ლაზერები ან ოპტიკურ ქვანტური გენერატორი კოჰერენტული გამოსხივების თანამედროვე ხელსაწყოა, რომელსაც მთელი რიგი უნიკალური თვისებები აქვს. ლაზერის შექმნა XX საუკუნის მეორე ნახევრის ფიზიკის მიღწევაა, რომელმაც ნეცნიერებისა და ტექნიკის ბევრი დარგი რევოლუციურ ცვლილება გამოიწვია. დღეისთვის შექმნილია ლაზერების დიდი რაოდენობა - აირის, მყარსხეულოვანი, ნახევარგამტარული, რომლებსაც სხვადსხვა მახასიათებლები აქვთ და სხვადასხვა ოპტიკურ დიაპაზონში ასხივებენ. ლაზერებს შეუძლიათ მუშაობა იმპულსურ და უწყვეტ რეჟიმში. ლაზერების გამოსხივების სიმძლავრე შეიძლება იცვლებოდეს მილივატის ნაწილიდან 1012–1013 ვტ-მდე (იმპულსურ რეჟიმში). ლაზერები ფართოდ გამოიყენება სამხედრო ტექნიკაში, მასალების დამუშავების ტექნოლოგიებში, მედიცინაში, ნავიგაციის ოპტიკურ სისტემენში, კავშირგაბმულობასა და ლოკაციაში, პრეციზიულ ინტერფერენციულ ექსპერიმენტებში, ქიმიაში, უბრალოდ ყოფაცხოვრებაში და სხვა. მიუხედავად იმისა, რომ პირველი ოპტიკურ ქვანტური გენერატორი არც ისე დიდი ხნის წინ შიქმნა (1960 წ.), თანამედროვე ცხოვრება ლაზერების გარეშე წარმოუდგენელია.
ლაზერული გამოსხივების ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი თვისებაა მისი მონოქრომატულობის განსაკუთრებულად დიდი ხარისხი, რომელიც სხვა წყაროების საშუალებით მიუღწეველია. ლაზერული გამოსხივების ეს და სხვა უნიკალური თვისებები იქმნება მუშა ნივთიერების მრავალი ატომის მიერ სინათლის ქვანტების კოოპერატიული ამოფრქვევით.
ლაზერის მუშაობის პრინციპის გასაგებად უფრო ყურადღებით უნდა იქნეს შესწავლილი ატომების მიერ სინათლის ქვანტების შთანთქმისა და გამოსხივების პროცესები. ატომები შეიძლება იმყოფებოდნენ განსხვაბებულ მდგომარეობებში ენერგიებით E1, E2 და ა.ს. ბორის თეორიაში ამ მდგომარეობებს სტაბილურს უწოდებენ. სინამდვილეში სტაბილური მდგომარეობა, რომელშიც ატომი გარე შემაშფოთებლის არ არსებობის შემთხვევაში შეიძლება უსასრულოდ დიდხანს იმყოფებოდეს, მხოლოდ უმცირესი ენერგიის შესაბამისი მდგომარეობაა. ამ მდგომარეობას ძირითადს უწოდებენ. ყველა სხვა მდგომარეობა არასტაბილურია. აღგზნებული ატომი ამ მდგომარეობაში შეიძლება იმყოფებოდეს მხოლოს ძალიან მცირე 10–8 წამის რიგის დროით, ამის შემდეგ ის ქვანტის ამოფრქვევის შედეგად თავისთავად გადადის ერთ-ერთ ქვედა მდგომარეობაში. ამ ქვანტის სიხშირე ბორის მეორე პოსტულატის საშუალებით შეიძლება განისაზღვროს. ატომის ერთი მდგომარეობიდან მეორეში თვითნებული გადასვლისას ამოფრქვეულ გამოსხივებას სპონტანურს უწოდებენ. ზოგიერთ ენერგეტიკულ დონეზე ატომი შეიძლება იმყოფებოდეს 10–3 წამის რიგის დროზე გაცილებით დიდი ხნის განმავლობაში. ასეთ დონეებს მეტასტაბილურს უწოდებენ.
