л
32
∑
ЛАВАЛЬ СОПЛОСЫ – ЛЮМИНОФОР
592
2-сызба. Оптикалық резонатордағы активті орта
тууының және оның дамытылуының
негізі болды. Қазіргі кездегі лазер-
лер толқын ұзындығы ультракүлгін
сәуледен бастап инфрақызыл және
субмиллиметрлік сәулелердің кең
алқапты диапазондарын қамтыған.
Лазер жасалғанға дейін
когерентті
электрмагниттік толқындар тек
іс жүзінде радиодиапазонда ғана
қолданылды, оларды радиотолқын генераторлары шығарды. Оптикалық
диапазонда көптеген тәуелсіз микроскопиялық сәуле шығарғыштар тарататын
суперпозициялық толқындар ғана болды. Бұл жағдайда қорытқы толқындардың
фазалары қалай болса солай хаосты (ретсіз) өзгеретін болды, сол себепті әлгі
толқындардың кеңістікте таралуының белгілі бір бағыты болмады.
Лазерлік емес жарық көздерінің сәулесі кванттық көзқарас бойынша жекеле-
ген бөлшектерден тәуелсіз шығарылатын фотондардың қосындысынан құралған,
сондықтан олардың шығаратын сәулесі өз еркімен өздігінен шығарылып, кез келген
уақытта, кез келген бағытта таралады, осыларға қоса толқындар ұзындықтары
қосындысының белгілі бір мәні болмайды, кез келген бағытқа бағытталады
және жекелеген сәуле шығарушы микрожүйелердің ретсіз шығарған сәулелеріне
тәуелді.
Лазердің әсері сыртқы электрмагниттік өрістің ықпалымен еріксіз
түрде фотондар шығаруға
негізделген.
Лазерлерде негізгі үш
құраушы бөлік: а к т и в т і
орт а (активті бөлік) – мұнда
толымдылық инверсиясы жаса-
лады; активті ортада инверсия жасауға арналған құрылғы (толтыру жүйе сі);
оң кері байланысты қамтамасыз етуге арналған құрылғы (оптикалық ре зона-
тор) болады. Қарапайым оптикалық резонатор (Фабри-Перо резонаторы) парал-
лель орналасқан екі жазық айнадан құралған. Оптикалық резонаторда әрқайсысы
айналар арасында бүтін санды жарты толқын болатын көптеген меншікті тұрғын
толқындардың болуы мүмкін.
Резонатор ішінде орналасқан активті бөлікте инверсиялық күй орнаған
соң, онда көптеген люминесценциялық актілер пайда болады. Фо-
тондар активті ортада асқынлюминесценция тудырады. Алғашында резонатор-
дың осіне перпендикуляр бағытта шығарылған фотондар осы бағыттарда тек
л
32
∑
ЛАВАЛЬ СОПЛОСЫ – ЛЮМИНОФОР
593
3-сызба. Сәуле шығаруды қоздыру: а – үш деңгейлі
жүйедегі; б – төрт деңгейлі жүйедегі; ε
1
, ε
2
, ε
3
, ε
4
–
энергетикалық деңгейлер
асқынлюминесценциялық қысқа доғалар ғана тудырады. Резонатордың осі
бойынша өз еркімен шығарылған фотондар, көптеген рет резонатор айнасынан
шағылысып, активті бөлік арқылы қайталап өтіп резонаторда еріксіз сәуле шығару
актісін тудырады (2-сызба). Толқынның энергиясы күшейтілу есебінен резонатор-
дан әрбір өтуі кезіндегі шығындалған энергиясынан артатын жағдайда ғана сәуле
шығарылады. Сәуле шығарудың басталу шарты (генерация табалдырығы) α
о
–β
о
=0
(мұндағы α
о
– активті бөліктің күшейтілу коэффициенті табалдырығының мәні,
β
о
– бір өту кезіндегі электрмагниттік энергияның толық шығынының коэффи-
циенті) теңдеуімен анықталады.
Толымдылық инверсиясын жүзеге асыру тәсіліне тәуелді түрде
үздіксіз және
импульстік сәуле шығаруға болады. Үздіксіз генерациялау кезінде активті
ортадағы инверсияны сыртқы энергия көзі есебінен ұзақ уақыт ұсталып тұрады.
Инверсияны импульстік генерациялауды жүзеге асыру үшін импульстермен
қоздырылады. Үздіксіз генерациялау кезіндегі
еріксіз сәуле шығарудың
қарқындылығы активті заттағы сызықтық емес үрдістермен (процестермен)
шектеледі. Осы шектеулер нәтижесінде активті затта қанығупайда болады –
еріксіз сәуле шығару актісінің саны жұтылу актісінің санына тең болады, себебі
жоғары және төменгі энергетикалық деңгейлердегі бөлшектер саны теңгеріледі
және толқындар қарқындылықтарының өсуі тоқтатылады.
