Жарықтың кванттық көздерi. Лазерлер

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.

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.

7.5 - сурет

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 инверсиялы қоныстанған 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 10⁹ 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 (10¹³ – 10¹⁴ Гц) болуы бiр жарыққұбыры арқылы миллиардқа дейiнгi музыкалық хабарды немесе миллионға дейiнгi телехабарды бiрмезгiлде тасымалдауға мүмкiндiк бередi.

Бұл күндерi лазерлiк термоядролық синтездi жүзеге асыру мүмкiндiктерi зерттелуде.