1- дәріс. Кіріспе жарықтың табиғаты жайындағы ілімнің дамуы. ХVІІ ғасырдың аяқ кезінде жарықтың табиғаты жайында екі түрлі ғылыми түсінік болды: жарықтың корпускулалық теориясы мен-жарықтың толқындық теориясы

Т 

T

r

4

k

мұндағы

k

— жоғарыда

баяндалған

коэффициент. Ол

k

<1 демек қара емес

денелердің

шын

температурасы олардың

радиациялық

температурасынан

биік

болады.

Қызған

дене

температурасын

оның

жарықтылығын

абсолют

қара

дене

жарықтылығымен

салыстыру

арқылы да

табуға болады. Ол үшін кылы кӛрінбей

5-сурет. Қылы кӛрінбей кететін пирометр

кететін

пирометр

делінетін

прибор

схемасы.

қолданылады (5-сурет). Бұл пирометрдің О1

объектив фокус жазықтығына қылы жарты

Абсолют қара денені пайдаланып пирометр градуирленеді. Одан соң пирометрмен кез келген температураларды ӛлшеуге болады. Егер зерттеліп отырған дене абсолют қара дене болса, онда пирометр оның шын температурасын кӛрсетеді. Егер дене абсолют қара болмаса, осы әдіспен ӛлшенетін температура оның шын температурасы болмайды, ол дененің жарықтылық температурасы (Т_s ) болады. Дененің жарықтылық температурасы оның шын температурасынан кем болады, бірақ бұлар бір-бірімен байланысты. Дененің Т_s температурасын ӛлшеп, оның шын температурасын табуға болады.

Сӛйтіп түрліше әдістер қолданылып түс температура (Т_с), радиациялық температура (Т_r ) және жарықтылық температура (Т_s) делінетін үш түрлі температура ӛлшенеді. Бұлар, әрине шартты температуралар.

Лазерді әдетте оптикалық кванттық генераторлар деп атайды. Кванттық механика кӛріністері бойынша атомдар энергияны белгілі бір бӛлікпен, яғни кванттармен бӛліп шығарады немесе жұтады.

Лазерде үш негізгі құбылыс пайдаланылады: затпен электромагниттік толқын ӛзара әрекеттескенде шығатын тосын және еріксіз сәуле шығару мен жұтылу процестері.

Тосын сәуле шығару (сәулелену) (1.1-а сурет)

• 
  _тосын ) шамаларының сандық мәні сәуле шығаруға қатысатын нақты ӛтулерге тәуелді.
  

Еріксіз сәуле шығару. (1.1-б сурет)

Тағы да атом бастапқыда үстіңгі 2 деңгейге орналасады да затқа  жиілікті (1.1) ӛрнекпен анықталатын ЭМ толқын түседі (яғни, тосын шығарылған толқын жиілігіне тең жиілікпен). Атомдық ӛтулерге байланысты, сәуле шығару мен түсуші толқын жиіліктері бір-біріне тең болғандықтан, түсуші толқын атомның (2  1) 2 деңгейден 1 деңгейге ӛтуін туғызуы ықтимал. Бұл жағдайда (Е₂ - Е₁) энергия айырымы ЭМ толқын түрінде бӛлініп, түсуші толқынға қосылады. Бұл дегеніміз еріксіз сәуле шығару құбылысы. Тосын және еріксіз сәуле шығару процестері арасында мәнді айырма бар. Тосын сәуле шығару жағдайында атом фазасы басқа атомдардың толқын фазасымен еш байланысы жоқ сәуле шығарған ЭМ толқындар шығарады. Сонымен қатар, шығарылған толқын кез келген таралу бағытына ие. Ал еріксіз сәуле шығару жағдайында, процесс түскен толқын мен инициирленетіндіктен, кез келген атомның сәуле шығаруы сол толқынға сол фазада қосылады. Түскен толқын, сондай-ақ, шығарылған толқынның таралу бағытын анықтайды.

