Лазер цацрагийн өнгө, идэвхтэй орчин материал. X, K, Ka, Laser хамтлаг гэж юу вэ, POP гэж юу вэ

Лазер нь анагаах ухаан, физик, хими, геологи, биологи, инженерийн салбарт улам бүр чухал судалгааны хэрэгсэл болж байна. Хэрэв буруу ашиглавал операторууд болон бусад ажилтнууд, тэр дундаа лабораторид байгаа үзэгчдийг сохлох, гэмтээж (түлэгдэх, цахилгаанд цохиулах гэх мэт), мөн эд хөрөнгийн ихээхэн хохирол учруулж болзошгүй. Эдгээр төхөөрөмжүүдийн хэрэглэгчид тэдгээртэй ажиллахдаа аюулгүй байдлын урьдчилан сэргийлэх арга хэмжээг бүрэн ойлгож, хэрэгжүүлэх ёстой.

Лазер гэж юу вэ?

"Лазер" гэдэг үг (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) нь "цацрагийн өдөөгдсөн ялгаруулалтаар гэрлийг өсгөх" гэсэн товчлол юм. Лазераас үүссэн цацрагийн давтамж нь харагдах хэсгийн дотор эсвэл ойролцоо байна цахилгаан соронзон спектр. Лазераас үүдэлтэй ялгаралт гэж нэрлэгддэг процессоор энерги нь маш өндөр эрчимтэй болж нэмэгддэг.

"Цацраг туяа" гэсэн нэр томъёог ихэвчлэн B-ийг тодорхойлоход ашигладаг тул буруу ойлгодог энэ хүрээндэнэ нь эрчим хүч дамжуулах гэсэн үг юм. Эрчим хүч нь дамжуулалт, конвекц, цацраг туяагаар дамжин нэг газраас нөгөөд шилждэг.

Олон бий янз бүрийн төрөлажиллаж байгаа лазерууд өөр өөр орчин. Ажлын орчин болгон хий ашигладаг (жишээлбэл, аргон эсвэл гели ба неон хольц), хатуу талстууд(жишээ нь бадмаараг) эсвэл шингэн будаг. Ажлын орчинд энерги нийлүүлэх үед энэ нь догдолж, гэрлийн бөөмс (фотон) хэлбэрээр энерги ялгаруулдаг.

Битүүмжилсэн хоолойн хоёр төгсгөлд байрлах хос толь нь лазер туяа гэж нэрлэгддэг төвлөрсөн урсгал дахь гэрлийг тусгаж эсвэл дамжуулдаг. Үйл ажиллагааны орчин бүр өвөрмөц долгионы урт, өнгөт цацраг үүсгэдэг.

Лазер гэрлийн өнгийг ихэвчлэн долгионы уртаар илэрхийлдэг. Энэ нь ионжуулдаггүй бөгөөд спектрийн хэт ягаан туяа (100-400 нм), харагдахуйц (400-700 нм), хэт улаан туяа (700 нм - 1 мм) хэсгүүдийг агуулдаг.

Цахилгаан соронзон спектр

Цахилгаан соронзон долгион бүр энэ параметртэй холбоотой өвөрмөц давтамж, урттай байдаг. Улаан гэрэл өөрийн гэсэн давтамж, долгионы урттай байдаг шиг бусад бүх өнгө - улбар шар, шар, ногоон, цэнхэр өнгө нь өвөрмөц давтамж, долгионы урттай байдаг. Хүмүүс эдгээр цахилгаан соронзон долгионыг мэдрэх чадвартай боловч спектрийн бусад хэсгийг харах боломжгүй байдаг.

Хэт ягаан туяа ч хамгийн өндөр давтамжтай байдаг. Хэт улаан туяа, богино долгионы цацраг, радио долгионыг эзэлдэг бага давтамжуудспектр Үзэгдэх гэрэл нь энэ хоёрын хооронд маш нарийн зайд оршдог.

хүмүүст үзүүлэх нөлөө

Лазер нь хүчтэй, чиглэсэн гэрлийн туяа үүсгэдэг. Хэрэв объект руу чиглүүлэх, тусгах эсвэл анхаарлаа төвлөрүүлбэл цацраг нь хэсэгчлэн шингэж, тухайн объектын гадаргуу болон дотор талын температурыг ихэсгэх бөгөөд энэ нь материалыг өөрчлөх, деформацид хүргэдэг. Лазер мэс засал, материал боловсруулахад ашигладаг эдгээр чанарууд нь хүний ​​эд эсэд аюултай байж болно.

Эд эсэд дулааны нөлөө үзүүлдэг цацраг туяанаас гадна фотохимийн нөлөөг үүсгэдэг лазер цацраг нь аюултай. Түүний нөхцөл нь хангалттай богино, өөрөөр хэлбэл, спектрийн хэт ягаан туяа эсвэл цэнхэр хэсэг юм. Орчин үеийн төхөөрөмжүүд нь лазерын цацрагийг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь хүмүүст үзүүлэх нөлөөллийг бууруулдаг. Бага чадалтай лазерууд нь хор хөнөөл учруулах хангалттай энергигүй бөгөөд аюул учруулахгүй.

Хүний эд нь энергид мэдрэмтгий байдаг бөгөөд тодорхой нөхцөлд цахилгаан соронзон цацраг, түүний дотор лазерын цацраг нь нүд, арьсыг гэмтээж болно. Гэмтлийн цацрагийн босго түвшингийн талаар судалгаа хийсэн.

Нүдний аюул

Хүний нүд арьснаас илүү гэмтэлд өртөмтгий байдаг. Эвэрлэг бүрхэвч (нүдний урд талын тунгалаг гадаргуу) нь дермисээс ялгаатай нь хүрээлэн буй орчны нөлөөллөөс хамгаалах үхсэн эсийн гаднах давхаргагүй байдаг. Лазер нь нүдний эвэрлэг бүрхэвчинд шингэдэг бөгөөд энэ нь түүнд хор хөнөөл учруулж болзошгүй юм. Гэмтэл нь хучуур эд, элэгдэл хаван дагалддаг бөгөөд хүнд гэмтэл авсан тохиолдолд урд талын камерын үүлэрхэг.

Нүдний линз нь янз бүрийн лазер туяа - хэт улаан туяа, хэт ягаан туяанд өртөх үед гэмтэлд өртөмтгий байдаг.

Хамгийн том аюул бол оптик спектрийн харагдахуйц хэсэгт - 400 нм (ягаан) -аас 1400 нм (хэт улаан туяаны ойролцоо) хүртэлх лазерын нүдний торлог бүрхэвчинд үзүүлэх нөлөө юм. Спектрийн энэ бүс нутагт collimated туяа нь торлог бүрхэвчийн маш жижиг хэсгүүдэд төвлөрдөг. Нүд нь алсыг харж, шууд эсвэл ойсон цацрагт өртөх үед хамгийн таагүй нөлөөлөл үүсдэг. Энэ тохиолдолд нүдний торлог бүрхэвч дээрх концентраци 100,000 дахин хүрдэг.

Ийнхүү 10 мВт/см 2 чадалтай харагдахуйц цацраг нь 1000 Вт/см 2 чадалтай торлог бүрхэвчинд нөлөөлдөг. Энэ нь хохирол учруулахад хангалттай юм. Хэрэв нүд нь алсыг харахгүй, эсвэл сарнисан цацрагаас туссан бол толин тусгал гадаргуу, илүү их бэртэл гэмтэлд хүргэдэг хүчтэй цацраг. Лазер өртөхАрьсанд анхаарал төвлөрүүлэх нөлөө байхгүй тул эдгээр долгионы уртад гэмтэл авах нь хамаагүй бага байдаг.

Рентген туяа

15 кВ-оос дээш хүчдэлтэй зарим өндөр хүчдэлийн систем үүсгэж болно рентген туяамэдэгдэхүйц хүч: лазерын цацраг, эх үүсвэр нь электрон шахуургатай хүчтэй, түүнчлэн плазмын систем ба ионы эх үүсвэр. Эдгээр төхөөрөмжүүд нь бусад зүйлсээс гадна зохих хамгаалалтыг хангахын тулд турших ёстой.

Ангилал

Цацрагийн хүч, энерги, цацрагийн долгионы уртаас хамааран лазерыг хэд хэдэн ангилалд хуваадаг. Ангилал нь цацраг туяанд шууд өртөх эсвэл сарнисан цацруулагч гадаргуугаас ойх үед нүд, арьс, гал түймэрт шууд гэмтэл учруулах төхөөрөмж дээр суурилдаг. Бүх арилжааны лазерыг тэдгээрт тавьсан тэмдэглэгээгээр тодорхойлох ёстой. Хэрэв төхөөрөмжийг гэртээ хийсэн эсвэл тэмдэглэгээгүй бол зохих ангилал, шошгоны талаар зөвлөгөө авах шаардлагатай. Лазерууд нь хүч, долгионы урт, өртөх хугацаагаар ялгагдана.

Аюулгүй төхөөрөмжүүд

Нэгдүгээр зэрэглэлийн төхөөрөмжүүд нь бага эрчимтэй лазерын цацраг үүсгэдэг. Энэ нь хүрч чадахгүй аюултай түвшин, тиймээс эх сурвалжууд ихэнх хяналт эсвэл тандалтын бусад хэлбэрээс чөлөөлөгддөг. Жишээ нь: лазер принтер, CD тоглуулагч.

Нөхцөлт аюулгүй төхөөрөмж

Хоёрдугаар зэрэглэлийн лазерууд нь спектрийн харагдах хэсэгт ялгардаг. Энэ бол лазерын цацраг бөгөөд түүний эх үүсвэр нь хүний ​​​​биед үүсдэг хэвийн урвалхэт их татгалзах тод гэрэл (анивчих рефлекс). Цацрагт өртөх үед хүний ​​нүд 0.25 секундын дотор анивчдаг бөгөөд энэ нь хангалттай хамгаалалт болдог. Гэсэн хэдий ч харагдахуйц хүрээн дэх лазерын цацраг нь байнгын өртөлтөөр нүдийг гэмтээж болно. Жишээ нь: лазер заагч, геодезийн лазер.

2а ангиллын лазерууд нь төхөөрөмжүүд юм тусгай зориулалт 1 мВт-аас бага гаралтын чадалтай. Эдгээр төхөөрөмжүүд нь 8 цагийн ажлын өдөрт 1000 секундээс илүү хугацаанд шууд өртөхөд л гэмтэл учруулдаг. Жишээ нь: зураасан код уншигч.

Аюултай лазерууд

Ангилал 3а нь хамгаалалтгүй нүдэнд богино хугацаанд өртөх үед гэмтэл учруулахгүй төхөөрөмжүүд багтана. Телескоп, микроскоп, дуран зэрэг фокуслах оптик ашиглах үед аюул учруулж болзошгүй. Жишээ нь: 1-5 мВт гелий-неон лазер, зарим лазер заагч, барилгын түвшин.

Ангилал 3b лазер туяа нь шууд өртөхөөс эсвэл гэмтэл учруулж болзошгүй толин тусгал дүрс. Жишээ нь: Гели-неон лазер 5-500 мВт, судалгааны болон эмчилгээний олон лазерууд.

4-р ангилалд 500 мВт-аас дээш чадалтай төхөөрөмжүүд багтана. Эдгээр нь нүд, арьсанд аюултай бөгөөд галын аюул юм. Цацрагийн нөлөөлөл, түүний толин тусгал эсвэл сарнисан тусгалнүд, арьсыг гэмтээж болно. Аюулгүй байдлын бүх арга хэмжээг авах ёстой. Жишээ нь: Nd:YAG лазер, дэлгэц, мэс засал, металл зүсэлт.

