Лазер және оны өңдеу жүйесі

1. Лазерлік генерация принципі

Атом құрылымы ортасында атом ядросы орналасқан кішкентай күн жүйесіне ұқсайды. Электрондар атом ядросының айналасында үнемі айналады, ал атом ядросы да үнемі айналады.

Ядро протондар мен нейтрондардан тұрады. Протондар оң зарядталған, ал нейтрондар зарядсыз. Бүкіл ядро ​​тасымалдайтын оң зарядтар саны бүкіл электрондар тасымалдайтын теріс зарядтар санына тең, сондықтан атомдар әдетте сыртқы әлемге бейтарап болады.

Атом массасына келетін болсақ, ядро ​​атом массасының көп бөлігін шоғырландырады, ал барлық электрондар алып жатқан масса өте аз. Атом құрылымында ядро ​​тек аз ғана кеңістікті алады. Электрондар ядроның айналасында айналады, ал электрондардың белсенділік үшін кеңістігі әлдеқайда үлкен.

Атомдардың «ішкі энергиясы» бар, ол екі бөліктен тұрады: біріншісі - электрондардың орбиталық жылдамдығы және белгілі бір кинетикалық энергиясы бар; екіншісі - теріс зарядталған электрондар мен оң зарядталған ядро ​​​​арасында қашықтық бар және белгілі бір мөлшерде потенциалдық энергия бар. Барлық электрондардың кинетикалық энергиясы мен потенциалдық энергиясының қосындысы бүкіл атомның энергиясын құрайды, ол атомның ішкі энергиясы деп аталады.

Барлық электрондар ядроның айналасында айналады; кейде ядроға жақынырақ болғанда, бұл электрондардың энергиясы аз болады; кейде ядродан алыстаған сайын, бұл электрондардың энергиясы үлкенірек болады; пайда болу ықтималдығына сәйкес, адамдар электрон қабатын әртүрлі «энергия деңгейіне» бөледі; Белгілі бір «энергия деңгейінде» бірнеше электрон жиі айналатын болуы мүмкін және әрбір электронның бекітілген орбитасы болмайды, бірақ бұл электрондардың барлығының энергия деңгейі бірдей; «энергия деңгейлері» бір-бірінен оқшауланған. Иә, олар энергия деңгейлеріне сәйкес оқшауланған. «Энергия деңгейі» ұғымы электрондарды энергиясына сәйкес деңгейлерге бөліп қана қоймай, сонымен қатар электрондардың орбиталық кеңістігін бірнеше деңгейге бөледі. Қысқасы, атомда бірнеше энергия деңгейлері болуы мүмкін, ал әртүрлі энергия деңгейлері әртүрлі энергияларға сәйкес келеді; кейбір электрондар «төмен энергия деңгейінде» орбитаға шығады, ал кейбір электрондар «жоғары энергия деңгейінде» орбитаға шығады.

Қазіргі таңда орта мектеп физикасы кітаптарында белгілі бір атомдардың құрылымдық сипаттамалары, әрбір электрон қабатындағы электрондардың таралу ережелері және әртүрлі энергия деңгейлеріндегі электрондар саны анық көрсетілген.

Атом жүйесінде электрондар негізінен қабаттар бойынша қозғалады, кейбір атомдар жоғары энергия деңгейінде, ал кейбіреулері төмен энергия деңгейінде болады; атомдарға әрқашан сыртқы орта (температура, электр тогы, магнетизм) әсер ететіндіктен, жоғары энергия деңгейіндегі электрондар тұрақсыз және төмен энергия деңгейіне өздігінен ауысқанда оның әсері жұтылуы немесе арнайы қоздыру әсерлерін тудырып, «өздігінен шығарылу» тудыруы мүмкін. Сондықтан, атом жүйесінде жоғары энергия деңгейіндегі электрондар төмен энергия деңгейіне ауысқанда екі көрініс болады: «өздігінен шығарылу» және «ынталандырылған шығарылу».