ატომის უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე გადასვლა შეიძლება მოხდეს იმ ფოტონის რეზონანსული შთანთქმისას, რომლის ენერგიაც ატომის საბოლოო და საწყისი მდგომარეობების ენერგიების სხვაობის ტოლია.
ატომის ენერგეტიკულ დონეებს შორის გადასვლა აუცილებლად არაა დაკავშირებული ფოტონების შთანთქმასა და ამოფრვევაზე. ატომს შეუძლია მიიღოს ან გასცეს ენერგიის ნაწილი და გადავიდეს სხვა ქვანტურ მდგომარეობაში სხვა ატომებთან ურთიერთქმედების შედეგად ან ელექტრონებთან შეტაკებისას. ასეთ გადასვლებს გამოსხივების გარეშეს უწოდებენ.
ახლა ყველაზე მთავარი. 1916 წელს აინშტაინმა იწინასწარმეტყველა, რომ ატომში ელექტრონის მაღალი ენერგეტიკული დონიდან დაბალზე გადასვლა შეიძლება ხდებოდეს იმ გარე ელექტრომაგნიტური ველის გავლენით, რომლის სიხშირეც გადასვლის საკუთარი სიხშირის ტოლია. ამ დროს წარმოქმნილ გამოსხივებას იძულებით ან ინდუცირებულს უწოდებენ. იძულიბით გამოსხივებას გასაოცარი თვისება ახასიათებს. ის ძალიან განსხვავდება სპონტანური გამოსხივებისგან. აღგზნებული ატომის ფოტონთან ურთიერთქმედების შედეგად ატომი იგივე სიხშირის კიდევ ერთ ფოტონს ასხივებს, რომელიც იგივე მიმართულებით ვრცელდება. ტალღური თეორიის ენაზე ეს ნიშნავს, რომ ატომი ელექტრომაგნიტურ ტალღას ასხივებს, რომლის სიხშირე, ფაზა, პოლარიზაცია და გავრცელების მიმართულება ხშირად ზუსტად საწყისი ტალღისას ემთხვევა. ფოტონების იძულებითი ამოფრქვევის შედეგად გარემოში გავრცელებული ტალღის ამპლიტუდა იზრდება. ქვანტური თეორიის თვალსაზრისით, აღგზნებული ატომის ისეთ ფოტონთან ურთიერთქმედების შედეგად, რომლის სიხშირე გადასვლის სიხშირის ტოლია, წარმოიქმნება ორი სრულიად ერთნაირი ტყუპი ფოტონი.
სწორედ გამსხივების ინდუცირება წარმოადგენს ლაზერების მუშაობის ფიზიკურ საფუძველს.
ნახ. 1-ზე სქემატურადაა წარმოდგენილი ატომის ორ ენერგეტიკულ დონეს შორის გადასვლის მექანიზმები ან ქვანტის ამოფრქვევა.
ნახ. 1.
პროცესების პირობითი გამოსახულება (a) შთანთქმა, (b) სპონტანური ამოფრქვევა და (c) ქვანთის ინდუცირებული ამოფრქვევა.
