ლაზერის პრინციპი და მისი გამოყენება

ლაზერი გულისხმობს კოლიმირებული, მონოქრომატული, კოჰერენტული სინათლის სხივების გენერირების პროცესსა და ინსტრუმენტს სტიმულირებული გამოსხივების გაძლიერებისა და აუცილებელი უკუკავშირის გზით. ლაზერის გენერაციისთვის ძირითადად სამი ელემენტია საჭირო: „რეზონატორი“, „გაძლიერების საშუალება“ და „სატუმბი წყარო“.

ა. პრინციპი

ატომის მოძრაობის მდგომარეობა შეიძლება დაიყოს სხვადასხვა ენერგეტიკულ დონეებად და როდესაც ატომი მაღალი ენერგეტიკული დონიდან დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე გადადის, ის გამოყოფს შესაბამისი ენერგიის ფოტონებს (ე.წ. სპონტანური გამოსხივება). ანალოგიურად, როდესაც ფოტონი ეცემა ენერგეტიკული დონის სისტემას და შთანთქავს მას, ეს გამოიწვევს ატომის გადასვლას დაბალი ენერგეტიკული დონიდან მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე (ე.წ. აგზნებული შთანთქმა); შემდეგ, ზოგიერთი ატომ, რომელიც გადადის უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეებზე, გადავა უფრო დაბალ ენერგეტიკულ დონეებზე და გამოასხივებს ფოტონებს (ე.წ. სტიმულირებული გამოსხივება). ეს მოძრაობები არ ხდება იზოლირებულად, არამედ ხშირად პარალელურად. როდესაც ვქმნით პირობას, როგორიცაა შესაბამისი გარემოს, რეზონატორის, საკმარისი გარე ელექტრული ველის გამოყენება, სტიმულირებული გამოსხივება ძლიერდება ისე, რომ სტიმულირებულ შთანთქმაზე მეტად, მაშინ ზოგადად, გამოსხივდება ფოტონები, რაც იწვევს ლაზერულ სინათლეს.

ბ. კლასიფიკაცია

ლაზერის წარმომქმნელი საშუალების მიხედვით, ლაზერი შეიძლება დაიყოს თხევად, გაზის ლაზერად და მყარ ლაზერად. ამჟამად ყველაზე გავრცელებული ნახევარგამტარული ლაზერი მყარი მდგომარეობის ლაზერის სახეობაა.

გ. შემადგენლობა

ლაზერების უმეტესობა სამი ნაწილისგან შედგება: აგზნების სისტემა, ლაზერული მასალა და ოპტიკური რეზონატორი. აგზნების სისტემები არის მოწყობილობები, რომლებიც წარმოქმნიან სინათლის, ელექტრულ ან ქიმიურ ენერგიას. ამჟამად, ძირითადი გამოყენებული სტიმულის საშუალებებია სინათლე, ელექტროენერგია ან ქიმიური რეაქცია. ლაზერული ნივთიერებები არის ნივთიერებები, რომლებსაც შეუძლიათ ლაზერული სინათლის წარმოქმნა, როგორიცაა ლალი, ბერილიუმის მინა, ნეონის გაზი, ნახევარგამტარები, ორგანული საღებავები და ა.შ. ოპტიკური რეზონანსის კონტროლის როლია გამომავალი ლაზერის სიკაშკაშის გაზრდა, ლაზერის ტალღის სიგრძისა და მიმართულების რეგულირება და შერჩევა.

დ. განაცხადი

ლაზერი ფართოდ გამოიყენება, ძირითადად ბოჭკოვანი კომუნიკაცია, ლაზერული რანჟირება, ლაზერული ჭრა, ლაზერული იარაღი, ლაზერული დისკი და ა.შ.

ე. ისტორია

1958 წელს ამერიკელმა მეცნიერებმა სიაოლუომ და ტაუნსმა აღმოაჩინეს ჯადოსნური ფენომენი: როდესაც ისინი შიდა ნათურის მიერ გამოსხივებულ სინათლეს იშვიათმიწა კრისტალზე ათავსებენ, კრისტალის მოლეკულები კაშკაშა, ყოველთვის ერთად ძლიერ სინათლეს ასხივებენ. ამ ფენომენის მიხედვით, მათ შემოგვთავაზეს „ლაზერული პრინციპი“, ანუ როდესაც ნივთიერება აღიგზნება იმავე ენერგიით, რაც მისი მოლეკულების ბუნებრივი რხევის სიხშირეა, ის წარმოქმნის ამ ძლიერ სინათლეს, რომელიც არ ირყევა - ლაზერს. მათ ამისთვის მნიშვნელოვანი ნაშრომები იპოვეს.

სკიოლოსა და ტაუნსის კვლევის შედეგების გამოქვეყნების შემდეგ, სხვადასხვა ქვეყნის მეცნიერებმა შემოგვთავაზეს სხვადასხვა ექსპერიმენტული სქემა, მაგრამ ისინი წარუმატებელი აღმოჩნდა. 1960 წლის 15 მაისს, კალიფორნიის ჰიუზის ლაბორატორიის მეცნიერმა მეიმენმა განაცხადა, რომ მან მიიღო 0.6943 მიკრონის ტალღის სიგრძის ლაზერი, რომელიც ადამიანის მიერ მიღებული პირველი ლაზერი იყო და ამგვარად, მეიმენი გახდა მსოფლიოში პირველი მეცნიერი, რომელმაც ლაზერები პრაქტიკულ სფეროში დანერგა.