Лазер цацраг: хамгаалалт

Лаборатори бүр лазертай ажилладаг хүмүүсийг зохих хамгаалалтаар хангах ёстой. 2, 3, 4-р зэрэглэлийн төхөөрөмжөөс цацраг туяа нэвтэрч, хяналтгүй газарт хор хөнөөл учруулж болзошгүй өрөөний цонхыг ийм төхөөрөмж ажиллаж байх үед бүрхэж эсвэл өөр аргаар хамгаалах ёстой. Нүдний хамгаалалтыг дээд зэргээр хангахын тулд дараахь зүйлийг хийхийг зөвлөж байна.

• Боодол нь санамсаргүй өртөх, гал түймэр гарах эрсдэлийг багасгахын тулд гэрэл тусдаггүй, шатдаггүй хамгаалалтын хаалтанд хаалттай байх ёстой. Цацрагийг тэгшлэхийн тулд флюресцент дэлгэц эсвэл хоёрдогч үзмэрүүдийг ашиглах; Нүдэнд шууд хүрэхээс зайлсхий.
• Цацрагийн тэгшлэх процедурын хувьд хамгийн бага хүчийг ашиглана. Боломжтой бол тохируулгын урьдчилсан журмын хувьд бага зэрэглэлийн төхөөрөмжийг ашигла. Лазер ажиллуулах хэсэгт шаардлагагүй цацруулагч объект байхаас зайлсхий.
• Аюултай бүс дэх цацрагийн дамжуулалтыг хязгаарлана ажлын бус цагсаад болон бусад саадыг ашиглах. 3b ба 4-р ангийн лазерын цацрагийг тэгшлэхийн тулд өрөөний ханыг бүү ашигла.
• Гэрэл тусдаггүй багаж хэрэглээрэй. Үзэгдэх гэрлийг тусгаагүй зарим төхөөрөмж нь спектрийн үл үзэгдэх хэсэгт толин тусгал болдог.
• Гэрэл цацруулагч үнэт эдлэл бүү өмс. Металл үнэт эдлэл нь цахилгаанд цохиулах эрсдэлийг нэмэгдүүлдэг.

Хамгаалалтын шил

Нээлттэй 4-р ангийн лазертай ажиллахдаа аюулын бүсэсвэл тусгах эрсдэлтэй тохиолдолд хамгаалалтын шил хэрэглэнэ. Тэдний төрөл нь цацрагийн төрлөөс хамаарна. Нүдний шилийг тусгалаас хамгаалах, ялангуяа сарнисан тусгалаас хамгаалах, байгалийн хамгаалалтын рефлекс нь нүдийг гэмтээхээс сэргийлж чадахуйц хамгаалалтыг өгөх ёстой. Ийм оптик төхөөрөмжүүд нь цацрагийн харагдах байдлыг тодорхой хэмжээгээр хадгалж, арьсыг түлэгдэхээс сэргийлж, бусад ослын магадлалыг бууруулдаг.

Хамгаалалтын шил сонгохдоо анхаарах ёстой хүчин зүйлүүд:

• долгионы урт буюу цацрагийн спектрийн бүс;
• тодорхой долгионы урттай оптик нягтрал;
• хамгийн их гэрэлтүүлэг (Вт / см2) эсвэл цацрагийн хүч (W);
• лазерын системийн төрөл;
• цахилгаан горим - импульсийн лазер цацраг эсвэл тасралтгүй горим;
• тусгалын боломжууд - спекуляр ба сарнисан;
• харах талбар;
• хараа засах зориулалттай нүдний шил зүүж болохуйц залруулах линз эсвэл хангалттай хэмжээтэй байх;
• тав тухтай байдал;
• манан үүсэхээс урьдчилан сэргийлэх агааржуулалтын нүх байгаа эсэх;
• өнгөний хараанд үзүүлэх нөлөө;
• нөлөөллийн эсэргүүцэл;
• шаардлагатай ажлуудыг гүйцэтгэх чадвар.

Хамгаалалтын шил нь эвдэрч, элэгдэлд өртөмтгий байдаг тул лабораторийн аюулгүй байдлын хөтөлбөрт эдгээр хамгаалалтын хэрэгслийг үе үе шалгаж байх ёстой.

Лазер гэдэг нь тодорхой долгионы урттай гэрлийг өсгөх шинж чанартай урвуу энергийн түвшинтэй орчинд өдөөгдсөн ялгардаг атом эсвэл молекулуудын энергийг ашигладаг оптик долгионы үүсгэгч юм. Гэрлийг олон дахин нэмэгдүүлэхийн тулд 2 толин тусгалаас бүрдэх оптик резонаторыг ашигладаг. Төрөл бүрийн шахах аргуудын улмаас идэвхтэй элементэд идэвхтэй орчин үүсдэг.

Зураг 1 - Лазер төхөөрөмжийн диаграмм

Дээрх нөхцлүүдийн улмаас лазерд спектр үүсдэг бөгөөд үүнийг Зураг 2-т үзүүлэв (лазер горимын тоог резонаторын уртаар хянадаг):

Зураг 2 - Уртааш лазер горимуудын спектр

Лазерууд байдаг өндөр зэрэгтэймонохроматик байдал, их хэмжээний эрчим, гэрэл гэгээтэй цацрагийн чиглэл ба туйлшралын өндөр түвшин, цаг хугацааны болон орон зайн уялдаа холбоо өндөр зэрэг нь дулааны гэрлийн эх үүсвэрээс ялгаатай нь долгионы уртаар дахин зохион байгуулагдаж, богино хугацааны гэрлийн импульс ялгаруулж чаддаг.

Лазер технологийг хөгжүүлэх явцад шинж чанараараа хэрэгцээг хангасан лазер ба лазерын системийн томоохон жагсаалтыг бий болгосон. лазер технологи, түүний дотор биотехнологи. Биологийн системийн дизайны нарийн төвөгтэй байдал, тэдгээрийн гэрлийн харилцан үйлчлэлийн шинж чанар нь ихээхэн ялгаатай байгаа нь фотобиологийн чиглэлээр олон төрлийн лазер системийг ашиглах хэрэгцээг тодорхойлж, шинэ лазер төхөөрөмжийг хөгжүүлэхэд түлхэц болж байна. системүүд лазерын цацрагсудалгааны эсвэл нөлөөллийн объект руу.

Энгийн гэрлийн нэгэн адил лазерын цацраг нь биологийн орчинд тусч, шингэж, дахин ялгарч, тархдаг. Бүгд жагсаасан процессуудобъектын микро ба макро бүтэц, түүний бие даасан хэсгүүдийн хөдөлгөөн, хэлбэрийн талаархи мэдээллийг авч явах.

Монохроматик чанар нь өндөр спектрийн нягтЛазер цацрагийн хүч эсвэл цацрагийн цаг хугацааны мэдэгдэхүйц уялдаа холбоо нь дараахь зүйлийг хангадаг. спектрийн шинжилгээуламжлалт спектрометрээс хэд хэдэн дарааллын өндөр нарийвчлалтай; биотехнологийн хувьд зайлшгүй шаардлагатай тэдгээрийн холимог дахь тодорхой төрлийн молекулуудыг өдөөх өндөр сонгомол чанар; биологийн объектыг оношлох интерферометрийн болон голографийн аргуудыг хэрэгжүүлэх.

Лазерын туяа бараг зэрэгцээ байдаг тул зай нэмэгдэх тусам гэрлийн туяа бага зэрэг нэмэгддэг. Бүртгэгдсэн үл хөдлөх хөрөнгөЛазер туяа нь биологийн эд эсийн янз бүрийн хэсэгт сонгомол нөлөө үзүүлж, жижиг цэгт их хэмжээний эрчим хүч эсвэл эрчим хүчний нягтрал үүсгэх боломжийг олгодог.

Лазер суурилуулалтыг дараах бүлгүүдэд хуваана.

1) Неодим, нүүрстөрөгчийн дутуу исэл дээр өндөр хүчин чадалтай лазер, нүүрстөрөгчийн давхар исэл, аргон, бадмаараг, металлын уур гэх мэт;

2) Биеийн эд эсэд тодорхой дулааны нөлөө үзүүлэхгүй бага энергитэй цацраг (гели-кадми, гелий-неон, азот, будагч бодис гэх мэт) бүхий лазерууд.

Одоогоор спектрийн хэт ягаан, үзэгдэх болон хэт улаан туяаны бүсэд цацраг үүсгэдэг лазерын системүүд байдаг. Лазерын цацрагийн биологийн нөлөө нь гэрлийн цацрагийн долгионы урт, тунгаас хамаарна.

Нүдний эмчилгээнд тэд ихэвчлэн ашигладаг: эксимер лазер (193 нм долгионы урттай); аргон (488 нм ба 514 нм); криптон (568 нм ба 647 нм); гелий-неон лазер (630 нм); диод (810 нм); Давтамж хоёр дахин нэмэгддэг (532 нм) ND:YAG лазер, мөн 1.06 μм долгионы урттай; 10-нүүрстөрөгчийн давхар ислийн лазер (10.6 мкм). Нүдний лазерын цацрагийн хамрах хүрээг долгионы уртаар тодорхойлно.

Лазер суурилуулалт нь идэвхтэй орчинд нийцүүлэн нэрээ авдаг бөгөөд илүү нарийвчилсан ангилалд хатуу төлөв, хий, хагас дамжуулагч, шингэн лазер болон бусад орно. Хатуу төлөвт лазеруудын жагсаалтад: неодим, бадмаараг, александрит, эрбиум, холмиум; хийнүүд нь: аргон, эксимер, зэсийн уур; шингэнд: будгийн уусмал дээр ажилладаг лазер болон бусад.

Өндөр үр ашигтай (уламжлалт 10-30% -аас 60 - 80% хүртэл), жижиг хэмжээтэй, найдвартай байдлаас шалтгаалан шинээр гарч ирж буй хагас дамжуулагч лазерууд хувьсгал хийсэн. Үүний зэрэгцээ бусад төрлийн лазерууд өргөн хэрэглэгддэг хэвээр байна.

Лазерыг ашиглах хамгийн чухал шинж чанаруудын нэг нь объектын гадаргуугаас когерент цацраг тусах үед толбо үүсгэх чадвар юм. Гадаргуугаар тархсан гэрэл нь эмх замбараагүй байрлалтай гэрэл ба хар толбо - толбоноос бүрдэнэ. Толбоны хэлбэр нь судалж буй объектын гадаргуу дээр байрлах жижиг тархалтын төвүүдийн хоёрдогч долгионы цогц хөндлөнгийн оролцоонд үндэслэн үүсдэг. Судалгаанд хамрагдаж буй биологийн объектуудын дийлэнх нь барзгар гадаргуутай, оптикийн ялгаатай шинж чанартай байдаг тул тэдгээр нь үргэлж толбо үүсгэдэг бөгөөд ингэснээр судалгааны эцсийн үр дүнд гажуудал үүсгэдэг. Хариуд нь толбоны талбар нь судалж буй гадаргуу болон гадаргуугийн ойролцоох давхаргын шинж чанаруудын талаархи мэдээллийг агуулдаг бөгөөд үүнийг оношилгооны зорилгоор ашиглаж болно.

Нүдний мэс засалд лазерыг дараахь чиглэлээр ашигладаг.

Катаракт мэс засалд: линз дээрх катарактын хуримтлал, мэс заслын дараах үе шатанд үүлтэй болох үед линзний арын капсулын зүсэлтийг устгах;

Глаукомын мэс засалд: лазер гониопунктур, трабекулопластик, склераль хавчаарын гүн давхаргыг эксимер лазераар зайлуулах, нэвчдэггүй гүн склерэктоми хийх үед;

Нүдний хавдрын мэс засалд: нүдний дотор байрлах зарим төрлийн хавдрыг арилгах.

Лазер цацрагт хамаарах хамгийн чухал шинж чанарууд нь: монохромат, уялдаа холбоо, чиглэл, туйлшрал юм.

