Оптикалық кванттық генератор | Скачать Реферат

Жоспар:
І. Кіріспе
II. Негізге бөлім
A) Оптикалық кванттық технология және оның маңызы
B) Лазердің әр-түрлі салаларда қолданылуы
C) Лазердің биология әсері
III. Қорытынды
IV. Пайдаланылған әдебиеттер

ХХ ғасырдың екiншi жартысындағы физиканың iрi табыстарының бiрi оптикалық кванттық генератор, немесе басқаша айтқанда лазердiң ойлап табылуы. «Лазер» деген сөз ағылшынның «Light Amplificatoin by Stimulated Emission of Radiation» деген сөйлемiнiң алғашқы әрiптерiнен алынған (LASER). Бұл «мәжбүрленген сәуле шашудың көмегiмен жарықты күшейту» дегендi бiлдiредi. Мәжбүрленген сәуле шығару үрдiсi лазелердiң физикалық негiзi болып табылады.
Кванттық генератор — еріксіз сәуле шығару құбылысына негізделіп жұмыс істейтін электрмагниттік толқындардың генераторы. Радиодиапазонда жұмыс істейтін кванттық генератор мен кванттық күшейткіш мазер, ал оптикалық диапазонда жұмыс істейтін кванттық генератор лазер деп аталады. Аса жоғары жиілік диапазонында жұмыс істейтін ең алғашқы кванттық генератор 1955 жылы жасалды. Онда активті орта ретінде аммиак молекулаларының шоғы пайдаланылды. Кейін сутек атомдарының шоғы (21 см) қолданылған кванттық генератор құрастырылды. Радиодиапазонда жұмыс істейтін кванттық генератордың аса маңызды ерекшелігі — оның тербеліс жиілігінің өте жоғары дәрежеде тұрақты болуы (10 — 13). Сондықтан мұндай кванттық генераторлар жиіліктің кванттық стандарты ретінде пайдаланылады. Оптикалық диапазонда жұмыс істейтін кванттық генераторлар ультракүлгін сәуледен бастап субмиллиметрлік толқынға дейінгі жиілік диапазонында импульстік және үздіксіз режимде жұмыс істейді.
Атомдардағы электрондардың бiр деңгейден екiншi деңгейге еркiн өткен кездегi сәуле шығаруын өз еркiмен немесе спонтанды сәуле шығару деп атайды. Атомдар бұл жағдайда сәуленi бiр-бiрiнен тәуелсiз шығаратын болғандықтан ол сәуле толқындары когеренттi болмайды.
1916 жылы А.Эйнштейн, атом электрондарының жоғарғы деңгейден төменгi деңгейге өте отырып өзiнен сәуле шығаруы бұл атомға сырттан әсер ететiн электромагниттiк өрiстiң әсерiнен де болу мүмкiндiгiн болжады. Мұндай сәуле шығаруды мәжбүрленген немесе индуцирленген сәуле шығару деп атайды.
Егер сыртқы өрiстiң жиiлiгi қозған атомның өзiндiк жиiлiгiмен сәйкес келсе, онда резонанстық эффекттiң салдарынан мәжбүрленген сәуле шығарудың ықтималдылығы күрт өседi. Яғни, жиiлiгi қозған атомның өзiндiк жиiлiгiмен дәл келетiн фотон осы атомның электронымен әсерлескен кезде ол атом қозған күйден төменгi энергетикалық күйге өтедi де бiр фотонның қасында жиiлiгi тура сондай екiншi фотон пайда болады. Бұл үрдiс бұдан әрi басқа атомдармен де қайталанып тасқынды түрде өтедi де жарық күрт күшейедi. Бұл жөнiнде мына жерден қарап көруге болады.