1960 წლის 7 ივლისს მეიმენმა გამოაცხადა მსოფლიოში პირველი ლაზერის დაბადება. მეიმენის სქემა გულისხმობს მაღალი ინტენსივობის ციმციმის მილის გამოყენებას ლალის კრისტალში ქრომის ატომების სტიმულირებისთვის, რითაც წარმოიქმნება ძალიან კონცენტრირებული თხელი წითელი სინათლის სვეტი, რომლის გარკვეულ წერტილში გაშვებისას მას შეუძლია მიაღწიოს მზის ზედაპირზე მაღალ ტემპერატურას.

ნახევარგამტარული ლაზერი საბჭოთა მეცნიერმა ჰ. გ. ბასოვმა 1960 წელს გამოიგონა. ნახევარგამტარული ლაზერის სტრუქტურა, როგორც წესი, შედგება P ფენისგან, N ფენისგან და აქტიური ფენისგან, რომლებიც ქმნიან ორმაგ ჰეტეროშეერთებას. მისი მახასიათებლებია: მცირე ზომა, მაღალი შეერთების ეფექტურობა, სწრაფი რეაგირების სიჩქარე, ტალღის სიგრძე და ზომა შეესაბამება ოპტიკურ ბოჭკოს ზომას, შესაძლებელია მისი პირდაპირი მოდულირება, კარგი კოჰერენტულობა.

ექვსი, ლაზერის გამოყენების რამდენიმე ძირითადი მიმართულება

ვ. ლაზერული კომუნიკაცია

სინათლის გამოყენება ინფორმაციის გადასაცემად დღეს ძალიან გავრცელებულია. მაგალითად, გემები კომუნიკაციისთვის იყენებენ შუქნიშნებს, ხოლო შუქნიშნები - წითელ, ყვითელ და მწვანე ფერებს. თუმცა, ჩვეულებრივი სინათლის გამოყენებით ინფორმაციის გადაცემის ყველა ეს გზა მხოლოდ მცირე მანძილებით შეიძლება შემოიფარგლოს. თუ გსურთ ინფორმაციის პირდაპირ შორეულ ადგილებში გადაცემა სინათლის საშუალებით, შეგიძლიათ არ გამოიყენოთ ჩვეულებრივი სინათლე, არამედ გამოიყენოთ მხოლოდ ლაზერები.

მაშ, როგორ მივაწოდოთ ლაზერი? ჩვენ ვიცით, რომ ელექტროენერგიის გატარება შესაძლებელია სპილენძის მავთულებით, მაგრამ სინათლის გატარება შეუძლებელია ჩვეულებრივი ლითონის მავთულებით. ამ მიზნით, მეცნიერებმა შეიმუშავეს სინათლის გამავრცელებელი ძაფი, რომელსაც ოპტიკური ბოჭკო ეწოდება. ოპტიკური ბოჭკო დამზადებულია სპეციალური მინის მასალებისგან, დიამეტრი ადამიანის თმაზე თხელია, ჩვეულებრივ 50-დან 150 მიკრონამდე და ძალიან რბილია.

სინამდვილეში, ბოჭკოს შიდა ბირთვი დამზადებულია გამჭვირვალე ოპტიკური მინისგან, მაღალი გარდატეხის ინდექსის მქონე, ხოლო გარეთა საფარი დამზადებულია დაბალი გარდატეხის ინდექსის მქონე მინის ან პლასტმასისგან. ასეთი სტრუქტურა, ერთი მხრივ, შეუძლია სინათლის გარდატეხა შიდა ბირთვის გასწვრივ, ისევე როგორც წყლის მოძრაობა წინ წყლის მილში, ელექტროენერგიის გადაცემა წინ მავთულში, მაშინაც კი, თუ ათასობით ბრუნვას არანაირი გავლენა არ მოუხდენია. მეორე მხრივ, დაბალი გარდატეხის ინდექსის მქონე საფარი ხელს უშლის სინათლის გაჟონვას, ისევე როგორც წყლის მილი არ ჟონავს და მავთულის საიზოლაციო ფენა არ ატარებს ელექტროენერგიას.

ოპტიკური ბოჭკოს გამოჩენა წყვეტს სინათლის გადაცემის გზას, მაგრამ ეს არ ნიშნავს, რომ მისი საშუალებით ნებისმიერი სინათლის გადაცემა ძალიან შორს შეიძლება. მხოლოდ მაღალი სიკაშკაშე, სუფთა ფერი, კარგი მიმართულებითი ლაზერი წარმოადგენს ინფორმაციის გადაცემის ყველაზე იდეალურ სინათლის წყაროს, ის შეჰყავთ ბოჭკოს ერთი ბოლოდან, თითქმის არ იკარგება და გამოდის მეორე ბოლოდან. ამიტომ, ოპტიკური კომუნიკაცია არსებითად ლაზერული კომუნიკაციაა, რომელსაც აქვს დიდი ტევადობის, მაღალი ხარისხის, მასალების ფართო წყაროს, ძლიერი კონფიდენციალურობის, გამძლეობის და ა.შ. უპირატესობები და მეცნიერების მიერ კომუნიკაციის სფეროში რევოლუციად არის მიჩნეული და ტექნოლოგიური რევოლუციის ერთ-ერთ ყველაზე ბრწყინვალე მიღწევად ითვლება.