Лазерлердің генерациясы

Лазерлердің генерациясы
Лазерлердің генерациясын Эйнштейн 1916 жылы «өздігінен және ынталандырылған сәулелену» теориясымен ұсынды. Бұл теория қазіргі заманғы лазерлік жүйелердің физикалық негізін құрайды. Фотондар мен атомдар арасындағы өзара әрекеттесу үш өтпелі процеске әкелуі мүмкін: ынталандырылған жұтылу, өздігінен сәулелену және ынталандырылған сәулелену. Ынталандырылған сәулелену тұрақты және тұрақты болғанша, лазерлерді алуға болады. Сондықтан арнайы құрылғыларды - лазерлерді - жасау керек. Лазердің құрамы әдетте үш негізгі бөліктен тұрады: жұмысшы зат, қоздыру құрылғысы және оптикалық резонатор.

1. Жұмыс заты

Лазердегі лазерлік жарық шығара алатын зат жұмысшы зат деп аталады. Қалыпты жағдайда әрбір энергия деңгейіндегі заттағы атомдық сандардың таралуы қалыпты таралу болып табылады. Төменгі энергия деңгейіндегі атомдар саны әрқашан жоғары энергия деңгейіндегіден көп болады. Сондықтан, жарық люминесцентті заттың қалыпты күйінен өткенде, жұтылу процесі басым болады және жарық әрқашан әлсірейді. Жарық люминесцентті заттан өткеннен кейін күшейіп, жарықтың күшеюіне қол жеткізу үшін ынталандырылған сәулеленуді басым ету қажет. Жоғары энергия деңгейіндегі атомдар санын төменгі энергия деңгейіндегіден көп ету үшін бұл таралу қалыпты таралуға қарама-қарсы және бөлшектер санының инверсиясы деп аталады.
2. Қоздыру құрылғысы
Қоздыру құрылғысының қызметі - төменгі энергия деңгейіндегі атомдарды жоғары энергия деңгейіне қоздыру, бұл жұмыс затының бөлшектер санының инверсиясына қол жеткізуіне мүмкіндік береді. Заттың энергия деңгейлеріне негізгі күй және қозған күй, сондай-ақ метастабильді күй кіреді. Метастабильді күй негізгі күйге қарағанда онша тұрақты емес, бірақ қозған күйге қарағанда әлдеқайда тұрақты. Салыстырмалы түрде айтқанда, атомдар метастабильді күйде ұзақ уақыт бойы бола алады. Мысалы, лағылдағы хром иондарының (Cr3+) өмір сүру ұзақтығы 10-3 секунд болатын метастабильді күйі бар. Жұмыс затын қоздырып, бөлшектер санының инверсиясына жеткеннен кейін, бастапқыда, өздігінен сәулеленуден шығарылған фотондардың таралу бағыттарының әртүрлі болуына байланысты, ынталандырылған сәулелену фотондарының да таралу бағыттары әртүрлі болады және шығыс пен жұтылу кезінде көптеген шығындар болады; тұрақты лазер шығысын жасау мүмкін емес. Ынталандырылған сәулеленудің жұмыс затының шектеулі көлемінде өмір сүруін жалғастыру үшін жарықты таңдау және күшейту үшін оптикалық резонатор қажет.
3. Оптикалық резонатор
Бұл жұмыс затының екі ұшына, негізгі осіне перпендикуляр орнатылған өзара параллель шағылыстыратын айна жұбы. Бір ұшы толық шағылыстыратын айна (шағылысу жылдамдығы 100%), ал екінші ұшы жартылай мөлдір және жартылай шағылыстыратын айна (шағылысу жылдамдығы 90%-дан 99%-ға дейін).
Резонатордың функциялары: 1) оптикалық күшейтуді генерациялау және сақтау; 2) шығыс жарықтың бағытын таңдау; 3) шығыс жарықтың толқын ұзындығын таңдау. Белгілі бір жұмыс істейтін зат үшін әртүрлі факторларға байланысты шығарылатын жарықтың нақты толқын ұзындығы бірегей емес және спектрдің белгілі бір ені бар. Резонатор лазердің монохроматикалықтығын жақсарта отырып, жиілікті таңдау рөлін атқара алады.