Әдетте жарық зат арқылы өткен кезде заттағы негiзгi күйде тұрған атомдар жарықты жұтады да, қозған атомдар өзiнен мәжбүрленген сәуле шығарады. Сондықтан жарық зат арқылы өткен кезде күшею үшiн заттағы атомдардың тең жартысынан көбi қозған күйде болуы тиiс. Заттардың мұндай күйi — деңгейлерi инверсиялықоныстанған күй деп аталады (inversio — латынша төңкерiлген деген ұғымды бiлдiредi). Атомдар әдетте қозған күйде өте аз, 10[-9] — 10[-7] с уақыт ғана болатындықтан деңгейлерi инверсиялы қоныстанған күйлердi алу оңай шаруа емес. Бiрақ кейбiр атомдардың қозған күйде ұзақ, шамамен 10[-3] с бола алатын күйлерi болады. Ондай күйлердi метатұрақты күйлер деп атайды. Осындай метатұрақты күйлерi бар заттарды жарықты күшейтуге қолданады. Алғашқы лазерлер ретiнде рубиннiң кристаллдары пайдаланылды. Ондағы атомдарды қоздыру үшiн рубин бiлiктi сыртынан импульстi түрде жұмыс iстейтiн, спираль шаммен орады. Шам жарқ етiп жанған кездегi шыққан энергияны рубин атомдары жұтып, метатұрақты күйлерге өтедi. Атомдарды бұлай қоздыру оларды үрлеу деп аталады. Бүкiл қозған атомдардың сәуле шығаруы бар болғаны 10[-8] — 10[-10] с уақытқа созылады. Осы кездегi жарық сәулесiнiң қуаты өте үлкен 10[9] Вт-қа дейiн жетуi мүмкiн. Бұл үлкен электростанциялардың қуатынан да үлкен.
Лазер сәулесiнiң негiзгi қасиеттерi оның аса жоғарғы монохроматтылығы, шашырамайтын сәуле түрiнде алу мүмкiндiгi және аса қуаттылығы.
Бүгiнгi күнде кристаллдардағы лазерден өзгеше, газдағы және сұйықтардағы (бояғыштардағы) лазерлер жасалған. Бояғыштағы лазерлердiң ерекшелiгi, олардың шығаратын сәулелерiнiң жиiлiгiн кең ауқымда өзгертудiң мүмкiндiгi бар.
Лазерлер бүгiнгi күнде сан алуан салада қолданылады. Олар заттарды өңдеу, медицина және голография. Монохроматты когеренттi лазерлiк сәуленiң көмегiмен волоконды оптикада кабельдiк, телефондық және теледидарлық байланысты жүзеге асыруға болады. Тасымалдаушы жиiлiктiң аса жоғары (10[13] — 10[14] Гц) болуы бiр жарыққұбыры арқылы миллиардқа дейiнгi музыкалық хабарды немесе миллионға дейiнгi телехабарды бiрмезгiлде тасымалдауға мүмкiндiк бередi.
———————————— ———————————— ———-
Лазерді — (ОКГ) — оптикалық кванттық генератор деп те атайды.
———————————— ———————————— ———-
Физика курсынан белгілі — атомдағы электрондардың әртүрлі деңгейде қозғалып жүретіні белгілі. Электрон бір деңгейден екінші деңгейге өткенде жарық жарық толқынын шығарады. Егер энергия төменгі деңгейда орналасқан болса, онда оны жоғары деңгейге өткізу үшін оған жарық толқынымен әсер етеміз. Электрон осы жарық энергиясының бір бөлігін жұтады да, жоғары деңгейге өтеді, ал электрон жоғары деңгейде орналасатын болса, оған әсер еткен жарық нәтижесінде электрон төменгі деңгейге өтеді де өзінен фотон бөліп шығарады. Бұл процесті еріксіз шығару деп атайды. Міне осы процесс лазердің негізі болып саналады. Сонымен төменгі деңгейдегі электрондар өзіне түскен жарықтың бір бөлігін жұтып, жоғары деңгейде көтерілсе, жоғары деңгейдегі электрондар өзіне түскен жарық энергиясының бір бөлігін фотон ретінде бөліп шығарып төменгі деңгейге түседі. Ал төменгі деңгейдегі электрондар саны жоғары деңгейдегі электрондар санына қарағанда көбірек болғандықтан — жарық жұтылуы көбірек болады. Ал атомдарда пайдалы жарық энергиясын бөліп алу үшін жоғары деңгейдегі атомдар саны төменгі деңгейдегі электрондар санынан көбірек болғаны жөн. Ол үшін белсенді активті орта керек. Активті ортаның энергиясының арқасында электрондарды төменгі деңгейден жоғары деңгейге шығарып жіберуге болады. Осы айтылғандарды молекула ішінде орналасқан атомдарға да таратуға болады.
