ლაზერი - The Articles - .:: შენი ვარეზი ::.

ლაზერი, ანუ ოპტიკური ქვანტური გენერატორი, არის მონოქრომატული კოჰერენტული გამოსხივების წყარო, რომელსაც მთელი რიგი უნიკალური თვისებები გააჩნია. ლაზერის შექმნა გასული საუკუნის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი მიღწევაა, რომელმაც განაპირობა რევოლუციური ცვლილებები ტექნიკის სხვადასხა დარგში. ლაზერების სიმძლავერე ფართო დიაპაზონში იცვლება: ვატის მემილიონედი ნაწილიდან 1012–1013 ვატამდე. პირველი ლაზერი 1960 წელს შეიქმნა. დღეს ლაზერები ფართოდ გამოიყენება საყოფაცხოვრებო და სამედიცინო ხელსაწყოებში; ნავიგაციის, კავშირგაბმულობის და ლოკაციის ოპტიკურ მოწყობილობებში; ლითონების დამუშავების ტექნოლოგიებში; სამხედრო საქმეში და სამეცნიერო-კვლევით მოწყობილობებში.

ლაზერის მუშაობის პრინციპის გასარკვევად დაგვჭირდება სინათლი გამოსხივებისა და შთანთქმის მოვლენის უფრო ფუნდამენტურად შესწავლა, ვიდრე გადმოცემულია ოპტიკის კურსის გაკვეთილში - ”სინათლის გამოსხივება და შთანთქმა”. ამიტომ აქ მოკლედ განვიხილავთ ზოგიერთ ფუნდამენტურ ფაქტს. ატომი შეიძლება იმყოფებოდეს სხვადასხვა ენერგეტიკულ მდგომარეობაში E1, E2 და ა. შ. ენერგიებით. აქედან სტაბილურია მდგომარეობა მინიმალური შესაძლო ენერგიით. ამ მდგომარეობას ეწოდება ძირითადი მდგომარეობა.

ყველა სხვა ენერგეტიკული მდგომარეობა არასტაბილურია და ასეთ მდგომარეობებში გადასვლის შემდეგ ატომი ძალიან სწრაფად, მხოლოდ 10–8 წმ-ის დაყოვნებით, თავისთავად უბრუნდება ენერგეტიკულად უფრო ნაკლებ და შესაბამისად უფრო სტაბილურ მდგომარეობას. ამ დროს ატომი ასხივებს ჭარბ ენერგიას, რასაც სპონტანური ეწოდება.

ირკვევა რომ, არსებობს ისეთი ნივთიერებები, რომლებშიც ატომი აღგზნებულ მდგომარეობაში გაცილებით დიდხანს, დაახლოებით 10–3 წმ-ის განმავლობაში რჩება. ამ მდგომარეობას მეტასტაბილური მდგომარეობა ეწოდება. ატომის უფრო მაღალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში გადასვლა ხდება სინათლის ქვანტის რეზონანსული შთანთქმისას. ეს ხდება იმ შემთხვევაში, როდესაც სინათლის ქვანტის ენერგია ტოლია ატომის სტაბილურ მდგომარეობასა და რომელიმე აღგზნებულ მდგომარეობას შორის ენერგიების სხვაობისა. ელექტრონების გადასვლა ΔE მცირედ განსხვავებულ ენერგეტიკულ დონეებს შორის შეიძლება სინათლის შთანთქმის ან გამოსხივების გარეშეც მოხდეს. მაგალითად, ეს შეიძლება მოხდეს ატომის სხვა ატომებთან, ან თავისუფალ ელექტრონებთან დაჯახებისას. ენერგეტიკულ მდგომარეობებს შორის ასეთ გადასვლებს არაგამოსხივებითი გადასვლები ეწოდება.