Өздігінен сәулелену кезінде жоғары энергиялы күйлердегі электрондар тұрақсыз болады және сыртқы ортаның (температура, электр, магнетизм) әсерінен өздігінен төмен энергиялы күйлерге ауысады, ал артық энергия фотондар түрінде сәулеленеді. Бұл сәулеленудің ерекшелігі - әрбір электронның ауысуы тәуелсіз және кездейсоқ түрде жүзеге асырылады. Әр түрлі электрондардың өздігінен сәулеленуінің фотондық күйлері әртүрлі. Жарықтың өздігінен сәулеленуі «біркелкі емес» күйде болады және шашыраңқы бағыттарға ие. Дегенмен, өздігінен сәулелену атомдардың өздерінің сипаттамаларына ие, ал әртүрлі атомдардың өздігінен сәулелену спектрлері әртүрлі. Бұл туралы айтқанда, бұл адамдарға физикадағы негізгі білімді еске салады: «Кез келген зат жылу сәулелену қабілетіне ие, ал зат электромагниттік толқындарды үздіксіз сіңіріп, шығара алады. Жылу сәулеленетін электромагниттік толқындардың белгілі бір спектрлік таралуы бар. Бұл спектрдің таралуы заттың өзінің қасиеттерімен және оның температурасымен байланысты». Сондықтан жылу сәулеленуінің болуының себебі - атомдардың өздігінен сәулеленуі.

Ынталандырылған сәулелену кезінде жоғары энергиялы деңгейдегі электрондар «жағдайларға сәйкес келетін фотондардың» «ынталандыруы» немесе «индукциясы» кезінде төмен энергиялы деңгейге ауысады және түскен фотонмен бірдей жиіліктегі фотонды сәулелендіреді. Ынталандырылған сәулеленудің ең үлкен ерекшелігі - ынталандырылған сәулелену арқылы пайда болған фотондар ынталандырылған сәулеленуді тудыратын түскен фотондармен бірдей күйде болады. Олар «когерентті» күйде болады. Олардың жиілігі мен бағыты бірдей, және екеуінің арасындағы айырмашылықтарды ажырату мүлдем мүмкін емес. Осылайша, бір фотон бір ынталандырылған сәулелену арқылы екі бірдей фотонға айналады. Бұл жарықтың күшейетінін немесе «күшейтілетінін» білдіреді.

Енді қайтадан талдап көрейік, жиірек стимуляцияланған сәулеленуді алу үшін қандай жағдайлар қажет?

Қалыпты жағдайда жоғары энергия деңгейлеріндегі электрондар саны әрқашан төмен энергия деңгейлеріндегі электрондар санынан аз болады. Егер сіз атомдардың ынталандырылған сәулеленуін тудыруын қаласаңыз, жоғары энергия деңгейлеріндегі электрондар санын көбейтуіңіз керек, сондықтан сізге көбірек ынталандыру мақсатында «сорғы көзі» қажет. Тым көп төмен энергия деңгейіндегі электрондар жоғары энергия деңгейлеріне секіреді, сондықтан жоғары энергия деңгейіндегі электрондар саны төмен энергия деңгейіндегі электрондар санынан көп болады және «бөлшектер санының өзгеруі» орын алады. Тым көп жоғары энергия деңгейіндегі электрондар өте қысқа уақытқа ғана тұра алады. Уақыт төменгі энергия деңгейіне секіреді, сондықтан ынталандырылған сәулелену мүмкіндігі артады.

Әрине, «сорғы көзі» әртүрлі атомдарға орнатылған. Ол электрондардың «резонанс жасауына» мүмкіндік береді және төмен энергия деңгейіндегі электрондардың жоғары энергия деңгейіне өтуіне мүмкіндік береді. Оқырмандар негізінен лазер дегеніміз не екенін түсіне алады. Лазер қалай өндіріледі? Лазер - бұл белгілі бір «сорғы көзінің» әсерінен объектінің атомдарымен «қоздырылатын» «жарық сәулеленуі». Бұл лазер.