Уялдаа холбоо (Латин хэлнээс cohaerens, холбогдсон, холбогдсон) гэдэг нь ижил давтамжтай, туйлшралтай хэд хэдэн хэлбэлзлийн долгионы процессуудын цаг хугацааны зохицуулалттай тохиолдох явдал юм; хоёр ба түүнээс дээш хэлбэлзлийн долгионы процессын шинж чанар нь нэмсэн тохиолдолд бие биенээ харилцан сайжруулах эсвэл сулруулах чадварыг тодорхойлдог. Хэрэв тэдгээрийн фазын ялгаа нь бүх хугацааны туршид тогтмол хэвээр байвал хэлбэлзлийг уялдаа холбоотой гэж нэрлэнэ, мөн хэлбэлзлийг нийлбэрлэвэл ижил давтамжийн хэлбэлзлийг олж авна. Хамгийн энгийн жишээхоёр уялдаатай хэлбэлзэл - ижил давтамжтай хоёр синусоид хэлбэлзэл.

Долгионы уялдаа холбоо нь долгионы өөр өөр цэгүүдэд синхроноор хэлбэлзэл үүсдэг, өөрөөр хэлбэл хоёр цэгийн хоорондох фазын зөрүү нь цаг хугацаатай холбоогүй байдаг; Тохиромжгүй байдал нь хоёр цэгийн хоорондох фазын зөрүү тогтмол биш тул цаг хугацааны явцад өөрчлөгддөг гэсэн үг юм. Энэ байдалХэрэв долгион нь нэг цацрагийн эх үүсвэрээс бус, ижил төстэй боловч бие биенээсээ хараат бус ялгаруулагчдын бүлгээс үүссэн тохиолдолд үүсдэг.

Ихэнхдээ энгийн эх үүсвэрүүд нь уялдаа холбоогүй хэлбэлзлийг ялгаруулдаг бол лазерууд нь уялдаатай хэлбэлзлийг ялгаруулдаг. Хүчин төгөлдөр байна энэ өмчийнлазерын цацраг нь аль болох их төвлөрч, хөндлөнгөөс оролцох чадвартай, ялгарах чадвар багатай, илүү өндөр цэгийн эрчим хүчний нягтралыг олж авах чадвартай.

Монохроматик байдал (Грекээр monos - нэг, зөвхөн + chroma - өнгө, будаг) - нэг тодорхой давтамж эсвэл долгионы урттай цацраг. Хэрэв цацраг нь 3-5 нм-ийн спектрийн мужид хамаарах бол түүнийг монохромат гэж нөхцөлт байдлаар хүлээн зөвшөөрч болно. Зөвхөн нэг л зөвшөөрөгдсөн бол электрон шилжилтдогдолсон байдлаас үндсэн төлөв рүү, дараа нь энэ нь бий болно монохромат цацраг.

Туйлшрал гэдэг нь цахилгаан соронзон долгион дахь цахилгаан ба соронзон орны хүч чадлын векторын тархалтын чиглэлийн хуваарилалтын тэгш хэм юм. Хэрэв эрчим хүчний векторын хоёр перпендикуляр бүрэлдэхүүн хэсэг байвал долгионыг туйлширсан гэж нэрлэнэ цахилгаан оронцаг хугацааны тогтмол фазын зөрүүтэй хэлбэлзэл. Туйлшралгүй - хэрэв өөрчлөлтүүд эмх замбараагүй болвол. Уртааш долгионы хувьд туйлшрал үүсэх боломжгүй, учир нь эвдрэл үүсдэг. энэ төрөлдолгион нь тархалтын чиглэлтэй үргэлж давхцдаг. Лазер цацраг нь маш туйлширсан гэрэл юм (75-100%).

Чиглэл (хамгийн нэг нь чухал шинж чанаруудлазерын цацраг) - цацраг нь маш бага зөрүүтэй гэрлийн туяа хэлбэрээр лазераас гарах чадвар. Энэ шинж чанар нь идэвхтэй орчин нь резонаторт (жишээлбэл, хавтгай параллель резонатор) байрладагтай холбоотой хамгийн энгийн үр дагавар юм. Ийм резонаторт зөвхөн резонаторын тэнхлэгийн дагуу эсвэл түүнтэй ойрхон тархдаг цахилгаан соронзон долгионыг дэмждэг.

Лазер цацрагийн үндсэн шинж чанарууд нь: долгионы урт, давтамж, энергийн параметрүүд юм. Эдгээр шинж чанарууд нь биотропик, өөрөөр хэлбэл биологийн объектуудад цацрагийн нөлөөллийг тодорхойлдог.

долгионы урт ( л) нь ижил долгионы хоёр зэргэлдээх хэлбэлзэх цэгийн хоорондох хамгийн бага зайг илэрхийлнэ. Ихэнхдээ анагаах ухаанд долгионы уртыг микрометр (мкм) эсвэл нанометрээр (нм) тодорхойлдог. Долгионы урт, тусгалын коэффициент, биеийн эд эсэд нэвтрэх гүн, лазерын цацрагийн шингээлт, биологийн нөлөө зэргээс хамаарч өөрчлөгддөг.

Давтамж нь нэгж хугацаанд гүйцэтгэсэн хэлбэлзлийн тоог тодорхойлдог бөгөөд долгионы уртын эсрэг байдаг. Ихэвчлэн герцээр (Гц) илэрхийлдэг. Давтамж нэмэгдэхийн хэрээр гэрлийн квантийн энерги нэмэгддэг. Тэдгээр нь ялгагдана: цацрагийн байгалийн давтамж (нэг лазерын хэлбэлзлийн генераторын хувьд өөрчлөгдөөгүй); модуляцын давтамж (эмнэлгийн лазер системд 1-ээс 1000 Гц хооронд хэлбэлзэж болно). Лазер цацрагийн энергийн параметрүүд нь бас чухал ач холбогдолтой юм.

Гурван үндсэн зүйлийг ялгах нь заншилтай байдаг физик шинж чанартун: цацрагийн хүч, эрчим хүч (тун) ба тунгийн нягт.

Цацрагийн хүч (цацрагийн урсгал, цацрагийн энергийн урсгал, Р) - илэрхийлнэ бүрэн эрч хүч, энэ нь тухайн гадаргуугаар нэгж хугацаанд гэрлээр дамждаг; дундаж хүч цахилгаан соронзон цацраг, ямар ч гадаргуугаар дамждаг. Ихэвчлэн ватт эсвэл олон тоогоор хэмжигддэг.

Эрчим хүчний өртөлт (цацрагийн тун, Х) нь тодорхой хугацааны туршид лазерын энергийн цацраг; нэгж хугацаанд ялгарах цахилгаан соронзон долгионы хүч. [J] эсвэл [W*s]-ээр хэмжсэн. Ажил хийх чадвар нь энергийн биет утга учир юм. Энэ нь ажил нь фотоноор эдэд өөрчлөлт хийх үед ердийн зүйл юм. Гэрлийн цацрагийн биологийн нөлөө нь эрчим хүчээр тодорхойлогддог. Энэ тохиолдолд ижил биологийн нөлөө (жишээлбэл, идээлэх) тохиолддог нарны гэрэл, бага чадал, өртөх хугацаа эсвэл өндөр хүчин чадал, богино өртөлтөөр хүрч болно. Хүлээн авсан үр нөлөө нь ижил тунгаар ижил байх болно.

Тунгийн нягтрал "D" нь өртөлтийн нэгж талбайд хүлээн авсан энерги юм. SI нэгж нь [Ж/м2]. Нөлөөлөлд өртсөн талбайг ихэвчлэн квадрат см-ээр хэмждэг тул J/см 2 нэгжээр илэрхийлсэн дүрслэлийг бас ашигладаг.

Лазерын хэлбэлзлийн систем нь идэвхтэй орчинг агуулдаг тул лазерын цацрагийн спектрийг дараах байдлаар тодорхойлно. спектрийн шинж чанаруудорчин ба резонаторын давтамжийн шинж чанар. Орчны спектрийн шугамыг жигд бус, жигд тэлэх тохиолдолд ялгарлын спектр үүсэхийг авч үзье.

Спектрийн жигд бус тэлэлт бүхий ялгаралтын спектр; шугамууд. Орчны спектрийн шугамын хэлбэрийг голчлон Доплер эффектээр тодорхойлдог бөгөөд орчны бөөмсийн харилцан үйлчлэлийг үл тоомсорлож болох тохиолдлыг авч үзье. Спектрийн шугамын доплер тэлэлт нь нэг төрлийн бус байна (харна уу.§ 12.2).

Зураг дээр. 15.10, а нь резонаторын давтамжийн хариу урвалыг харуулсан ба Зураг дээр. Зураг 15.10б нь орчны спектрийн шугамын контурыг үзүүлэв. Дүрмээр бол, Доплер тэлэлттэй спектрийн шугамын өргөн ∆ ν = ∆ νD нь хөрш резонаторын горимуудын давтамж хоорондын ∆ νq интервалаас хамаагүй том байдаг. Томъёогоор (15.2) тодорхойлсон ∆ νq утга, жишээлбэл, резонаторын урт L = 0.5 м бол 300 МГц байх ба Доплер эффектийн спектрийн шугамын өргөн нь (12.31) томъёоны дагуу ∆ νD орчим байж болно. 1 GHz. Энэ жишээнд орчны спектрийн шугамын өргөн хүрээнд∆ ν≈∆ νД; уртааш гурван горимыг байрлуулсан. Том резонаторын урттай үед хөрш зэргэлдээх горимуудын давтамжийн интервал ∆ νq багасдаг тул шугамын өргөн доторх горимуудын тоо нэмэгддэг.

Доплерийн тэлэлт нь нэг төрлийн бус, өөрөөр хэлбэл сонгосон давтамжийн мужид ∆ νD-ээс бага аяндаа ялгарах ялгаралтыг бүгд биш харин тодорхой бүлэг бөөмс үүсгэдэг.

хүрээлэн буй орчны тоосонцор. Бөөмийн байгалийн спектрийн шугамын өргөн нь хөрш зэргэлдээх горимуудын давтамжийн ялгаанаас (жишээлбэл, байгалийн шугамын өргөн) хамаагүй бага байна гэж үзье.

неон нь 16 МГц-тэй ойролцоо байна). Дараа нь аяндаа ялгарах замаар тодорхой горимыг өдөөдөг бөөмс нь бусад горимуудын өдөөлтийг үүсгэхгүй.

Лазерын цацрагийн спектрийг тодорхойлохын тулд бид Бугерийн хуулийн (12.50) шингээлтийн коэффициент æ-ийн давтамжаас хамаарлыг ашиглана. Энэ үзүүлэлт нь шилжилтийн дээд ба доод түвшний хүн амын зөрүүтэй пропорциональ байна. Популяцийн инверсигүй орчинд æ >0 бөгөөд энерги шингээлтийг тодорхойлдог цахилгаан соронзон орон. inversionæ байгаа тохиолдолд<0 и определяет усиление поля. В этом случае модуль показателя называют показателем усиления идэвхтэй орчинæ a (æ a =|æ |).

Түвшингийн популяци тогтмол буюу албадан шилжилтийн үр дүнд бага зэрэг өөрчлөгдөх үед (12.44) томъёоны дагуу олз æ a (ν) давтамжийн хамаарал нь орчны спектрийн шугамын хэлбэртэй давхцдаг. Хэрэв популяцийн урвуу байдал үүссэн, лазерыг өөрөө өдөөх нөхцөл хараахан хангагдаагүй бол ийм давхцал ажиглагдах болно (жишээлбэл, хөндийн толь байхгүй). Зураг дээр. 15.10, тасархай шугам нь ийм анхны давтамжийн хамаарлыг харуулж байна. Спектрийн шугамыг Доплероор тэлэх үед хамаарлыг Гауссын функцээр илэрхийлсэн бөгөөд Зурагт үзүүлсэн шиг өргөн ∆ νD байна. 15.10, б.