განვიხილოთ გამჭვირვალე ნივთიერების ფენა, რომლის ატომებიც შეიძლება იმყოფებოდნენ E1 და E2 > E1 ენერგეტიკულ მდგომარეობებში. ამ ფენებში ვრცელდება გადასვლის რეზონანსული ν = ΔE / h სიხშირის გამოსხივება. ბოლცმანის განაწილების თანხმად, თერმოდინამიკური წონასწორობისას ნივთიერების ატომების დიდი რაოდენობა ქვედა ენერგეტიკულ მდგომარეობაში იმყოფება. ატომენის რაღაც ნაწილი, სხვა ატომებთან შეჯახებებით ღებულობს რა საკმარის ენერგიას, ზედა ენერგეტიკულ მდგომარეობაშიც იმყოფება. ქვედა და ზედა დასახლებები აღვნიშნოთ n1 და n2 < n1 შასბაბისად. ასეთ გარემოში რეზონანსული გავრცელებისას ადგილი ექნება ნახ. 1-ზე გამისახულ სამივე პროცესს. აინშტაინმა უჩვენა, რომ ფოტონის აღუგზნები ატომის მიერ შთანთქმის (a) პროცესს და აგზნებული ატომის მიერ ქვანტის ინდუცირებული ამოფრქვევის (c) პროცესს ერთნაირი ალბათობა აქვს. რადგან n2 < n1 ფოტონის შთანთქმა მოხდება უფრო ხშირად, ვიდრე ამოფრქვევის ინდუცირება. ამის შედეგად ნივთიერების ფენაში გავლის შემდეგ გამოსხივება თანდათან შესუსტდება. ეს მზის გამოსხივების სპექტრში ფრაუნგოფერის ბნელი ხაზების წარმოქნმას მოგვაგონებს. სპონტანური გადასვლების შედეგად წარმოქმნილი გამოსხივება კოჰერენტული არ არის, ნებისმიერი მიმართულებით ვრცელდება და ფენაში გავლილ ტალღაში წვლილი არ შეაქვს.
ნივთირერების ფენაში გავლილი ტალღა რომ გაძლიერდეს, ხელოვნურად უნდა შეიქმნას პირობა, რომლის დროსაც n2 > n1, ე.ი. შეიქმნას დონის ინვერსიული დასახლება. ასეთი გარემო თერმოდინამიკურად გაუწონასწორებელია.
გარემოს, რომელშიც დონეების ინვერსიული დასახლება იქმნება, აქტიურს უწოდებენ. იგი შეიძლება გამოყენებულ იქნეს სინათლის სიგნალის გამაძლიერებლად. იმისათვის რომ შეიქმნას სინათლის გენერაცია უკუკავშირის გამოყენებაა აუცილებელი. ამისათვის აქტიური გარემო ორ მაღალხარისხოვან სარკეს შორის უნდა მოთავსდეს, რომლების სინათლეს მკაცრად უკან არეკლავს ისე, რომ მან მარავალჯერადად გაიაროს აქტიურ გარემოში, რაც გამოიწვევს კოჰერენტული ფოტონების ინდუცირებული ემისიის ზვავისებურ პროცესს. ამ დროს გარემოში უნდა ხდებოდეს დონენების ინვერსიული დასახლების უზრუნველყოფა. ამ პროცესს ლაზერულ ფიზიკაში (დატუმბვას) უწოდებენ.
ასეთ სისტემაში ზვავისებური პროცესის დაწყებას გარკვეულ პირობებში შეიძლება ისეთმა შემთხვევითმა სპონტანურმა აქტმა მისცეს ბიძგი, რომლის დროსაც წარმოიქმნება სისტემის ღერძის გასწვრივ მიმართული გამოსხივება. გარკვეული დროის შემდეგ ასეთ სისტემაში გენარეციის სტაციონალური რეჟიმი მყარდება cialis over the counter. სწორედ ესაა ლაზერი. ლაზერის გამოსხივების გარეთ გამოყვანა ერთი ან ორივე სარკიდან ხდება, რომლებსაც ნაწილობრივი გამჭვირვალობა აქვთ. ნახ. 2-ზე სქემატურადაა წარმოდგენილი ლაზერში ზვავური პროცესის განვითარების პროცესი.
ნახ. 2.