———————————— ———————————— ———-
Сонымен лазер немесе кез — келген квант генераторы негізгі екі элементтен тұрады:
———————————— ———————————— ———-
1. Активті күйге түскен жұмысшы заты.
———————————— ———————————— ———-
2. Резонатор
———————————— ———————————— ———-
Активті орта ЭМ — толқындарды бөліп берсе, резонатор оны күшейтіп шығарады. Активті заттарды қолдануына байланысты лазерлерді — қатты денелік — жартылай өткізгіштік — газдық және сұйықтық деп бөлсе, жұмыс істеуіне қарап, үздіксіз немесе импульстық делінеді.
———————————— ———————————— ———-
Қатты денелік лазерлердің кең тараған түрі — Рубинді лазер — неодим, шынылы лазер. Рубинді лазер толқын ұзындығы λ=6,2 нм ашық қызыл жарық сәулесін шығарып бере алады. Рубин кристалы лазердің жұмысшы элементі болып саналады, ол қолдан, жасанды түрде өсіріледі, Рубин кристалының бір кемшілігі — оның лазер ретінде жұмыс істеуі үшін оған алғашқы кезде өте күшті жарық беру керек, бұл кемшілікті жөндеу үшін Европий, самарий немесе неодим тәрізді элементтер қолданылады. Бұл элементтер кристалдағы хромды ауыстырады, яғни хромның орнына неодим алынады, оны шыныға да енгізуге болады. Сонда шыны лазер ретінде қызмет атқарады.
———————————— ———————————— ———-
Газды лазер — газ оптикалық қасиеті жөнінен біртекті орта болып есептеледі. Сондықтан ол лазердің активті ортасы ретінде жиі қолданылады. Лазер кварц түтікшесінен тұрады, оның ішінде гелий мен неон қоспасы болады, түтікшенің ұштарында 2 айна орналасады. Түтікшенің ұзындығы 1 метр, ал диаметрі бірнеше мм. болады. Түтікшеден разряд екі әдіспен қоздырылады. Оның біреуін контактылы, екіншісін контактысыз деп атайды.
———————————— ———————————— ———-
— Контактылы әдісте түтікшенің ішінде екі басында Анод және Катод орналасады, олардың орнына 1000-2000 В кернеу беріледі де, электр заряды пайда болады.
———————————— ———————————— ———-
Контактысыз әдісте — жиіліктегі генератор пайдаланылады. Бұл екі әдісте де газда пайда болған разряд ұзақ сақталуы мүмкін.
———————————— ———————————— ———-
Газды лазер — үздіксіз, ал кристалл мен шыныдағы лазер импульсті түрде жұмыс істейді.
———————————— ———————————— ———-
Жартылай өткізгішті лазер — өте кішкентай (мм-дің бірнеше үлесіндей) жасалады, өлшемдері 1х2х2 мм, онда айна ролін мұқият жонылып тегістелген жартылай өткізгіштің қырлары атқарады. Одан оған түскен жарықтың 30 — 50% ғана шағылысады.
———————————— ———————————— ———-
Бұлардан басқа кристаллдағы, шыныдағы, газды, жартылай өткізгішті лазер, арнаулы сұйықтықтағы лазер дегендер қолданылады.