Өөрийгөө өдөөх нөхцөл хангагдсан гэж үзье. Дараа нь нэг бөөмийн аяндаа ялгарах ялгаралт нь нөгөө бөөмийн аяндаа ялгарах давтамж нь сэтгэл хөдөлгөм бөөмийн спектрийн шугамын байгалийн өргөнд ойролцоогоор оршдог бол бусад бөөмсийн албадан шилжилтийг бий болгоно. Хүн амын урвуу байдлын улмаас дээрээс доошоо албадан шилжих шилжилт давамгайлах болно, өөрөөр хэлбэл хүн ам. дээд түвшинбуурах ёстой, доод нь нэмэгдэж, ашгийн индекс æ a буурах ёстой.

Резонатор дахь талбар нь горимуудын резонансын давтамж дээр хамгийн их байна. Эдгээр давтамжуудад шилжилтийн түвшний популяцийн хамгийн их өөрчлөлт ажиглагдах болно. Тиймээс резонансын давтамжуудын ойролцоо æ a (ν) муруй дээр уналт гарч ирнэ (Зураг 15.10, c-г үз).

Өөрийгөө өдөөх нөхцөл хангагдсаны дараа резонансын давтамж дахь уналтын гүн нь горим үүсэх хүртэл нэмэгддэг; (15.13) нөхцлийн дагуу ашгийн индекс α алдагдлын индекстэй тэнцүү болох хөдөлгөөнгүй хэлбэлзэл. Хэрэв тухайн давтамж дээр үүссэн эрчим хүч бага байвал уналт бүрийн өргөн нь бөөмийн шугамын байгалийн өргөнтэй ойролцоогоор тэнцүү байна. Хүч чадал их байх тусам талбайн эрчим хүчний нягтрал нь албадан шилжилтийн тоонд нөлөөлнө. Бага чадлын үед байгалийн шугамын өргөн нь резонансын давтамжийн хоорондох зайнаас бага байна гэсэн анхны таамаглалаас шалтгаалан ховилууд нь давхцдаггүй тул нэг ховилын доторх ашиг нь нөгөө ховилын доторх ашигаас үл хамаарна. Эдгээр давтамжийн хэлбэлзлийг бие даасан гэж үзэж болно. Зураг дээр. Зураг 15.10d-д лазерын цацрагийн спектр нь резонаторын уртааш гурван горимд харгалзах гурван ялгаралтын шугамыг агуулж байгааг харуулж байна. Горим бүрийн цацрагийн хүч нь ашгийн индексийн анхны болон суурин утгуудын зөрүүгээс хамаарна.

(15.21) томъёоны дагуу, өөрөөр хэлбэл, энэ нь Зураг дээрх харгалзах уналтын гүнээр тодорхойлогддог. 15.10, цагт. Бид хэсгийн төгсгөлд ялгаралтын шугам тус бүрийн өргөнийг δν тодорхойлох бөгөөд одоо бид өгөгдсөн алдагдлын үед үүссэн горимуудын тоонд насосны хүч нөлөөллийн талаар ярилцах болно.

Хэрэв насосны хүч нь дундаж ашгийн хамгийн их утга (15.11-р зураг, б-ийн муруй 1) нь α-тай тэнцүү босго утгад хүрэхгүй бол маш бага бол резонаторын давтамжийн хариу урвалаар тодорхойлогддог горимуудын аль нь ч өдөөгддөггүй. (Зураг 15.11, а). 2-р муруй нь насосны өндөр хүчин чадалтай тохирч байгаа бөгөөд энэ нь орчны спектрийн шугамын төв давтамж ν0 нь босго утгаас давж байгааг баталгаажуулдаг. Энэ тохиолдол нь Зураг дээрх нэг уналттай тохирч байна. 15.11,в ба нэг уртааш горимыг бий болгох (Зураг 15.11,г). Шахуургын хүчийг цаашид нэмэгдүүлэх нь бусад горимд өөрийгөө өдөөх нөхцөлийг хангана (муруй 3). Үүний дагуу индикаторын муруй ба ялгаруулалтын спектрийн уналтыг Зураг дээр үзүүлсэн шиг дүрсэлсэн болно. 15.10, Ig-д.

Спектрийн шугамын жигд тэлэлт бүхий ялгаралтын спектр. Өргөтгөх гол шалтгаан нь мөргөлдөөн болсон тохиолдолд спектрийн шугамын жигд тэлэлт ажиглагдаж байна | орчны хэсгүүдийн (эсвэл харилцан үйлчлэл).(§ 12.2).

Нэг төрлийн бус тэлэлтийн нэгэн адил резонаторын хэд хэдэн байгалийн давтамж нь орчны спектрийн шугамд багтдаг гэж үзье. Зураг дээр. 15.12a-д резонаторын давтамжийн хариу урвалыг харуулсан бөгөөд горим бүрийн резонансын муруйны давтамж ба өргөнийг ∆ νp илэрхийлнэ. Зураг дээрх муруй 1. 15.12b нь лазерыг өөрөө өдөөхөөс өмнө популяцийн инверситэй орчны ашгийн индексийн давтамжаас хамаарлыг дүрсэлсэн.

Бөөмс бүрийн спектрийн шугам ба бүхэл бүтэн орчны жигд тэлэлттэй давхцдаг тул аливаа бөөмийн аяндаа ялгарах нь өдөөлтийн шалтгаан болдог.

бусад бөөмсийн шилжилт. Иймээс, популяцийн урвуу өөрчлөлт бүхий тодорхой орчинд албадан шилжилтийн үед үүсэх үеийн æ a давтамжийн хамаарал (муруй 2) нь үүсэхээс өмнөх хэлбэртэй (муруй 1) хэвээр байх боловч түүний доор байрлана. Нэг төрлийн бус шугам тэлэх үед ажиглагдсан уналт (15.11в-р зургийг үз) энд байхгүй, учир нь орчин үеийн бүх хэсгүүд лазерын цацрагийн хүчийг бий болгоход оролцдог.

Зураг дээр. 15.12, b, νq-1, νq = ν0 ба νq+1 давтамжтай гурван горимд æ a > α өөрөө өдөөх нөхцөл хангагдсан. Харин спектрийн шугамын төв давтамж ν0 үед идэвхтэй орчинд цацрагийн нэг дамжилтын ашиг хамгийн их байна. Илүү олон тооны дамжуулалтын үр дүнд цацрагийн хүчин чадалд гол хувь нэмэр нь төвийн давтамжтай горимоос ирэх болно.

Тиймээс, орчны спектрийн шугамыг жигд тэлэх лазерын хувьд өндөр хүчин чадалтай нэг давтамжийн горимыг авах боломжтой (Зураг 15.12c), учир нь нэгэн төрлийн бус тэлэлтээс ялгаатай нь насосны хүч буурдаг. Энэ горимыг авах шаардлагагүй.

Лазер цацрагийн монохромат байдал. Аливаа квант төхөөрөмжид хэлбэлзэл үүсэх нь аяндаа ялгарахаас эхэлдэг бөгөөд эрчмийн давтамжаас хамаарал нь орчны спектрийн шугамаар тодорхойлогддог. Гэсэн хэдий ч оптик мужид орчны спектрийн шугамын өргөн нь идэвхгүй (идэвхтэй орчингүй) резонаторын резонансын муруйн өргөнөөс ∆ νp-ээс мэдэгдэхүйц их байна. Утга ∆ νP =ν0 /Q, энд ν0 нь резонансын давтамж юм. Хэрэв резонаторт идэвхтэй орчин байгаа бол алдагдлыг нөхдөг (нөхөн сэргээх нөлөө) нь чанарын хүчин зүйл нэмэгдэж, резонансын муруйн өргөн ∆ νp δ ν утга хүртэл буурсантай тэнцэнэ.

ν0 давтамжтай нэг горим үүсгэх тохиолдолд лазерын цацрагийн шугамын өргөнийг томъёогоор тооцоолж болно.

Энд P нь цацрагийн хүч юм. Цацрагийн чадлын өсөлт нь илүү ихтэй тохирч байна

алдагдлыг нөхөх, чанарын хүчин зүйлийг нэмэгдүүлэх, ялгаруулах шугамын өргөнийг багасгах. Хэрэв ∆ νp =l МГц, ν0 =5·1014 Гц, Р =1 мВт бол δ νтеор ≈ 10-2 Гц, δ νтеор /ν 0 ≈2·10-17 харьцаатай байна. Тиймээс, онолын үнэ цэнэялгаруулах шугамын өргөн нь маш их болж хувирдаг

жижиг, резонансын муруйн өргөнөөс бага хэмжээний олон дараалал ∆ νp. Гэсэн хэдий ч, онд бодит нөхцөлучир нь акустик нөлөөтемпературын хэлбэлзэл, резонаторын хэмжээсийн тогтворгүй байдал ажиглагдаж, резонаторын байгалийн давтамж, улмаар лазерын цацрагийн шугамын давтамж тогтворгүй болоход хүргэдэг. Иймээс энэхүү тогтворгүй байдлыг харгалзан бодит (техникийн) цацрагийн шугамын өргөн нь δ ν = 104 –105 Гц хүрч болно.

Лазерын цацрагийн монохромат байдлын зэргийг лазерын цацрагийн шугамын өргөн, хэд хэдэн ялгаруулах шугам агуулсан лазерын цацрагийн спектрийн дугтуйны өргөнөөр үнэлж болно (15.10-р зургийг үз). ∆ ν=104 Гц, ν0 =5·1014 Гц, спектрийн дугтуйны өргөн δ o.c .=300 МГц байг. Дараа нь нэг шугамын дагуу монохромат байдлын зэрэг нь δ ν/ν0 ≈ 2·10-11, дугтуйны дагуу δ ν/ν0 ≈ 6·10-7 болно. Лазерын давуу тал нь цацрагийн өндөр монохромат чанар, ялангуяа нэг цацрагийн шугамын дагуу эсвэл нэг давтамжийн горимд байдаг.

§ 15.4. Лазерын цацрагийн уялдаа холбоо, монохромат байдал, чиглэл

IN Оптик чичиргээнд хэрэглэх үед уялдаа холбоо нь гэрлийн чичиргээний үе шатуудын хоорондын холболтыг (корреляци) тодорхойлдог. Лазер дээр цацрагийн нэг өнгө, чиглэлтэй холбоотой цаг хугацаа ба орон зайн уялдаа холбоо байдаг.

IN Ерөнхий тохиолдолд цацрагийн талбайн хамаарлыг сансар огторгуйн хоёр цэгт тус тус судалж, тодорхой τ утгаар шилжсэн тохиолдолд харилцан уялдаатай функц гэсэн ойлголтыг ашигладаг.

Энд r 1 ба r 2 нь эхний ба хоёр дахь цэгийн радиус вектор E 1 (r 1, t+ τ) ба E* 2 (r 2, t) нь талбайн хүч чадлын нарийн төвөгтэй коньюгат утгууд юм; эдгээр цэгүүд. Хэвийн харилцан уялдаатай функц нь уялдаа холбоотой байдлын түвшинг тодорхойлдог.

Энд I (r 1) ба I (r 2) нь сонгосон цэгүүдийн цацрагийн эрчим юм. Модуль γ 12 (τ) тэгээс нэг хүртэл хэлбэлздэг. γ 12 τ =0 үед уялдаа холбоо байхгүй, |γ 12 (τ )|=l тохиолдолд бүрэн уялдаатай байна.

Цацрагийн цаг хугацааны уялдаа холбоо ба монохромат байдал. Цаг хугацааны уялдаа холбоо нь тодорхой хэмжээгээр ялгаатай цаг хугацааны агшин дахь орон зайн нэг цэг дэх талбайн утгуудын хоорондын хамаарал юм.τ. Энэ тохиолдолд радиус векторууд r 1 ба r 2 байна харилцан уялдаатай функцийг тодорхойлоход Г 12 (r 1, r 2, τ) ба функцууд γ 12 (τ) ) тэнцүү болж, харилцан уялдаатай функц нь автокорреляцийн функц болж, нормчлогдсон функц функц болж хувирна.γ 11 (τ ), цаг хугацааны уялдаа холбоог тодорхойлдог.