Еріксіз сәуле шығару процесін:

(dN ₂ / dt) _{еріксіз} W₂₁ N ₂ (1.3)

теңдеуі кӛмегімен жазуға болады, мұндағы (dN₂ / dt)_{еріксіз} - еріксіз сәуле шығару есебінен 2  1 ӛту жылдамдығы, ал W₂₁ -еріксіз ӛту ықтималдылығы. (1.2) ӛрнегімен ӛрнектелетін А коэффициенті сияқты W₂₁ шамасы да, сондай-ақ (уақыт) ӛлшемділігіне ие. Бірақ, А шамасынан W₂₁ ықтималдылығының ерекшелігі, ол-тек нақты ӛтулерден емес және де түскен ЭМ толқын интенсивтілігіне де тәуелді. Дұрысы, жазық толқын үшін

мұндағы, F - түсуші толқындағы фотондар ағыны тығыздығы, ал  ₂₁ -берілген ӛтулер

сипаттамасына тәуелді және аудан ӛлшемдігіне ие (ол еріксіз сәуле шығару қимасы деп те аталады).

Жұтылу. (1.1-в сурет)

Енді атом бастапқыда 1 деңгейде орналасқан дейік. Енді бұл негізгі деңгей болса, онда атом қандай да бір сыртқы ұйытқы әсер етпейінші сол орнында тұрады. Затқа (1.1) ӛрнекпен анықталатын  жиілікті ЭМ толқын түссін. Бұл жағдайда атом 2-ші жоғарғы күйге ӛтетін соңғы ықтималдылық пайда болады. Атом ӛтулер жасауы үшін қажетті (Е₂-Е₁) энергия айырымы түсуші ЭМ толқын энергиясынан алынады. Осымен жұтылу процесі баяндалады. (1.3) сәйкесті W₂₁ жұтылу ықтималдылығы:

Егер ӛту жиілігі   (E₂  E₁ ) / h аса жоғары жиілік диапазонына түссе оған сәйкесті

күшейткіш мазер деп аталады. Мазер деген сӛз microwave amplification by stimulated emission of radiation деген ағылшын сӛзінің бас әріптерінен тұрады, ол-сәуле шығарудың еріксіз шығаруымен микротолқындарды күшейтуі. Егер де ӛту жиілігі  оптикалық диапазонға сәйкес болса, онда күшейткіш лазер деп аталады. Лазер деген сӛз де мазер деген ағылшын сӛзінен шыққан, тек алғашқы «м» әрпін (light) жарық дегеннен шығатын «л» әрпімен ӛзгерткен. Күшейткіштен генератор жасау үшін сәйкесті оң кері байланыс

		шыгу шогы
1 айна	2 айна
	белсенді орта

1.3-сурет. Лазер қондырғысының сұлбасы.

Алғаш қарағанда инверсияны   (E₂  E₁ ) / h (1.1) ӛрнегімен анықталатын  ЭМ толқын

жиілігімен ортаның ӛзара әрекеті құрғандай. Себебі, темродинамикалық тепе-теңдікте 1 деңгей 2 деңгеймен салыстырғанда кӛп толуы, жұтылуы, еріксіз сәуле шығарудан артық, яғни, түскен толқын әсерінен 2  1 ӛтулерге қарағанда, 1  2 ӛтулер кӛп және де осындай жолмен инверсиялық толуды іске асыруға мүмкіндік бар. Бірақта, мұндай механизмнің стационарлық жағдайда жұмыс істеуін байқау қиын емес. Деңгейлер толуы (N₂=N₁) бірдей болғанда еріксіз сәуле шығарумен жұтылу процестері бірін-бірі компенсациялай бастайды және

dF  F (N 2  N1 )dz

(1.7)

сәйкес орта мӛлдір болады. Мұндай жағдайды екі деңгейлі қанығу деп атайды.

2. 
   деңгей ( (dN ₂ / dt) _р ) толтыру кӛмегімен орналасатын толу жылдамдықты былай жазуға
   

болады:

(dN2 / dt) р  Wр Ng

(1.10)

мұндағы N _g -негізгі деңгей толуы, (яғни, 1 немесе 0 деңгейлер 1.4-сурет, а және б), ал W_р - толтыру жылдамдығы деп аталатын коэффициент, біз W_кр деп белгілейтін кейбір

Лазерлік сәулелену аса жоғары монохроматтық, когеренттілік, бағыттылық және жарықтылық дәрежелерімен сипатталады. Бұл қасиеттерге жарық импульстері генерациясының қысқалығын қосуға болады.

Монохроматтылық.

1. 
   ЭМ толқын, тек (1.1) ӛрнекпен анықталатын жиілікпен күшейе алады.
   

2. 
   Екі айнадан тұратын құрылғы резонатор құратындықтан, генерация тек осы резонатордың резонанстық жиілігінде пайда бола алады. Соңғы жағдай лазерлік сәулелену сызығының ені кӛбіне 2-1 тосын сәулеленуде байқалатын 2-1 ӛтулердің кәдімгі сызықтық енінен кем болады (шамамен 6 дәрежелі шамаға).
   

Когеренттілік

Кез келген ЭМ толқын үшін екі тәуелсіз когеренттілікті анықтауға болады, олар кеңістіктік және уақыттық когеренттіліктер.

Кеңістіктік когеренттілікті анықтау үшін екі Р₁ және Р₂ нүктелері арқылы t=0 уақыт моментінде кейбір ЭМ толқынның толқындық фронты ӛтуін қарaстырамыз және E₁(t) мен E₂(t) - бұл нүктелердегі сәйкесті элeктр ӛрістері болсын. Бұл шартымызға сәйкес, t=0 уақыт моментінде берілген нүктелердегі электрлік ӛрістің айырымы кезкелген t>0 уақыт моментінде 0-ге тең болып қалатын болса, онда екі нүктелер арасында толық когеренттілік бар делінеді. Егер де бұл шарт толқындық фронттың кезкелген нүктесінде орындалса, онда берілген толқын толық кеңістік когеренттілікпен сипатталады.

Уақыттық когеренттілікті анықтау үшінберілген Р нүктесінде t және t+  уақыт моментінде толқынның электр ӛрісін қарастырамыз. Егерде берілген  уақыт интервалында тербелістің фаза айырымы бірдей және кезкелген t уақыт моментінде де бірдей болып қалса, онда  уақыт интервалында уақыттық когеренттілік пайда болады. Егерде осындай шарт кез келген  мәні үшін орындалса, онда толқын толық уақыттық когеренттілікпен сипатталады.

емес.

Лазердің түрлері: қатты денелі лазерлер (кристалдар мен шынылардағы), газды лазерлер, бояғыштағы лазерлер, химиялық лазерлер, жартылай ӛткізгішті лазерлер, бос электрондағы лазерлер және рентгендік лазерлар. Қатты денелі лазерлар деп активті ортасы диэлектрлік кристал немесе шыны болып келетін лазерлар аталады. Қатты денелі
лазерда белсенді ортасы болып кристалға енгізілген қоспалық иондар табылады, мұндай ион Менделлевтің периодтық жүйесінің ӛтпелі элементтері тобының біріне жатады, (мыс., Cr³⁺(хром) немесе сирек кездесетін элементтер ионы Nd³⁺ немесе Er³⁺). Генерация үшін пайдаланатын ӛтулер толтырылмаған ішкі қабатшалардың электрондық деңгейлерін қосады. Сондықтан мұндай ӛтулер кристалдық ӛрістің әсерінен аз әсерлеседі.

Қатты денелі лазерлар тобына жататын рубиндік лазер. Рубин табиғи қымбат тас Al³⁺ иондары Cr³⁺ иондарымен айырбасталған Al₂O₃ кристалынан тұрады.Лазерде белсенді орта ретінде пайдаланылатын рубин кристалдары Al₂O₃ және Cr₂O₃ аздаған бӛлігі қоспаларының қорытпасын ӛсіру жолымен алынады.