Лазердегі энергияның шығындары ішкі шығын (мысалы, активті ортадағы,
айналардағы және лазердің басқа бөліктеріндегі жарықтың жұтылуы мен ша-
шыратылуынан) және генерацияланатын энергияның бір бөлігінің резонатор
айналарының біреуі арқылы шығарылуы есебінен қосылып пайда болады,
резонатордың айналарының біреуі осы мақсат үшін жарым-жартылай мөлдір
(немесе сәуле шығарылатын
саңылауының) болуы қажет.
Әдетте лазерлік сәуле резона-
тордың жартылай мөлдір айнасы
арқылы сыртқа шығарылады.
Қоздыру энергиясы лазерді
энергетикалық деңгейлердің
толымдылық инверсиясымен және
активті зонаның күшейтілуімен
қамтамасыз етеді. Активті ор-
тада толымдылық инверсиясын
тудыру және оны қолдап тұру
л
32
∑
ЛАВАЛЬ СОПЛОСЫ – ЛЮМИНОФОР
594
Айнаның жазықтығына перпендикуляр
бағытта таралатын өз еркімен туған фо-
тондар ортадан тысқары шығып кететін
фотондар тасқынын тудырады
1 – сәуле таратқыш дене; 2 – толтыру шамы;
3 – резонатор айнасы
үшін осы ортаның құрылымына тәуелді
болатын арнайы әдістер қолданылады.
Мысалы, рубин кристалында қоныстану
инверсиясы ү ш д е ң г е й л і с ұ лб а
бойынша жүзеге асырылады (3-сызба,
а). Рубин кристалындағы хром (Gr)
атомдарының энергетикалық спектрінде
ࣟ
1
тар алқапты деңгей (негізгі күйдегі)
м мен
ࣟ
2
(метатұрақты қоздырылған)
деңгейден жоғары үшінші деңгей бола-
тын, салыстырмалы түрде кең алқапты
ࣟ
3
күйлер (жұту алқаптары) орналасады.
Хром атомдары оптикалық толтырудың
ықпалымен
ࣟ
1
негізгі күйден
ࣟ
3
күйге ауысады. Өте аз уақыт (~10
–8
секунд)
аралығында атомдар сәуле шығарусыз
ࣟ
2
күйге ауысады.
Метатұрақты
ࣟ
1
күйдегі атомдардың «өмір сүру» уақыты
ࣟ
3
күйдегіден (~10
–3
секунд) едәуір артық. Атомдардың негізгі күйден
ࣟ
3
күйге (толтыру көзінің
қуаты жоғары болған кезде) жеткілікті түрде тез ауысатын кезде
ࣟ
2
деңгейдегі
бөлшектердің тығыздық саны
ࣟ
1
деңгейдегіден жоғары болады, яғни
ࣟ
2
және
ࣟ
1
деңгейлердегі толымдылық инверсиясы пайда болады, бөлшектердің осылардың
арасында ауысуы кезінде лазерлік сәуле пайда болады (шығарылады).
Т ө р т д е ң г е й л і с ұ л б а бойынша (3-сызба, б) жұмыс жасайтын активті
орталар да бар; бұларға неодимді (Nd) кристалл жатады. Мұндай орталарда
метаорнықты
ࣟ
3
негізгі
ࣟ
1
деңгейлер арасында аралық жұмыстық деңгей
ࣟ
2
болады,
бұл деңгейдің термодинамикалық тепе-теңдік жағдайлардағы толымдылығы сәл
ғана артық болады.
ࣟ
3
→
ࣟ
2
ауысуы кезінде лазерлік сәуле туады (шығарылады).
ࣟ
2
деңгейдің толымдылығының аз болуы толымдылық инверсиясын тудыруды
жеңілдетеді, осы жайт төртдеңгейлі сұлба бойынша жұмыс жасайтын активті
ортаның негізгі артықшылығы болып
табылады. Қатты денелі активті орталы,
газ орталы және басқа типті көптеген
лазерлер төртдеңгейлі сұлба бойын-
ша жұмыс жасайды.
Кез келген лазердің негізі еріксіз сәуле
шығару үрдісі (процесі) тікелей өтетін
және лазерлік сәуле тудырылатын
активті
бөлік болып табылады. Активті бөлік,
Достарыңызбен бөлісу: | 