Аяндаа шилжих үед атом нь өөр хоорондоо хамааралгүй чичиргээний цувааг ялгаруулдаг гэж өмнө нь тэмдэглэсэн (Зураг 15.13). Сансар огторгуйн нэг цэг дэх хэлбэлзлийн хамаарал нь галт тэрэгний үргэлжлэх хугацаанаас богино хугацааны интервалд л ажиглагдах болно. Энэ интервал гэж нэрлэгддэг уялдаа холбоотой цаг,мөн энэ нь аяндаа шилжилтийн амьдрах хугацаа m-тэй тэнцүү байна. Когерентийн хугацаанд гэрлийн туулсан зайг гэнэ уялдаа холбоо урт£. τ ≈ 10-8 с £ =c τ =300 см үед когерентийн уртыг мөн спектрийн шугамын өргөн ∆ ν-ээр илэрхийлж болно. ∆ ν≈ 1/τ тул £ ≈ c /∆ ν болно.

Цаг хугацааны уялдаа холбоо ба монохромат байдал нь хоорондоо холбоотой. Монохроматик байдал нь монохромат байдлын ∆ ν/ ν0 зэргээр тоон хэлбэрээр тодорхойлогддог (§ 15.3-ыг үзнэ үү). Түр зуурын уялдаа холбоо өндөр байх тусам, өөрөөр хэлбэл уялдаа холбоотой байх хугацаа урт байх тусам бага байна давтамжийн спектр∆ ν нь цацраг туяа эзэлдэг ба илүү сайн монохромат байдал. Хязгаарт цаг хугацааны бүрэн уялдаатай (τ →∞) цацраг бүрэн монохромат болсон (∆ ν→0).

Лазер цацрагийн түр зуурын уялдаа холбоог авч үзье. Идэвхтэй орчны тодорхой бөөм нь квант ялгаруулсан гэж үзье (15.13-р зургийг үз). Галт тэрэг өөр бөөмстэй харьцах үед шинэ галт тэрэг гарч ирэх бөгөөд түүний хэлбэлзлийн үе шат нь албадан шилжилтийн шинж чанараас шалтгаалан анхны галт тэрэгний хэлбэлзлийн үе шаттай давхцдаг. Энэ үйл явц олон удаа давтагдахын зэрэгцээ фазын хамаарлыг хадгална. Үүний үр дүнд үүссэн хэлбэлзлийг эхний галт тэрэгний үргэлжлэх хугацаанаас хамаагүй их хугацаатай галт тэрэг гэж үзэж болно. Тиймээс когерентийн хугацаа нэмэгддэг, өөрөөр хэлбэл цацрагийн түр зуурын уялдаа холбоо, монохромат чанар сайжирдаг.

Үүнтэй холбогдуулан оптик резонатор нь лазерын цацрагийн түр зуурын уялдаа холбоог нэмэгдүүлдэг, учир нь энэ нь галт тэрэгний идэвхтэй орчинд олон удаа дамжих боломжийг олгодог. Сүүлийнх нь ялгаруулагчийн ашиглалтын хугацааг нэмэгдүүлэх, цаг хугацааны уялдаа холбоог нэмэгдүүлэх, шугамын өргөнийг багасгахтай тэнцүү юм.

Орон зайн уялдаа холбоо ба цацрагийн чиглэл, Орон зайн уялдаа холбоо гэдэг нь орон зайн хоёр цэг дэх талбайн утгуудын хоорондын хамаарал юм. Энэ тохиолдолд харилцан уялдаатай функцийн томъёонууд Г 12 (r 1 , r 2 , τ ) ба нормчлогдсон уялдаа холбоотой функцγ 12 (τ ) орлуулах хэрэгтэйτ =0. γ 12 функц (0) орон зайн уялдаа холбоог тодорхойлдог.

Цэгэн эх үүсвэрээс гарах цацраг нь орон зайн хувьд үргэлж уялдаатай байдаг. Өргөтгөсөн эх үүсвэрийн орон зайн уялдаа холбоо нь түүний хэмжээ болон ажиглалтын цэгүүдийн хоорондох зайнаас хамаарна. Оптикоос юу болохыг мэддэг илүү том хэмжээтэйэх үүсвэр байх тусам цацрагийг орон зайн уялдаатай гэж үзэх өнцөг бага байх болно. Орон зайн хамгийн сайн уялдаатай гэрлийн долгион нь хавтгай фронттой байх ёстой.

Лазерын хувьд цацраг нь оптик хөндийн шинж чанараар тодорхойлогддог өндөр чиглэлтэй (хавтгай фронт) байдаг. Өөрийгөө өдөөх нөхцөл нь зөвхөн оптик тэнхлэгийн резонатор дахь тодорхой чиглэлд эсвэл түүнд ойрхон чиглэлүүдэд хангагдана. Үүний үр дүнд маш их их тоотолины тусгалд цацраг нь урт замыг туулдаг бөгөөд энэ нь эх үүсвэр ба ажиглалтын цэгийн хоорондох зай нэмэгдсэнтэй тэнцэнэ. Энэ зам нь когерентийн урттай тохирч, хийн лазерын хувьд хэдэн арван километр байж болно. Лазер цацрагийн өндөр чиглэл нь орон зайн өндөр уялдаа холбоог тодорхойлдог. Лазер дахь зайны өсөлтийн нөлөө нь идэвхтэй орчинд олшруулсны улмаас цацрагийн хүч нэмэгдэж байгаа нь чухал бөгөөд ердийн эх үүсвэрт орон зайн уялдаа холбоо сайжрах нь гэрлийн эрчмийг алдахтай холбоотой байдаг.

Цацрагийн цаг хугацааны өндөр түвшний уялдаа холбоо нь мэдээлэл дамжуулах, зайг хэмжих, хэмжих системд лазерын хэрэглээг тодорхойлдог. өнцгийн хурдууд, квант давтамжийн стандартад. Орон зайн өндөр түвшний уялдаа холбоо (чиглэл) нь гэрлийн энергийг үр дүнтэй дамжуулах, гэрлийн урсгалыг долгионы урттай харьцуулахуйц маш бага хэмжээтэй цэг рүү төвлөрүүлэх боломжийг олгодог. Энэ нь шаардлагатай эрчим хүчний нягтрал, талбайн хүч, гэрлийн даралтын асар их утгыг олж авах боломжийг олгодог шинжлэх ухааны судалгааболон төрөл бүрийн техникийн хэрэглээ.

Анхаар! Урьдчилан сэргийлэх:

Лазерын цацрагийг нүд рүү бүү чиглүүл! Нүдэнд лазер туяа шууд хүрэх нь хараанд аюултай!

Ажлын удирдагчийн зөвшөөрлөөр лазерыг асааж, дэлгэц, торыг суулгана дифракцийн загвархамгийн тод байсан.

Зайг өөрчлөх Л, энэ нь максимумын байрлалд хэрхэн нөлөөлж байгааг харна уу. Ажигласан зүйлээ дүрсэлж, тоймлон зур.

Дифракцийн торыг тодорхой зайд байрлуулна Лүүрнээс зайг хэмжинэ л 1 ба л 2 (9.3-р зургийг үз) нэгдүгээр эрэмбийн дээд хэмжээ. Лазерын цацрагийн долгионы уртыг тооцоол. Үнэмлэхүй ба харьцангуй алдаахэмжилт хийхдээ лазер долгионы уртын үр дүнг тэмдэглэнэ.

Даалгавар 2.Спектрийн зарим өнгөний долгионы уртыг тодорхойлох

Энэ даалгаварт гэрлийн эх үүсвэр нь тасралтгүй спектрийг үүсгэдэг улайсдаг чийдэн юм.

Хэмжилтүүд даалгавар 2ажлын байранд зааврын дагуу гүйцэтгэнэ. Хэмжилтийн үр дүнг хүснэгтэд оруулсан болно. 9.1. Холын зайг тодорхойлох хэрэгтэй л 1 ба лӨнгө тус бүрт 2-ыг дөрвөн удаа: хоёр утгатай кба хоёр өөр зай Л.

Хүснэгт 9.1

Хэмжилтийн үр дүнд дүн шинжилгээ хийх, боловсруулах

1. Илтгэлд ажиглагдсан спектрийг дүрсэлж, максимумууд нь ийм их өргөнтэй байдаг тухай тайлбарыг өгнө үү.

2. Хүснэгтийг бүрэн бөглөнө үү. 9.1. Тогтмол үнэ цэнэ гажлын байрандаа аваарай . Тайлангаас ажигласан зургаа дүрсэл. Өнгө тус бүрээр боловсруулах хүснэгт хийж, тэмдэглэнэ эцсийн үр дүнерөнхий дүрмийн дагуу.

3. Хүснэгтэнд өгөгдсөн өнгө бүрийн долгионы уртын утгыг харьцуулна уу. ...

Аюулгүй байдлын асуултууд

1. Тодорхойлолт: долгионы дифракц, Гейгенс-Френель зарчим, долгионы уялдаа холбоо. Энэ асуултад бичгээр өгсөн хариултыг тайланд тусгах ёстой.

2. Лабораторийн байгууламжийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд, тэдгээрийн зорилгыг нэрлэнэ үү.

3. Энэ ажилд ямар хэмжигдэхүүнийг шууд хэмжсэн бэ? Аль нь тооцоолсон бэ?

4. Гэрлийн дифракцийн үзэгдэл юу вэ? Ямар нөхцөлд ажиглагдаж байна вэ?

5. Дифракцийн тор гэж юу вэ, түүний үндсэн үзүүлэлтүүд юу вэ?

6. Томьёог гарга дифракцийн тор (9.3).

7. Долгионы уртыг тодорхойлох. Энэ нь гэрлийн давтамжтай ямар холбоотой вэ?

8. Үзэгдэх гэрэл ямар долгионы уртад орших вэ?

9. Гарах, бичих тооцоолох томъёодолгионы уртыг тодорхойлох харагдах гэрэлдифракцийн тор ашиглан .

10. Дифракцийн максимумын хазайлтын өнцөг долгионы урт ба торны үеээс хэрхэн хамаарах вэ?

11. Дифракцийн максимумуудын өнгө төв максимумаас ямар дарааллаар байрласан бэ? Ажиглагдсан өнгөний дарааллыг тайлбарла.

12.Лазер цацрагийн ялгаа нь юу вэ байгалийн гэрэл?

Ажил No 10. ГЭРЛИЙН ТУЙЛШАЛТЫН СУДАЛГАА

Ажлын зорилго: полароидуудаар дамжин гэрлийг судлах, Малусын хуулийг шалгах, полароидуудын чанарыг үнэлэх, хэд хэдэн шилэн хавтангаар дамжин өнгөрөх гэрлийн туйлшралыг судлах.

Тоног төхөөрөмж: оптик вандан сандал, гэрлийн эх үүсвэр, хүрээн дэх туйлшруулагч, фотоэлелтэй хосолсон анализатор, шилэн хавтангийн багц, тэжээлийн эх үүсвэр, микроамперметр.

Товч онол

Максвеллийн онолоос ийм зүйл гарч ирдэг гэрлийн долгион нь хөндлөн юм. Гэрлийн долгионы хөндлөн огтлол (мөн бусад цахилгаан соронзон долгион) нь векторуудын хэлбэлзэл ба долгионы тархалтын чиглэлд перпендикуляр байхаар илэрхийлэгддэг (Зураг 10.1). Вакуумд тэнхлэгийн дагуу тархдаг хавтгай монохромат долгион x, тэгшитгэлээр тодорхойлогддог:

;	(10.1)
,	(10.2)

цахилгаан ба соронзон орны хүч чадлын одоогийн утгууд хаана ба байна; ба – хэлбэлзлийн далайц, w – хэлбэлзлийн давтамж, – эхний үе шатэргэлзээ.