———————————— ———————————— ———-
Лазер шығаратын жарық тер бір түстен ғана тұрады. Оны монохромат сәулелену деп атайды.
———————————— ———————————— ———-
Лазер сәулесінің қасиеттері мынандай:
———————————— ———————————— ———-
1. Монохроматты — яғни жиілігі тұрақты жарық толқындары.
———————————— ———————————— ———-
2. Лазер жарығының когеренттілігі — когерент толқындар дегеніміз — толқын ұзындықтары бірдей және фазалар айырмашылығы уақытқа байланысты өзгермейтін толқындар.
———————————— ———————————— ———-
3. Жарық поляризацияланған.
———————————— ———————————— ———-
4. Лазерден шыққан жарық жан — жаққа шашырамай — тек бағыттала таралады. Жарық шығып жатқан жерді конус деп қарастырсақ, онда осы конустың басындағы бұрыш 2,0[0 ]денеден лазер үшін 25[0],[ ]ал газды лазерде 2-3[0 ]аспайды. Жарықтың мұндай бағытталып таралуы оның алысқа жетуіне жәрдем етеді.
———————————— ———————————— ———-
5. Лазер сәулесінің қуаты ( мысалы шыныға неодим енгізсек)
———————————— ———————————— ———-
2,5 — 10 [13 ]Вт.
———————————— ———————————— ———-
6. Электр өрісінің кернеулігінің өте көптігі, интенсивтілігі 10 [19 ]Вт м[2 ]болатын лазер сәулесінің электр өрісінің кернеулігі.
———————————— ———————————— ———-
Е = 0,3 х10[12 ]Вм
———————————— ———————————— ———-
Лазер сәулесінің қысымы өте көп — 10[12 ]Па, ал атмосфералық қысымның шамасы 10[5 ]Па, яғни одан 10[7 ]есе, он миллион есе көп.
Мұндай қысыммен кез — келген қатты денені оп — оңай өндеуге болады. 3.Лазер сәулесінің биологиялық әсері. Лазерлi қондырғылармен жұмыс істеген, қызмет етушiлерге белгiлi потенциалды қауіп төндiредi.
Лазерлiк сәуленің термиялық (күйдiргiш) әсері бар, сонымен қатар, тіндерде болатын электромагниттiк аймақтың кернеуін өзгертетiн қасиетін бейнелейді
Лазер қондырғыларымен жұмыс iстейтiндер шағылысқан және жайылған сәулелерден ОКГ — ң бетiндегi әртүрлi оптикалық элементтер мен сәуле жолында орналасқан нысаналар, құралдар, сонымен қатар, өндiрiс орындарының қабырғаларынан әсер алады. Шағылысқан және жайылған лазерлiк сәулелердің тығыздығының маңызы шағылыстыратын материалдық құрамына және табылуына, лазердің қуатына және шығатын энергиясына байланысты. Күштi импульстi лазерлермен жұмыс iстегенде шығатын энергия жүздеген Дж-ге, шағылысқан лазер сәулесінің энергия тығыздығы кейде 10-2 — 10-3 Джсм2-ге дейiн жетедi. Лазерлiк сәулелер көздің торлы қабатын зақымдайды, ереже бойынша оператордың көзiне сәулелер аз көлемде түседi, себебi генерация кезiнде, зерттеушi өзiн сақтау шараларын қолданады: көзiн жабу, көзiлдiрiк кию, бұрылып басқа жаққа қарау және т.б. Кейде күштi импульстiк ОКГ-қ жұмыс жағдайында шу өте жоғары (120 дБ) болады және спектрдегi жиiлiк 125-400 Гц-ке жетедi. ОКГ тұрған жерде ауаның газдық және иондық құрамы өзгермейдi, бірақ ұзақ жұмыс жағдайында ауаның иондық құрамында азон және басқа зиянды қосылыстар көбейеді. Лазерлiк қондырғылармен жұмыс … жалғасы