy chiqarish jarayonida amalga oshirish mumkinligi ko’rinadi. Haqiqatdan ham, fazoning har xil nuqtalarida joylashgan atomlar chiqarayotgan to’lqinlarning boshlang’ich fazalari mos yo’l farqini kompensatsiyalaydigan bo’lsa, bunday to’lqinlar kuzatish nuqtasida sinfazali ravishda qo’shiladi.
Yuqorida muhokama qilingan va majburiy o’tishlar bilan bog’langan kogerent nur chiqarishdan tashqari, muhit atomlari spontan o’tishlarda ham qatnashib, natijada bir-biri bilan hamda tashqi maydon bilan kogerent bo’lmagan to’lqinlar chiqarilishini yoddan chiqarmaslik kerak. Shunday qilib, aktiv muhitning nurlanishi har doim kogerent va kogerent bo’lmagan qismlarning aralashmasidan iborat bo’lib, ular o’rtasidagi munosabat, xususan, tashqi maydonning intensivligiga bog’liq bo’ladi. Oxirgi holni tushuntirish oson, chunki majburiy chiqarish jarayonida qatnashgan atomlar uyg’onish energiyasidan mahrum bo’ladi va demak , spontan ravishda nurlantira olmaydi. Yuqoridagini batafsil analiz qilish majburiy o’tishlar ta’sirida kogerent bo’lmagan spontan nurlanishning to’liq intensivligigina emas, balki uning spektral tarkibi ham o’zgarishini ko’rsatadi. Elektromagnit to‘lqinining intensivligiga ikki xil ta’rif berish mumkin:
1. Intensivlik – bu birlik yuzadan birlik vaqt ichida o‘tayotgan elektromagnit maydon to‘lqin energiyasidir. Bu ta’rif bo‘yicha intensivlik 𝐼=𝑐𝜌(𝜔), 𝜌(𝜔) - elektromagnit energiyasi zichligi.
2. Intensivlik–bu vaqt birligi ichida birlik yuzadan o‘tuvchi va chastotalari 𝜔 va 𝜔+𝑑𝜔 intervalda joylashgan kvantlar soni. Bu ta’rif bo‘yicha intensivlik quyidagiga teng:(1.7)
Aktiv muhitda tarqalayotgan to‘lqin intensivligi quyidagicha o‘zgaradi: 𝑑𝐼=𝐺𝐼𝑑𝑧. Bu yerda, 𝑑𝐼 intensivlikning 𝑑𝑧 qatlamda o‘zgarishi, 𝐺 - uchaytirish koeffitsiyenti. Balans tenglamasini yozib, 𝐺 ni topamiz. 𝑍 o‘qi bo‘yicha tarqalayotgan to‘lqin intensivligining rezonans yutilish tufayli o‘zgarishi quyidagicha ifodalanadi (birinchi ta’rif bo‘yicha):
Lazerning optik rezonatori lazerdan chikayotgan nurlanishning kollimatsiyasini (yо‘nalganligini) ta’minlashi haqida aytib о‘tilgan edi. Yoqut sterjenlardan foydalantanda nurlantirilayotgan yorug‘lik konusining ochilish burchagining difraksion chegarasiga erishish qiyin bо‘lsa ham yorug‘lik dastasi bir necha minutdan (burchak minutlaridan) oshmaydigan darajada yoyiluvchan dasta bо‘ladi. Demak, lazerdan bir kilometr uzoqlikda joylashgan ekranga tushirilgan yorug‘lik dastasi kо‘ndalang kesimining dia- metri hech qanday fokuslovchi optik sistemadan foydalanmaganda ham bir metrga yaqin bо‘ladi.
Nurlanishning lazer berayotgan yorug‘lik dastasining kо‘ndalang kesimida dastaning yoyiluvchanligiga uzviy bog‘liq bо‘lgan fazoviy kogerentligini ta’kidlash zarur Agar lazer yorug‘ligi dastasining yо‘liga noshaffof ekranda kesilgan ikki tor parallel tirqishlar tutilsa, ya’ni Yungning interferensiyani kuzatishga bag‘ishlangan tajribasi birinchi kirish tirqishisiz amalga oshirilsa, bu tirqishlar orqasiga qо‘yilgan ekranda polosalari aniq-aniq kо‘rinadi..
|