Гэрэл бодистой харьцах үед хувьсах цахилгаан орон нь энэ бодисын атом ба молекулуудын сөрөг цэнэгтэй электронуудад үйлчилдэг бол соронзон орны цэнэгтэй хэсгүүдэд үзүүлэх нөлөө нь ач холбогдолгүй байдаг. Тиймээс гэрлийн тархалтын үйл явцад вектор гол үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд ирээдүйд бид зөвхөн энэ тухай ярих болно.

Гэрлийн туйлшрал нь анизотроп бодисоор дамжин өнгөрөхөд ажиглагддаг. Ийм бодисын гол шинж чанар нь зөвхөн тэдгээрээр дамжин өнгөрөх чадвартай байдаг гэрлийн долгион, векторууд нь зөвхөн хатуу тодорхойлогдсон хавтгайд хэлбэлздэг бөгөөд үүнийг гэж нэрлэдэг хэлбэлзлийн хавтгай. Соронзон орон нутагшсан хавтгайг нэрлэдэг туйлшралын хавтгай. Зураг дээр. 10.1 хэлбэлзлийн хавтгай нь босоо, туйлшралын хавтгай нь хэвтээ байна.

Туйлширсан гэрлийг олж авах, судлахын тулд тэдгээрийг ихэвчлэн ашигладаг полароидууд. Тэдгээр нь тунгалаг хальс эсвэл шилэнд түрхсэн турмалин эсвэл геропатит (иод-хинин сульфат) -ын маш жижиг талстуудаас бүрддэг. Гэсэн хэдий ч байгалийн гэрлээс хавтгай туйлширсан гэрлийг олж авах өөр аргууд байдаг, жишээлбэл, диэлектрикийн хугарлын илтгэгчээс хамааран диэлектрикээс тодорхой өнцгөөр тусах замаар. Энэ аргыг доор дэлгэрэнгүй авч үзэх болно.

Дараах туршилтыг оюун ухаанаараа хийцгээе. Хоёр полароид ба гэрлийн эх үүсвэрийг авч үзье (Зураг 10.3). Эхний Polaroid гэж нэрлэдэг туйлшруулагч, учир нь энэ нь гэрлийг туйлшруулдаг. Түүний хэлбэлзлийн хавтгай нь хавтгай юм PPS. Туйлшруулагчаар дамжин өнгөрсний дараа вектор зөвхөн энэ хавтгайд хэлбэлзэх болно. Туйлшруулагчийг гэрлийн цацрагийн чиглэлийн дагуу эргүүлснээр бид түүгээр дамжин өнгөрөх гэрлийн эрчмийн өөрчлөлтийг анзаарахгүй. Яагаад гэж бодож байна? Гэрлийн туйлшралын шинжилгээг хоёр дахь полароид ашиглан хийдэг бөгөөд үүгээр дамжуулан турших гэрлийг дамжуулдаг. Энэ тохиолдолд хоёр дахь полароид гэж нэрлэдэг анализатор, түүний туйлшралын хавтгай нь хавтгай юм AAc. Анализаторыг эргүүлснээр бид түүгээр дамжин өнгөрөх гэрлийн эрч хүч хамгийн их байх болно гэдгийг анзаарах болно. PPSТэгээд AAcдавхцаж, хэрэв эдгээр хавтгай перпендикуляр байвал хамгийн бага. Хэрэв эдгээр онгоцууд нь тодорхой өнцгөөр a (10.3-р зургийг үз) байвал анализаторын ард байгаа гэрлийн эрчим нь завсрын утгыг авна.

a өнцөг ба эрчмийн хоорондын хамаарлыг олъё Iхоёр полароидоор дамждаг гэрэл. Далайцыг тэмдэглэе цахилгаан вектортуйлшруулагчаар дамжин өнгөрөх цацраг, үсэг Э 0 . Анализаторын хэлбэлзлийн хавтгай AAcтуйлшруулагчийн хэлбэлзлийн хавтгайтай харьцуулахад эргэлддэг PPS a өнцгөөр (10.4-р зургийг үз). Векторыг бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд задалъя: анализаторын хэлбэлзлийн хавтгайтай параллель кк ба перпендикуляр ^. Зэрэгцээ бүрэлдэхүүн хэсэг кк анализатороор дамжин өнгөрөх боловч перпендикуляр ^ бүрэлдэхүүн хэсэг өнгөрөхгүй.

Зураг дээрээс. 10.4-ээс үзэхэд анализаторын ард байгаа гэрлийн долгионы далайц

Хаана С- эрчим хүч түгээх талбай; т- цаг. Гэрлийн энерги нь цахилгаан ба соронзон орны нийт энерги учраас түүний утга нь эдгээр талбайн хүч чадлын квадраттай пропорциональ байна.

Үүний үр дүнд үүссэн тэгш байдлыг нэрлэнэ Малусын хууль: анализатороор дамжин өнгөрөх гэрлийн эрчим нь туйлшруулагчаар дамжин өнгөрөх гэрлийн эрчмийг хоорондын өнцгийн косинусын квадратаар үржүүлсэнтэй тэнцүү байна. туйлшралын хавтгайанализатор ба туйлшруулагч.

Туйлшруулагчаар дамжин өнгөрөх гэрэл нь хавтгай туйлширч зогсохгүй түүний эрчмийг хоёр дахин бууруулна гэдгийг анхаарна уу. Хэрэв байгалийн гэрлийн эрчмийг хурдны векторт перпендикуляр бүх чиглэлд ижил гэж үзвэл туйлшруулагчийн ард байгаа гэрлийн эрчмийг

Хаана Iхамгийн их ба Iмин – анализаторын ард байгаа гэрлийн хамгийн их ба хамгийн бага эрчим, хүчдэлд харгалзах Эхамгийн их ба ЭЗураг дээрх мин. 10.2, в.

Хоёр изотроп диэлектрикийн интерфэйс дээр гэрэл тусах эсвэл хугарах үед туйлшралын үзэгдлийг ажиглаж болно. Энэ тохиолдолд туссан цацрагт тусах хавтгайд перпендикуляр чичиргээ давамгайлах болно (тэдгээрийг 10.5-р зурагт цэгээр тэмдэглэсэн). Ойсон цацрагийн туйлшралын зэрэг нь тусах өнцгөөс хамаардаг бөгөөд тусах өнцөг нэмэгдэх тусам туйлширсан гэрлийн эзлэх хувь нэмэгдэж, тодорхой утгад туссан гэрэл бүрэн туйлширдаг болохыг туршилтаар харуулсан. Брюстер нийт туйлшралын энэ өнцгийн хэмжээ нь харьцангуй хугарлын илтгэгчээс хамаардаг болохыг олж мэдсэн бөгөөд дараахь хамаарлаар тодорхойлогддог.

Энэ хамаарлыг Брюстерийн хууль гэж нэрлэдэг ба B өнцөгийг Брюстерийн өнцөг гэж нэрлэдэг. Цаашид тусах өнцөг нэмэгдэх тусам гэрлийн туйлшралын зэрэг дахин буурдаг. Тиймээс Брюстерийн өнцөгтэй тэнцүү тусгалын өнцгөөр, ойсон гэрэл хавтгайд шугаман туйлширсан, хавтгайд перпендикулярунадаг.(10.9) ба хугарлын хуулийг ашиглан Брюстерийн өнцөгт тусах үед ойсон болон хугарсан туяа 90° байна гэдгийг харуулж болно. Үүнийг шалгаарай!.

Брюстерийн өнцгөөр гэрэл тусах үед хугарсан цацраг нь мөн туйлширдаг. Хугарсан цацраг нь чичиргээ давамгайлах болно, зэрэгцээ хавтгайнуудуналт (10.5-р зурагт тэдгээрийг сумаар зааж өгсөн). Энэ тусгалын өнцөгт хугарсан цацрагийн туйлшрал хамгийн их байх боловч бүрэн гүйцэд биш юм. Хэрэв та хугарсан туяаг хоёр дахь, гурав дахь гэх мэтээр хийвэл. хугарал, туйлшралын зэрэг нэмэгдэх болно. Тиймээс гэрлийг туйлшруулахын тулд 8-10 хавтанг ашиглаж болно (Столетовын хөл гэж нэрлэдэг). Тэдгээрээр дамжин өнгөрөх гэрэл бараг бүрэн туйлшрах болно. Тиймээс энэ хөл нь туйлшруулагч эсвэл анализатор болж чаддаг. Манай тохиргоонд 2-12 хавтангийн багцыг туйлшруулагч болгон ашигладаг.

Суурилуулалтын тодорхойлолт

Туйлшралыг судлахын тулд оптик вандан сандал дээр суурилуулсан суурилуулалтыг ашигладаг бөгөөд диаграммыг Зураг дээр үзүүлэв. 10.6.

Диаграм дээрх тоонууд нь: 1- чийдэн, 2 - зөөврийн туйлшруулагч, 3 - эргэдэг ширээ, 4 – шилэн хавтангийн багц, эргэдэг тавцангийн зүү дээр тавь, 5 – анализатор, 6 – фотосел, 7 – метргэрлийн энергийг цахилгаан дохио болгон хувиргадаг гэрлийн эрчим (IIS); түүний уншилтууд нь фотоэлел дээр гарсан гэрлийн урсгалтай пропорциональ байна. Эргэдэг тавцан 3 нь босоо тэнхлэгийг тойрон эргэлдэж, улмаар шилэн хавтан дээр гэрлийн тусах өнцгийг өөрчилдөг 4. Энэ тусгалын өнцгийг хэмжих тусгай хуваарь байдаг. Хүснэгтийн байрлалыг боолтоор тогтооно. 5 Анализатор эргэн тойрон эргэлдэж болно хэвтээ тэнхлэг, түүн дээрх сум нь туйлшралын хавтгайн байрлалыг заана. Анализатор байна масштаб 8, энэ нь түүний туйлшралын хавтгайн байрлалыг тодорхойлдог ( AAc). Зөөврийн туйлшруулагч 2 нь мөн түүний туйлшралын PPS хавтгайн байрлалыг харуулсан босоо сумтай. Анализатортой хосолсон фотоэлел нь босоо тэнхлэгийг тойрон эргэлдэж болно. Энэ нь хавтан 4-ээс туссан гэрлийн эрчмийг хэмжих боломжтой болгодог.

Ажлаа хийж байна

Даалгавар 1 . Малусын хуулийг шалгаж байна

1. Зөөврийн туйлшруулагчийг 2 суулгана (хавтан 4-ийг салга).

2. Дэнлүүг асаана уу. Фотоэлемент анализатор 6-г дэнлүүний гэрэл тусах байдлаар эргүүлнэ. Гэрлийн туяатай харьцуулахад суурилуулах элементүүдийн тэгш хэмтэй зохицуулалтыг бий болгох.

3. Онгоцны байрлалыг тохируулна уу AAc 0°-д 8-ын масштабаар. 7-р тоолуурын заалтыг хүснэгтэд бичнэ үү. 10.1. Энэ нь туйлшруулагч ба анализатороор дамжин өнгөрөх гэрлийн эрчим байх болно харьцангуй нэгжүүд. Хэмжилтийг давтаж, туйлшруулагч ба анализаторын туйлшралын хавтгай хоорондын өнцгийг 10 ° тутамд 0 ° -аас 360 ° болгон өөрчилж, мөн хүснэгтэд бичнэ үү. 10.1.

Хүснэгт 10.1

Даалгавар 2. Хугарсан гэрлийн туйлшралын судалгаа

1. Хоёр шилтэй зөөврийн хавтанг суулгана ( Н = 2).

2. Хавтан дээрх гэрлийн тусах өнцгийг 56° болгож тохируулна (энэ нь хугарлын илтгэгчтэй шилний Брюстерийн өнцөг юм. n = 1,5).

3. Зурагт заасны дагуу ялтсуудаар дамжин өнгөрөх гэрлийн эрчмийг бүртгэхийн тулд фотоэлемент суурилуулна. 10.7 (IIIS-ийн уншилтын хамгийн их утга нь гэрэл фотоэлелд сайн нэвтэрч байгааг баталж байна).