ლაზერში გენარაციის ზვავისებური პროცესის განვითარება
დონეენის ინვერსიული დასახლების მქონე გარემოს შექმნის სხვადასხვა ხერხები არსებობს. ლალის ლაზერში ოპტიკურ დატუმბვას იყენებენ, ატომების სინათლის შთანთქმის ხარჯზე აღიგზნება. მაგრამ ამისათვის მხილოდ ორი დონე საკმარისი არაა. დატუმბვის ნათურის სინათლე როგორი ძლიერიც არ უნდა იყოს, აღგზნებული ატომების რიცხვი აღუგზნებად ატომებზე მეტი არ იქნება. ლალის ლაზერში დატუმბვა ხდრბა ზევით მდებარე მესამე დონიდან (ნახ. 3).
ნახ. 3.
ოპტიკური დატუმბვის სამდონიანი სქემა. მითითებულია E2 და E3 დონეების „სიცოცხლის ხანგრძლივობა“ . E2 დონე მეტასტაბულურია. E3 და E2 დონეებს შორის გადასვლისას გამოსხივება არ ახლავს. ლაზერული გადასვლა E2 და E1 დონეებს შორის ხდება. ლალის კრისტალში E1, E2 და E3 დონეები ქრომის მინარევს ეკუთვნის
ლალის ღეროს მძლავრი ნათურით დანათების შემდეგ ლალის კრისტალში მინარევის სახით შემავალი ქრომის მრავალი ატომი E3 ენერგიის მდგომარეობაში გადადის, ხოლო τ ≈ 10–8 წმ შუალედის შემდეგ E2 ენერგიის შესაბამის მდგომარეობაში. აღგნებულის E2 დონის დასახლების სიჭარბე აღუგზნებელი E1 დონესთან შედარებით E2 დონის შედარებით უფრო დიდი სიცოცხლის ხანგრძლივობის გამო წარმოიქმნება.
ლალიანი ლაზერები იმპულსურ რეჟიმში მუშაობენ 694 მმ ტალღის სიგრძეზე (მუქი ალუბლუსფერი სინათლე), იმპულსში გამოსხივების სიმძლავრე შეიძლება აღწევდეს 106–109 ვტ-ს. ისტორიულად ეს იყო პირველი მომქმედი ლაზერი, რომერლიც ამერიკელბა ფიზიკოსმა მაიმანმა ააგო 1960 წელს.
დღეისათვის ყველაზე გავრცელებულია აირის ლაზერია, რომელიც ჰელიუმისა და ნეონის ნარევზე მუშაობს. He-სა და Ne-ს ნარევის 10 : 1თანაფარდობის პირობებში ნარევის საერთო წნევა 102 პა-ს რიგისაა. აქტიურ აირს, რომელშიც 632,8ნმ ტალღის სიგრძეზე უწყვეტ რეჟიმში აღიძვრება გენერაცია (ღია-წითელი სინათლე), ნეონი წარმოადგენს. ჰელიუმი ბუფერული აირია, იგი მონაწილეობს ნეონის ერთ-ერთი ზედა დონის ინვერსიულ დასახლების პროცესში. He–Ne ლაზერის გამოსხივება ხასიათდება საუცხოო, განუმეორებელი მონოქრომატულობით. გამოთვლები უჩვენებენ, რომ He–Ne ლაზერის სპექტრული ხაზის სიგანე დაახლოებით Δν ≈ 5·10–4 ჰც-ს შეადგენს. ეს ფანტასტიურას მცირე სიგანეა. ასეთი გამოსხივების კოჰერენტულობის დრო τ ≈ 1 / Δν ≈ 2·103 წმ-ს რიგისაა, ხოლო კოჰერენტულობის სიგრძე cτ ≈ 6·1011 მ, ე.ი. დედამიწის ორბიტის დიამეტრზე მეტი!