Рубинді лазер бұрын танымал болатын, қазір Nd YAG негізінде немесе неодимді шыныдағы лазерлердің пайда болуымен олар сирек қолданылады. Бұрын рубиндік лазерлар әскери мақсатта алысты ӛлшеу үшін пайдаланылды, қазір ол неодимді лазерлармен айырбасталды.

Газдық лазерлер. Қатты денелі лазерларға қарағанда газдарда энергетикалық деңгейлер кеңеюі тӛмен.

Сұйықтық лазерлер (бояғыштағы лазерлер)

Сұйықтық лазерлер дегеніміз сұйық ертікіштегі (этил спирті, метил спирті немесе су) сияқты органикалық бояғыштардың қоспасынан тұрады. Органикалық бояғыштар екі байланысты орайлас кӛп атомды молекулалардың үлкен тобын құрайды.

Химиялық лазерлер деп толтыру инверсиясы химиялық реакция нәтижесінде ӛз бетімен жететін лазер. Осы анықтамаға сәйкес, жоғары деңгейлерінің толуы жану реакциясының нәтижесінде болса да, газды-динамикалық СО₂ лазерін химиялық деп атауға болмайды. Газды лазерлердле кӛбінесе газ тәрізді заттар арасындағы реакция пайдаланылады, бұлар ассоциативті және диссоциативті типті экзотермиялық реакциялар. Ассоциативті типті ракция ӛрнегі

А + В = AB (1) түрінде жазылады.

Экзотермиялық реакцияда жылу реакциясының бӛлігі тербелмелі-айналмалы немесе АВ молекуласының электрондық қозу энергиясына ауысады (ӛтеді). Осылайша, толтыру инверсиясына жетсе, онда ассоциативті тип реакциясы ретінде тербелмелі-айналмалы немесе вибрациялық ӛтулер принциптерінде лазерлар жасауға болады. Бірақ та осы күнге дейін тек тербелмелі - айналмалы ӛтулердегі химиялық лазерлар ғана жасалды. Бұл лазерлерде генерация 3-10 мкм толқын ұзындығы диапазонында алынды. Диссоциативті тип реакциясы:

АВС  А+ВС (2) түрінде жазылады.

Егерде экзотермиялық реакция болса, онда реакцияның жылу бӛлігі А атомдарының электрондық энергиясы немесе ВС молекулаларының ішкі энергиясы түрінде бӛлінеді.

Химиялық лазерлер екі негізгі себеп бойынша қызығушылық туғызады:

1. 
   олар химиялық энергияның электромагниттік энергияға тура түрленуінің мысалы болып табылады.
   

2. 
   Бұл лазерлерден лазер жұмысында қолдануға болатын экзотермиялық реакцияда энергияның әжептәуір кӛп бӛлінуімен шартталған жоғары шығу қуатын (үздіксіз режимде) немесе жоғары шығу энергиясын (импульсті режимде) алуға болады.
   

Әдебиеттер:

1. 
   Мәженов Н.А.; Тұрмұхамбетова Е.Т. Оптика, Қарағанды, 2002.
   
2. 
   Полатбеков П.П. Оптика. Алматы, Мектеп, 1981.
   
3. 
   Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., Наука, 1973.
   
4. 
   Годжаев Н.М. Оптика. М.: Высшая школа, 1977.
   
5. 
   Матвеев А.Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.
   
6. 
   Сивухин Д.В. Общая физика. Оптика. М.: Наука.1980.
   
7. 
   Ландсберг Г.С. Оптика. М., Наука. 1976.
   

8. 
   Ахметов А.Қ. Физика.Алматы, 2000.
   
9. 
   Звелто О. Принципы лазеров. М.Мир; 1990.
   

8. 
   Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики, т.3. Л.; Физматгиз, 1962.