ახლა შევეხოთ ყველაზე მთავარს: 1916 წელს აინშტაინმა იწინასწარმეტყველა, რომ ელექტრონი მაღალი მეტასტაბილური ენერგეტიკული დონიდან შეიძლება გადავიდეს დაბალზე ისეთი გარეშე ელექტრომაგნიტური შეშფოთების გავლენით, რომლის სიხშირე შეესაბამება ასეთი გადასვლების დროს ენერგიის ცვლილებას. ამ დროს წარმოიქმნება გამოსხივება, რომელსაც იძულებითი, ანუ ინდუცირებული გამოსხივება ეწოდება. სპონტანურისგან განსხვავებით, ინდუცირებულ გამოსხივებას მთელი რიგი გასაოცარი თვისებები ახასიათებს. რადგან მეტასტაბილურ მდგომარეობაში მყოფი ელექტრონი იძულებით გამოსხივებამდე დამატებით შთანთქავს იმავე სიდიდის ენერგიას, რაც უკვე აქვს და უნდა გამოასხივოს, იძულებითი გამოსხივებისას სხივდება არა ერთი, არამედ ორი ფოტონი. ამ ფოტონებს ზუსტად ერთნაირი ენერგია, ფაზა და პოლარიზაცია აქვთ და ისინი სხივდებიან ერთი და იმავე მიმართულებით. სწორედ ინდუცირებული გამოსხივება წარმოადგენს ლაზერების მოქმედების არსს. სქემაზე გამოსახულია სინათლის ქვანტის შთანთქმის (a), სპონტანური გამოსხივების (b) და ინდუცირებული გამოსხივების (c)მექანიზმი.

დავუშვათ გამჭვირვალე ნივთიერებაში, რომლის ატომები შეიძლება იყვნენ აღგზნებულ E2 და მეტასტაბილურ E1 მდგომარეობაში, ვრცელდება სინათლე, რომლის სიხშირე ზუსტად შეესაბამება ამ ენერგეტიკულ დონეებს შორის სხვაობას.

ν = ΔE / h.

ეს ნიშნავს, რომ სრულდება რეზონანსული შთანთქმის პირობა.

როგორც ცნობილია თერმოდინამიური წონასწორობისას ატომების უმეტესობა n1 არის დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში, მაგრამ არის ისეთი n2 ატომიც, რომლებიც სხვა ატომებთან დაჯახებითი ურთიერთქმედების გამო მაღალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში იმყოფებიან (n2 < n1). ასეთ გარემოში სქემაზე გამოსახული ყველა პროცესი შესაძლებელია.

აინშტაინმა შენიშნა რომ (a) და (c) პროცესები ერთნაირი ალბათობისაა, მაგრამ რადგან n2 < n1,, ამიტომ ფოტონების შთანთქმა უფრო ხშირად მოხდება, ვიდრე ინდუცირებული გამოსხივება. შედეგად ნივთიერებაში გამავალი სინათლის ნაკადი შესუსტდება. იმისთვის რომ, ნივთიერებაში გამავალი სინათლე გაძლიერდეს, ხელოვნურად უნდა შევქმნათ ისეთი მდგომარეობა, როცა მეტასტაბილურ მდგომარეობაში უფრო მეტი ატომია, n2 > n1, ვიდრე უფრო დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში. ანუ უნდა შევქმნათ ისეთი აქტიური ნივთიერი გარემო, სადაც შესაძლებელია თერმოდინამიკულად სტაბილური ენერგეტიკული დონეების დაკავების შებრუნება - ინვერსია. პირველად ეს შესძლეს 1954 წელს ჩ. ტაუნსმა, ნ. ბასოვმა და ა. პროხოროვმა, რისთვისაც მათ ნობელის პრემია მიენიჭათ. მძლავრი ლაზერული გამოსხივების განერირებისთვის აქტიურ გარემოს ათავსებენ ორ სარკეს შორის, რომელთაგან ერთერთი ნახევრად გამჭვირვალეა. ამავდროულად ატომების მეტასტაბილურ მდგომარეობაში გადასაყვანად აქტიურ გარემოს ინტენსიურად ანათებენ. სარკეებიდან არეკვლილი სხივები აქტიურ გარემოში მრაველჯერადი გავლისას იწვევენ გამოსხივების ზვავურ ინდუცირებას. შედეგად იმპულსურად გამოსხივდება შედარებით დიდი დროის განმავლობაში დაგროვილი ენერგია. ამიტომაა ლაზერის იმპულსი კოლოსალური სიმძლავრის მქონე.

არსებობს ნახევრად გამტარული, მონიკრისტალის აქტიურ გარემოიანი იმპულსური (მაგალითად, ლალის კრისტალზე მომუშავე) და აირზე მომუშავე განუწყვეტელი გამოსხივების (მაგალითად, ჰელიუმ-ნეონიანი) ლაზერები. აირზე მომუშავე ლაზერების აღგზნება აირში მაღალი ძაბვის ელექტრული განმუხტვით ხდება. ჰელიუმ-ნეონიანი ლაზერები გამოირჩევა გასაოცრად დიდი მონოქრომატულობით და დროითი კოჰერენტულობით, რაც 600 მილიონი კილომეტრის ტოლია! ასეთი ლაზერები ასხივებენ კაშკაშა წითელ სინათლეს.