პრაქტიკაში მრავალი ტექნიკური მიზეზი ხელს უშლის He–Ne ლაზერის ასეთი ვიწრო სპექტრული ხაზის რეალიზაციას. ლაზერული დანადგარის ყველა პარამეტრის ზედმიწევნითი სტაბილიზაციის გზით შესაძლებელი გახდა 10–14–10–15 რიგი Δν / ν ფარდობითი სიგანის მიღწევა, რაც დაახლოებით 3-4 რიგით უარესია თეორიულ ზღვართან შედარებით. მაგრამ He–Ne ლაზერის რეალურად მიღწეული მონოქრომატული გამოსხივებაც, რომელსაც ეს ხელსაწყო იძლევა სრულიად შეუცვლელია მრავალი სამეცნიერო და ტექნოკური ამოცანის გადაჭრისას. პირველი He–Ne ლაზერის 1961 წელს შეიქმნა. ნახ. .4-ზე He–Ne ლაზერის გამარტივებული სქემა და ლაზერული გადასვლის ინვერსიული დასახლების მექანიზმია მოცემული.
ნახ. 4.
He–Ne ლაზერის გაჯერების მექანიზმი. სწორი ისრებით ატომებში სპონტანური გადასვლებია გამოსახულია
ნეონში E4 → E3 ლაზერული გადასვლის დატუმბვა შემდეგნაირად ხორციელდება. მაღალი ძაბვის ელექტრული განმუხტვისას ელექტრონებთან შეჯახების შედეგად ჰელიუმის ატომების მნიშვნელოვანი ნაწილი გადადის ზედა მეტასტაბილურ E2 დონეზე. ჰელიუმის აღგზნებული ატომები ეჯახებიან ნეონის ძირითად მდგომარეობაში მყოფ ატომებს და გადასცემენ მათ თავიანთ ენერგიას. ნეონის E4 დონე ჰელიუმის მეტასტაბული E2 დონეზე 0,05 ევ-ით მაღლა მდებარეობს. ენერგიის დეფიციტის კომპენსირება ატომენბის დაჯახების კინეტიკური ენერგიის ხარჯზე ხდება. ნეონის E4 დონრეზე ინვერსიული დასახლება იქმნება E3 დონესთან შედარებით, რომელიც ძლიერ ღარიბდება ქვეით განთავსებულ დონეზე სპონტანური გადასვლების ხარჯზე. დატუმბვის საკმარისად მაღალი დონის შემთხვევაში იწყება იდეალურად კოჰერენტული ფოტონების გამრავლების ზვავური პროცესი. თუ აირის ნარევიანი კიუვეტა მოთავსებულია მაღალი არეკვლის უნარის მქონე სარკეებს შორის, იწყება ლაზერული გენერაცია. ნახ. 5-ზე He–Ne ლაზერის ხქემაა მოცემული.
ნახ. 5.
ჰელიუმ-ნეონიანი ლაზერის სქემა: 1 - ჰელიუმისა და ნეონის ნარევიანი მინის კიუვეტა, რომელშიც მაღალი ძაბვის განმუხტვა ხდება; 2 - კათოდი; 3 - ანოდი; 4 - ყრუ სფერული სარკე 0,1 % -ზე ნაკლების გატარებით; 5 - სფერული სარკე 1–2 %-იანი გატარებით
თანამედროვე ჰელიუმ-ნეონიანი ლაზერები მონობლოკიანი მზადდება. ამისათვის მინისებური ნივთიერება, სიტალი გამოიყენება, რომელსაც პრაქტიკულად გაფართოების ნულოვანი ტემპერატურული კოეფიციენტი აქვს. სიტალის მართხკუთხა პარალელოპიპედის ნაჭერში გახვრეტილია არხი რომლის ბოლოებზეც ოპტიკურ კონტაქტზე ემაგრება ლაზერული სარკეები. არხი ივსება ჰელიუმისა და ნეონის ნარევით. კათოდი და ანოდი შეყვანილია დამატებითი გვერდითი არხებიდან. ასეთი ერთბლოკიანი კონსტრუქცია უზრუნვეყოფს მაღალ მექანიკურ და სითბურ სტაბილურობას.