4. Хугарсан гэрэл тусах хавтгайд туйлширдаг тул хамгийн их эрчмийн утга нь тухайн байрлалд байх болно гэдгийг анхаарна уу. AAc 8-ын масштабаар 90° (асуулт 12, 13, 14). Хоёр байрлалд ялтсуудаар дамжих гэрлийн эрчмийг хэмжинэ AAc: 90° ба 0°-д. Хэмжилтийн үр дүнг хүснэгтэд бичнэ үү. 10.2.

5. ижил төстэй хэмжилтийг хийх Н= 4, 7, 12 хавтан. Хэмжилтийн үр дүнг хүснэгтэд бичнэ үү. 10.2.

Хүснэгт 10.2

Холбогдох мэдээлэл.

1.1. Спектрийн төрлүүд.

Эхлээд харахад лазер туяа нь бүтцийн хувьд маш энгийн мэт санагддаг. Энэ нь спектрийн цэвэр өнгөтэй бараг нэг давтамжийн цацраг юм: Хэ-Не лазер нь улаан цацраг (633 нм), кадми лазер ялгаруулдаг. цэнхэр(440 нм, аргон лазер нь спектрийн хөх-ногоон бүсэд хэд хэдэн шугамыг ялгаруулдаг (488 нм, 514 нм гэх мэт), хагас дамжуулагч лазер нь улаан цацраг (650 нм) гэх мэт. Үнэндээ лазерын цацрагийн спектр нэлээд байна нарийн төвөгтэй бүтэцба хоёр параметрээр тодорхойлогддог - ажлын бодисын ялгаруулалтын спектр (жишээлбэл, Хэ-Не лазерын хувьд энэ нь неон өдөөгдөх улаан спектрийн шугам юм. цахилгаан цэнэггүйдэл) болон лазерын оптик хөндий дэх резонансын үзэгдлүүд.

Харьцуулахын тулд баруун талд байгаа зургууд нь нарны цацрагийн спектрийг (A) ба ердийн улайсдаг чийдэнгийн (B) (дээд зураг), мөнгөн усны чийдэнгийн спектрийг (зураг баруун талд) болон маш томорсон цацрагийн спектрийг харуулж байна. Хэ-Не лазер (доод зураг).

Нарны спектрийн нэгэн адил улайсдаг чийдэнгийн спектр нь цахилгаан соронзон цацрагийн үзэгдэх спектрийн муж (400-700 нм) -ээр бүрэн дүүрсэн тасралтгүй спектрийг хэлнэ. Мөнгөн усны чийдэнгийн спектр нь шугамын спектрт хамаарах бөгөөд энэ нь бүх харагдах хүрээг дүүргэх боловч янз бүрийн эрчимтэй спектрийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдээс бүрддэг. Дашрамд хэлэхэд, лазер гарч ирэхээс өмнө мөнгөн усны чийдэнгээс цацрагийн бие даасан спектрийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг тусгаарлах замаар монохромат цацрагийг олж авсан.

1.2. Хэ-Не лазер дахь цацрагийн спектр.

Лазерын цацрагийн спектр нь монохромат, өөрөөр хэлбэл маш нарийн спектрийн өргөнтэй боловч зурагнаас харахад нарийн төвөгтэй бүтэцтэй байдаг.

Үүсгэх үйл явц лазер спектрСайн судлагдсан Хэ-Не лазер дээр үндэслэн авч үзье. Түүхийн хувьд энэ нь спектрийн харагдахуйц мужид ажилладаг анхны тасралтгүй лазер байв. Үүнийг 1960 онд А.Жаван бүтээсэн.

Зураг дээр. баруун талд нь гелий ба неоны өдөөсөн хольцын энергийн түвшин байдаг. Өдөөгдсөн гелий эсвэл неон атом нь электрон ба ионуудтай мөргөлдөх үед нэг буюу хэд хэдэн гадна талын электронтой атом юм. хийн ялгаралтөндөр энергийн түвшинд шилжих ба дараа нь бага энергийн түвшинд шилжих эсвэл ялгаруулж саармаг түвшинд буцаж ирж болно. гэрлийн квант- фотон.

Атомууд нь хийн хольцоор дамжин өнгөрөх цахилгаан гүйдлээр өдөөгддөг. He-Ne лазерын хувьд энэ нь бага гүйдэлтэй, гэрэлтдэг цэнэг юм (ердийн цэнэгийн гүйдэл нь 20-50 мА). Уран зураг эрчим хүчний түвшинХэ-Не лазер болох ийм "сонгодог" лазерын хувьд ч цацрагийн механизм нь нэлээд төвөгтэй байдаг тул бид зөвхөн энэ үйл явцын үндсэн нарийн ширийн зүйлийг авч үзэх болно. Неон атомуудтай мөргөлдөхөд 2S түвшинд өдөөгдсөн гелийн атомууд хуримтлагдсан энергийг өөрт шилжүүлж, 5S түвшинд өдөөдөг (тиймээс гелий хийн хольцнеоноос илүү). 5S түвшингээс электронууд хэд хэдэн доод энергийн түвшинд шилжиж болно. Бид зөвхөн 5S - 3P шилжилтийг сонирхож байна (өдөөх, ялгаруулах механизмын квант шинж чанараас шалтгаалан хоёр түвшин нь үнэндээ хэд хэдэн дэд түвшинд хуваагддаг). Энэ шилжилтийн үед фотоны цацрагийн долгионы урт 633 нм байна.

Бас нэг зүйлийг тэмдэглэе чухал баримт, энэ нь когерент цацрагийг олж авахад үндсэн ач холбогдолтой. Гели ба неоны зөв харьцаа, хоолой дахь хийн хольцын даралт, ялгарах гүйдлийн утгыг харгалзан электронууд 5S түвшинд хуримтлагддаг бөгөөд тэдгээрийн тоо нь доод 3P түвшинд байрлах электронуудын тооноос давж гардаг. Энэ үзэгдлийг түвшний популяцийн урвуу гэж нэрлэдэг. Гэсэн хэдий ч энэ нь лазерын цацраг биш юм. Энэ бол неон цацрагийн спектрийн спектрийн шугамуудын нэг юм. Спектрийн шугамын өргөн нь хэд хэдэн шалтгаанаас хамаардаг бөгөөд тэдгээрийн гол нь: - цацрагт оролцдог энергийн түвшний хязгаарлагдмал өргөн (5S ба 3P) ба неон атомуудын оршин суух хугацаатай холбоотой квант тодорхойгүй байдлын зарчмаар тодорхойлогддог. догдолж буй байдал, - холбоотой шугамын өргөтгөл байнгын хөдөлгөөнцахилгаан талбайн нөлөөгөөр ялгадас дахь өдөөгдсөн бөөмс (Доплер эффект гэж нэрлэдэг). Эдгээр хүчин зүйлсийг харгалзан үзвэл шугамын өргөн (мэргэжилтнүүд үүнийг ажлын шилжилтийн контур гэж нэрлэдэг) нь ангстромын хоёр арван мянганы нэг юм. Тооцооллын ийм нарийн шугамын хувьд түүний өргөнийг ашиглах нь илүү тохиромжтой давтамжийн домэйн. Шилжилтийн томъёог ашиглая:

dn 1 =dl c/l 2 (1)

Энд dn 1 нь давтамжийн муж дахь спектрийн шугамын өргөн, Гц, dl нь спектрийн шугамын өргөн (0.000002 нм), l нь спектрийн шугамын долгионы урт (633 нм), c нь гэрлийн хурд юм. Бүх утгыг (нэг хэмжилтийн системд) орлуулснаар бид 1.5 GHz шугамын өргөнийг авдаг. Мэдээжийн хэрэг, ийм нарийн шугамыг неон цацрагийн бүх спектртэй харьцуулахад бүрэн монохромат гэж үзэж болох боловч үүнийг когерент цацраг гэж нэрлэх боломжгүй юм. Когерент цацрагийг авахын тулд лазер нь оптик хөндий (интерферометр) ашигладаг.

1.3. Лазерын оптик хөндий.

Оптик резонатор нь оптик тэнхлэг дээр байрладаг, тусгал гадаргуутай бие биен рүүгээ харсан хоёр толин тусгалаас бүрдэнэ. зөв. Толин тусгал нь хавтгай эсвэл бөмбөрцөг хэлбэртэй байж болно. Хавтгай толь нь тэгшлэхэд маш хэцүү бөгөөд лазерын гаралт тогтворгүй байж болно. -тэй резонатор бөмбөрцөг толь(конфокаль резонатор) нь илүү тогтвортой боловч цацрагийн нарийн төвөгтэй, олон горимын найрлагаас шалтгаалан лазер туяа нь хөндлөн огтлолын дагуу жигд бус байж болно. Практикт арын бөмбөрцөг ба урд хавтгай толин тусгал бүхий хагас фокусын резонаторыг ихэвчлэн ашигладаг. Ийм резонатор нь харьцангуй тогтвортой бөгөөд нэгэн төрлийн (нэг горим) цацраг үүсгэдэг.

Аливаа резонаторын гол шинж чанар нь түүний дотор цахилгаан соронзон долгион үүсэх явдал юм. Хэ-Не лазерын хувьд 633 нм долгионы урттай неон спектрийн шугамыг гаргахын тулд байнгын долгион үүсдэг. Үүнийг зөвхөн энэ долгионы уртад зориулж сонгосон толин тусгалын хамгийн их тусгалын коэффициент тусалдаг. Лазерын хөндий нь олон давхаргат бүрээстэй диэлектрик толь ашигладаг бөгөөд тусгалын коэффициент 99% ба түүнээс дээш байдаг. Мэдэгдэж байгаагаар үүсэх нөхцөл байдал зогсож буй долгионТолин тусгалуудын хоорондох зай нь хагас долгионы бүхэл тоотой тэнцүү байх ёстой.

nl =2л (2)

Энд n нь бүхэл тоо буюу интерференцийн дараалал, l нь интерферометрийн доторх цацрагийн долгионы урт, L нь толь хоорондын зай юм.

Резонансын нөхцлөөс (2) бид резонансын давтамжийн хоорондох зайг олж авч болно dn 2:

dn 2 =c/2л (3)

Нэг ба хагас метр хийн лазерын хөндийд (He-Ne лазер LGN-220) энэ утга нь ойролцоогоор 100 МГц байна. Зөвхөн ийм давтамжтай цацрагийг резонаторын толин тусгалаас дахин дахин тусгаж, урвуу орчинд - цахилгаан цэнэгийн улмаас өдөөгдсөн гелий ба неон хольцоор дамжин өнгөрөхөд олшруулж болно. Үүнээс гадна хамгийн чухал зүйл бол энэ цацраг нь резонаторын дагуу дамжих үед түүний фазын бүтэц өөрчлөгддөггүй бөгөөд энэ нь олшруулсан цацрагийн уялдаа холбоотой шинж чанарыг бий болгодог. Үүнийг дээр дурдсан 5S түвшний урвуу популяци дэмжиж байна. Электрон нь энэ шилжилтийг эхлүүлж буй фотонтой синхроноор дээд түвшнээс доод түвшинд шилждэг тул хоёр фотонд тохирох долгионы фазын параметрүүд ижил байна. Когерент цацрагийн энэ үе нь резонатор доторх цацрагийн бүх замын дагуу үүсдэг. Нэмж дурдахад резонансын үзэгдлүүд нь ялгаруулалтын шугамыг илүү нарийсгахад хүргэдэг бөгөөд үүний үр дүнд резонансын оргилын төвд хамгийн их ашиг олдог.
Тодорхой тооны дамжуулалтын дараа когерент цацрагийн эрчим нь резонатор дахь байгалийн алдагдлаас (идэвхтэй орчинд тархах, толин тусгал дахь алдагдал, дифракцийн алдагдал гэх мэт) давж, нэг хэсэг нь резонатороос давж гардаг. Үүний тулд амралтын өдөр, хавтгай тольарай бага тусгалтай (99.6-99.7%) хийсэн. Үүний үр дүнд лазерын цацрагийн спектр нь 3-р зурагт үзүүлсэн хэлбэртэй байна. дээрх. Спектрийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тоо ихэвчлэн араваас хэтрэхгүй.

