қ
58
∑
ҚАБАТ – ҚЫСЫМ
594
595
ҚАТТЫДЕНЕЛІ ЛАЗЕРЛЕР – активті заттар құрамында сирек кездесетін
немесе ауыспалы элементтердің иондары болатын диэлектриктік кристалдар мен
әйнектер болып табылатын, энергетикалық деңгейлері толымдылық инверсия-
ларды жасау үшін пайдаланылатын оптикалық кванттық генераторлар (лазерлер).
Жартылайөткізгіштік лазерлер де қаттыденелі лазерлерге жатады, олар ерекше
топ құрайды, себебі оларда «жұмыстық» иондар арасындағы ауысулар кванттық
емес, жартылайөткізгіштердің рұқсат етілген энергетикалық зоналар арасындағы
кванттық ауысулар болады. Қаттыденелі лазерлер іргелі ғылыми зерттеулерде,
өнеркәсіпте және медицинада қолданыс тапқан. Бұл лазерлердің меншікті энергия-
сы мен сәуле тудыру импульсінің қуаты жоғары, оның себебі активті бөлшектердің
шоғырлануы өте жоғары болады.
1960 жылы американ физигі Теодор
Мейман (1927 – 2007) рубиндік лазерді
жасаған.
Рубин Cr
3+
(хром) қоспалы Al
2
O
3
кордидтың кристалы көк және жасыл спектр
аймағына сәйкес болатын жарықты жұтып, Cr
3+
(хром) иондары негізгі Ɛ
1
деңгейден
екі кең (1 және 2) жолақты түзетін қоздырылған Ɛ
3
деңгейге ауысады (сызбаға
қараңыз). Содан соң салыстырмалы аз уақытта (~10
-8
сек) осы иондар Ɛ
2
және Ɛ
'
2
метатұрақты деңгейлерге сәуле шығарусыз ауысу жүзеге асырылады. Сол себепті
артық энергия кристалдық торлардың тербелістеріне беріледі Cr
3+
(хромның) Ɛ
'
2
және
Ɛ
2
деңгейлеріндегі «өмір сүру» уақыты 10
-3
сек. Кристалды спектрдің көк
және жасыл аймақтарына (толтыру жолағына) сәйкес болатын жарықпен сәулелеген
кезде, Cr
3+
(хром) иондары Ɛ
2
және Ɛ
'
2
деңгейлерінде «жинақталатын» болады, ал
толтырудың жеткілікті қуаты кезінде
Ɛ
1
деңгейіне қатысты толымдылық инверсия
пайда болады. Инверсия тудыру үшін иондардың 1/2 үлесінен көп бөлігін
Ɛ
2
, Ɛ
'
2
деңгейлерге 10
-3
cек уақытта ауыстыру қажет. Әдетте толтыру көзі – импульстік
ксенон шамдары болып табылады. (Импульс ұзақтығы ~10
-3
сек). Осы уақыт
аралығында кристалдың әрбір см
3
(куб сантиметрінде) бірнеше ~Дж энергия
жұтылады. Егер толымдылық инверсия табалдырықтық мәндерге жететін болса,
еріксіз сәуле шығару есебінен күшею резонатордағы энергия шығынынан артатын
болса, онда генерация (сәуле шығару режимі пайда болады). Рубиндік лазер ~0,7
мкм толқын ұзындықты сәуле шығарады.
Лазерлік импульс энергиясының толтыру шамдарының қоректендірудің
электр энергиясына қатынасы – рубиндік қатты денелі лазердің пайдалы әсер
коэффициенті (пәк) (бірнеше %) аз, оның себебі электр энергиясын шамдарда
және қоректендіру сұлбаларында жарыққа түрлендірудегі, шамдардың активті
бөліктерінің шамның сәулелерін толық жұтпауынан (15%) және активті затта
қ
58
∑
ҚАБАТ – ҚЫСЫМ
594
595
сәуле шығарусыз энергия шығынының нәтижесі болады. Сәуле шығарудың
(генерацияның) рубиндік лазерлердегі меншікті энергиясы әрбір куб сантиметрге
(см
3
) бірнеше Дж энергия тиесілі; дәл сондай шамалы энергия кристалдық торға
беріледі (сәуле шығарусыз шығын салдарынан). ~1 Дж/cм
3
энергияның бөлінуінен
кристалл ондаған градусқа қызады. Жылудың бөлінуі активті заттың оптикалық
біртектілігін бұза отырып әлгі заттың көлденең қимасында бірдей болмайды.
Осыдан өндірілетін (шығарылатын) толқындардың шебі бүлінеді. Жылудың артық
бөлінуі салдарынан кристалл бүлінеді.
ХІХ ғасырдың 90-жылдарының басына қарай 250-ден астам лазерлік эффектілері
болатын қоспалы диэлектрлік кристалдар белгілі болған. Осылардың арасынан
оксидтік лазерлік кристалдар тобын атауға болады [мысалы, рубин Al
2
O
3
-
(Cr
3+
),
т.б.]. Көпшілік қатты денелі лазерлер 1-ден 3 мкм-ге дейінгі толқын ұзындықты (
λ)
диапазондардағы сәулелер шығарады. Параметрлерді жақсарту, дербес жағдайда
пайдалы әсер коэффициентін арттыру үшін кристалға активатормен – жұмыстық
иондармен қатар сенсибилизаторлар қосылады. Бұлар энергия жұтуды және
жұмыстық иондарға қоздыру беруді жақсартады.
Көпшілік қатты денелі лазерлер импульстік режимде жұмыс істейді. Қатты
денелі лазерлерде үздіксіз режимді сәуле шығару төрт деңгейлі сұлба бойынша
жұмыс істейтін тек активті заттарда ғана мүмкін болады. Осылар типті лазерлердің
сәуле шығару спектрлері салыстырмалы түрде кең алқапты. Иондық кристалды
активті ортаны (мысалы, фторидтер) пайдалану жаңа мүмкіндік ашпақ. Осындай
орталы лазерлер инфрақызыл аймақта толқын ұзындығы λ~3,5 мкм сәуле шығаруға
мүмкіндік берді.
Қатты денелі лазерлер технологияларда (балқытып дәнекерлеуде, кесуде, т.б.),
рубин, неодимді әйнекті негізді, т.б. лазерлер пайдаланылуда. Медицинада нео-
димді әйнекті, сәуле шығару энергиясы 1000 Дж, еркін режимді лазерлер (тера-
пияда), осы типті қатты денелі лазерлер үздіксіз немесе периодты режимде хирур-
гияда қолданылады. Асақуатты қатты денелі неодимді әйнекті лазерлер
термоядролық плазманы зерттеу үшін қолданылуда.
ҚАТТЫЛЫҚ, д ы б ы с т ы қ – дыбыстың естілу түйсігін (сезінуді) және де
оның қарқындылығын сипаттайтын тербеліс түрінің жиілігіне тәуелді шама.
ҚАТЫНАС – әртүрлі шамалардың, заттардың, әсерлердің арасындағы байла-
ныс.
Анықталмағандықтар қатынасы – түйіндес екі физикалық шаманың
мәндеріндегі анықталмағандықтардың, мысалы, импульстер мен координаттардың,
энергиялар мен уақыттың көбейтіндісі Планк тұрақтысынан (һ) кем бола алмайды
делінетін пікір.