Лазер цацрагийн давтамжийн шинж чанарыг тодорхойлдог бүх хүчин зүйлийг дахин нэгтгэн дүгнэж үзье. Юуны өмнө ажлын шилжилт нь контурын байгалийн өргөнөөр тодорхойлогддог. улмаас бодит нөхцөлд янз бүрийн хүчин зүйлүүдтойм өргөжиж байна. Өргөтгөсөн шугамын дотор интерферометрийн резонансын шугамууд байрладаг бөгөөд тэдгээрийн тоог шилжилтийн контурын өргөн ба зэргэлдээ оргилуудын хоорондох зайгаар тодорхойлно. Эцэст нь, оргилуудын төвд лазерын гаралтын спектрийг тодорхойлдог лазерын цацрагийн маш нарийн спектрийн шугамууд байдаг.

1.4. Лазер цацрагийн уялдаа холбоо.

Хэ-Не лазерын цацраг ямар урттай уялдаа холбоотой болохыг тодруулцгаая. Ажилд санал болгож буй томъёог ашиглацгаая.

урвуу орчинд дамжин өнгөрөхдөө - цахилгаан цэнэгийн улмаас өдөөгдсөн гелий ба неон хольц. Үүнээс гадна хамгийн чухал зүйл бол энэ цацраг нь резонаторын дагуу дамжих үед түүний фазын бүтэц өөрчлөгддөггүй бөгөөд энэ нь олшруулсан цацрагийн уялдаа холбоотой шинж чанарыг бий болгодог. Үүнийг дээр дурдсан 5S түвшний урвуу популяци дэмжиж байна. Электрон нь энэ шилжилтийг эхлүүлж буй фотонтой синхроноор дээд түвшнээс доод түвшинд шилждэг тул хоёр фотонд тохирох долгионы фазын параметрүүд ижил байна. Когерент цацрагийн энэ үе нь резонатор доторх цацрагийн бүх замын дагуу үүсдэг. Нэмж дурдахад резонансын үзэгдлүүд нь ялгаруулалтын шугамыг илүү нарийсгахад хүргэдэг бөгөөд үүний үр дүнд резонансын оргилын төвд хамгийн их ашиг олдог.

dt =dn -1 (4)

Энд dt нь монохромат долгионы далайц ба фаз тогтмол байх хугацааны интервалын дээд хязгаарыг илэрхийлдэг когерентийн хугацаа юм. Голограмм дээр бичигдсэн үзэгдлийн гүнийг тооцоолоход хялбар байдаг l-ийн бидний мэддэг уялдаа холбоонд шилжье.

l=c/dn (5)

Өгөгдлийг томьёо (5)-д орлуулж, бүрэн спектрийн өргөнийг dn 1 = 1.5 GHz-д оруулснаар бид 20 см-ийн когерентийн уртыг олж авдаг бөгөөд энэ нь зайлшгүй цацрагийн алдагдалтай He-Ne лазерын бодит когерентийн урттай ойролцоо байна. хөндийд. Мишельсоны интерферометр ашиглан когерентийн уртыг хэмжих нь 15-17 см-ийн утгыг өгдөг (интерференцийн хэв маягийн далайц 50% буурах түвшинд). Лазерын хөндийгөөр тусгаарлагдсан бие даасан спектрийн бүрэлдэхүүн хэсгийн когерентийн уртыг тооцоолох нь сонирхолтой юм. dn 3 интерферометрийн резонансын оргилын өргөнийг (дээд талын гурав дахь зургийг үзнэ үү) түүний чанарын хүчин зүйлээр тодорхойлогддог бөгөөд ойролцоогоор 0.5 МГц байна. Гэхдээ дээр дурьдсанчлан резонансын үзэгдлүүд нь интерферометрийн резонансын оргилын төвийн ойролцоо (зураг дээрх дээд талаас гуравдугаарт) үүссэн лазерын спектрийн dn 4 шугамыг улам нарийсгахад хүргэдэг. Онолын тооцоолол нь герцийн найман мянганы шугамын өргөнийг өгдөг! Гэсэн хэдий ч ийм нарийн спектрийн бүрэлдэхүүн хэсэг нь удаан хугацааны туршид оршин тогтнох нь резонаторын механик тогтвортой байдлын утгууд, дулааны шилжилт болон бусад параметрүүдийн утгыг шаарддаг тул энэ утга нь практик ач холбогдолтой биш юм. лазер. Тиймээс бид интерферометрийн резонансын оргилын өргөнийг хязгаарлах болно. 0.5 МГц-ийн спектрийн өргөний хувьд (5) томъёогоор тооцоолсон когерентийн урт нь 600 м байна. Зөвхөн нэг спектрийн бүрэлдэхүүн хэсгийг тусгаарлаж, түүний хүчийг үнэлж, нэг газар хадгалахад л үлддэг. Хэрэв голограмд ​​өртөх үед энэ нь бүхэл бүтэн ажлын хэлхээний дагуу "дамж" байвал (жишээлбэл, резонаторын температурын тогтворгүй байдлаас шалтгаалан) бид дахин ижил 20 см уялдаа холбоог олж авна.

1.5. Ионы лазер үүсгэх спектр.

Өөр нэг хийн лазер болох аргоныг бий болгох спектрийн талаар товч ярилцъя. Энэ лазер нь криптон лазерын нэгэн адил ион лазеруудад хамаардаг, i.e. Когерент цацраг үүсгэх үйл явцад аргоны атомууд оролцохоо больсон, харин тэдгээрийн ионууд, өөрөөр хэлбэл атомууд, гаднах бүрхүүлийн нэг буюу хэд хэдэн электронууд нь хүчтэй нумын ялгарлын нөлөөн дор тасардаг. идэвхтэй бодис. Цэнэглэх гүйдэл нь хэдэн арван амперт хүрдэг, тэжээлийн хангамжийн цахилгаан эрчим хүч хэдэн арван киловатт байдаг. Идэвхтэй элементийг усаар эрчимтэй хөргөх шаардлагатай, эс тэгвээс түүний дулааны сүйрэл үүснэ. Мэдээжийн хэрэг, ийм хатуу ширүүн нөхцөлд аргон атомыг өдөөх дүр зураг бүр ч төвөгтэй байдаг. Хэд хэдэн лазер лазерууд нэг дор үүсдэг. спектрийн шугамууд, тус бүрийн ажлын контурын өргөн нь Хэ-Не лазерын контурын өргөнөөс хамаагүй том бөгөөд хэд хэдэн гигагерц болно. Үүний дагуу лазерын когерентийн уртыг хэдэн см хүртэл багасгадаг. Том форматтай голограммыг бичихийн тулд үүслийн спектрийн давтамжийг сонгох шаардлагатай бөгөөд үүнийг энэ зүйлийн хоёрдугаар хэсэгт авч үзэх болно.

1.6. Хагас дамжуулагч лазерын үүслийн спектр.

Голографийг заах үйл явц болон голографчдын сонирхлыг их татдаг хагас дамжуулагч лазерын цацрагийн спектрийг авч үзье. Түүхээс харахад галлиум арсенид дээр суурилсан тарилгын хагас дамжуулагч лазерыг анх бүтээжээ. зөв.

Түүний загвар нь маш энгийн тул түүний жишээн дээр хагас дамжуулагч лазерын ажиллах зарчмыг авч үзье. Цацрагийн идэвхт бодис нь галлийн арсенидын нэг талст бөгөөд хэдэн зуун микрон урттай параллелепипед хэлбэртэй байдаг. Хажуугийн хоёр нүүрийг зэрэгцээ хийж, өндөр нарийвчлалтайгаар өнгөлсөн. улмаас том үзүүлэлтхугарал (n = 3.6), болор-агаарын интерфейс дээр энэ нь нэлээд харагдаж байна том коэффициенттусгал (ойролцоогоор 35%) бөгөөд энэ нь тусгал толины нэмэлт хуримтлалгүйгээр уялдаатай цацраг үүсгэхэд хангалттай юм. Кристалын бусад хоёр нүүр нь тодорхой өнцгөөр налуу хэлбэртэй байна; өдөөгдсөн цацраг нь тэдгээрээр дамждаггүй. Когерент цацраг үүсэх нь p-n уулзварт үүсдэг бөгөөд энэ нь хүлээн авагч хольц (Zn, Cd гэх мэт) нь донорын хольцтой (Te, Se, гэх мэт) хольцтой болорын бүсэд тархах замаар үүсдэг. Перпендикуляр идэвхтэй бүсийн зузаан p-n уулзварчиглэл нь 1 мкм орчим байна. Харамсалтай нь хагас дамжуулагч лазерын энэхүү загварт шахуургын гүйдлийн босго нягт нь нэлээд өндөр (1 квадрат см тутамд 100 мянган ампер) болж хувирдаг. Тиймээс энэ лазер тасалгааны температурт тасралтгүй горимд ажиллахад тэр даруй устаж, хүчтэй хөргөлт шаарддаг. Лазер нь температурт тогтвортой ажилладаг шингэн азот(77 К) эсвэл гелий (4.2 К).

Орчин үеийн хагас дамжуулагч лазерууд нь давхар гетерогцолтын үндсэн дээр хийгдсэн, Зураг. зөв. Ийм бүтцэд гүйдлийн босго нягтыг хоёр дарааллаар багасгаж, 1000 А/см хүртэл бууруулсан. кв. Энэ гүйдлийн нягтралд энэ нь боломжтой юм тогтвортой ажилхагас дамжуулагч лазер ба өрөөний температурт. Эхний лазерын дээжүүд нь хэт улаан туяаны мужид (850 нм) ажилласан. Хагас дамжуулагч давхарга үүсгэх технологийг улам боловсронгуй болгосноор долгионы урт (1.3 - 1.6 мкм) нэмэгдсэн лазерууд гарч ирэв. шилэн кабелийн шугамхолболт, мөн харагдах бүсэд цацраг үүсгэх (650 нм). Спектрийн цэнхэр бүсэд аль хэдийн ялгардаг лазерууд байдаг. Хагас дамжуулагч лазерын том давуу тал нь өндөр үр ашигтай (цацрагийн энергийн харьцаа) юм цахилгаан эрчим хүчшахах), энэ нь 70% хүрдэг. Атом ба ионы хийн лазерын хувьд үр ашиг нь 0.1% -иас хэтрэхгүй байна.

Хагас дамжуулагч лазер дахь цацраг үүсгэх үйл явцын онцлог шинж чанараас шалтгаалан цацрагийн спектрийн өргөн нь Хэ-Не лазерын спектрийн өргөнөөс хамаагүй их байдаг. зөв.

Ажлын контурын өргөн нь ойролцоогоор 4 нм байна. Тоо спектрийн гармоникхэдэн арван хүрч болно. Энэ нь лазерын когерентийн уртад ноцтой хязгаарлалт тавьдаг. Хэрэв бид (1), (5) томъёог ашиглавал онолын уялдаа холбоо нь зөвхөн 0.1 мм байх болно. Гэсэн хэдий ч Michelson интерферометр дээр когерентийн уртыг шууд хэмжиж, цацруулагч голограммыг тэмдэглэснээр хагас дамжуулагч лазерын бодит когерентийн урт нь 4-5 см хүрдэг нь хагас дамжуулагч лазерын бодит цацрагийн спектр нь тийм ч баялаг биш гэдгийг харуулж байна гармоник ба онолын таамаглаж байгаачлан ийм том контурын өргөн ажилчны шилжилт байхгүй байна. Гэсэн хэдий ч шударга ёсны үүднээс хагас дамжуулагч лазерын цацрагийн уялдаа холбоо нь дээжээс дээж болон түүний ажиллах горимоос (насосны гүйдэл, хөргөлтийн нөхцөл гэх мэт) ихээхэн ялгаатай байдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй.