ЛАЗЕР [ағылшынша «LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiaton» – жарықты еріксіз сәуле шығару арқылы күшейту» деген сөйлемдегі сөздердің бас әріптері бойынша қысқартылған атау], оптикалық кванттық генератор – оптикалық резонаторда орналасқан активті ортаның еріксіз сәуле шығару немесе жарықты еріксіз шашырату есебінен когерентті электрмагниттік толқындар шығаратын құрылғы. Қазіргі кездегі лазерлер ультракүлгін (УК) сәуледен бастап субмиллиметрлік толқындар ұзындығына (λ) дейінгі диапазон- дағы кең алқаптағы сәулелерді таратады. Ең алғаш рубиндік лазер жасалған. Оны 1960 жылы американ физигі Теодор Мейман (1927 – 2007) жасаған. Лазер сәулесінің негізгі сипаттамасы – когеренттілігі мен бағытталғандығы сәуле шығаруға әкеп соғатын басты үрдіс (процесс), еріксіз сәуле шығару мен кері байланыс. Сонымен қатар сырттан келетін электрмагниттік толқындарды кері байланыссыз күшейтуге арналған лазер-күшейткіштер де бар.
Лазерлердің жасалуы және одан сәл бұрынырақ 1955 жылы лазерлердің пайда болуы физика мен техникада жаңа бағыттың – кванттық электрониканың
тууының және оның дамытылуының негізі болды. Қазіргі кездегі лазерлер толқын ұзындығы ультракүлгін сәуледен бастап инфрақызыл және субмиллиметрлік сәулелердің кең алқапты диапазондарын қамтыған.
Лазер жасалғанға дейін когерентті электрмагниттік толқындар тек іс жүзінде радиодиапазонда ғана
қолданылды, оларды радиотолқын генераторлары шығарды. Оптикалық диапазонда көптеген тәуелсіз микроскопиялық сәуле шығарғыштар тарататын суперпозициялық толқындар ғана болды. Бұл жағдайда қорытқы толқындардың фазалары қалай болса солай хаосты (ретсіз) өзгеретін болды, сол себепті әлгі толқындардың кеңістікте таралуының белгілі бір бағыты болмады.
Лазерлік емес жарық көздерінің сәулесі кванттық көзқарас бойынша жекелеген бөлшектерден тәуелсіз шығарылатын фотондардың қосындысынан құралған, сондықтан олардың шығаратын сәулесі өз еркімен өздігінен шығарылып, кез келген уақытта, кез келген бағытта таралады, осыларға қоса толқындар ұзындықтары қосындысының белгілі бір мәні болмайды, кез келген бағытқа бағытталады және жекелеген сәуле шығарушы микрожүйелердің ретсіз шығарған сәулелеріне тәуелді. Лазердің әсері сыртқы электрмагниттік өрістің ықпалымен еріксіз түрде фотондар шығаруға негізделген.
Лазерлерде негізгі үш құраушы бөлік: а к т и в т і
орта (активті бөлік) – мұнда 2-сызба. Оптикалық резонатордағы активті орта толымдылық инверсиясы жасалады; активті ортада инверсия жасауға арналған құрылғы (толтыру жүйесі); оң кері байланысты қамтамасыз етуге арналған құрылғы (оптикалық резонатор) болады. Қарапайым оптикалық резонатор (Фабри-Перо резонаторы) параллель орналасқан екі жазық айнадан құралған. Оптикалық резонаторда әрқайсысы айналар арасында бүтін санды жарты толқын болатын көптеген меншікті тұрғын толқындардың болуы мүмкін.
Резонатор ішінде орналасқан активті бөлікте инверсиялық күй орнаған соң, онда көптеген люминесценциялық актілер пайда болады. Фо- тондар активті ортада асқынлюминесценция тудырады. Алғашында резонатор- дың осіне перпендикуляр бағытта шығарылған фотондар осы бағыттарда тек асқынлюминесценциялық қысқа доғалар ғана тудырады. Резонатордың осі бойынша өз еркімен шығарылған фотондар, көптеген рет резонатор айнасынан шағылысып, активті бөлік арқылы қайталап өтіп резонаторда еріксіз сәуле шығару актісін тудырады (2-сызба). Толқынның энергиясы күшейтілу есебінен резонатордан әрбір өтуі кезіндегі шығындалған энергиясынан артатын жағдайда ғана сәуле шығарылады. Сәуле шығарудың басталу шарты (генерация табалдырығы) αо–βо=0 (мұндағы αо – активті бөліктің күшейтілу коэффициенті табалдырығының мәні, βо – бір өту кезіндегі электрмагниттік энергияның толық шығынының коэффи- циенті) теңдеуімен анықталады.
Толымдылық инверсиясын жүзеге асыру тәсіліне тәуелді түрде үздіксіз және импульстік сәуле шығаруға болады. Үздіксіз генерациялау кезінде активті ортадағы инверсияны сыртқы энергия көзі есебінен ұзақ уақыт ұсталып тұрады. Инверсияны импульстік генерациялауды жүзеге асыру үшін импульстермен қоздырылады. Үздіксіз генерациялау кезіндегі еріксіз сәуле шығарудың қарқындылығы активті заттағы сызықтық емес үрдістермен (процестермен) шектеледі. Осы шектеулер нәтижесінде активті затта қанығупайда болады – еріксіз сәуле шығару актісінің саны жұтылу актісінің санына тең болады, себебі жоғары және төменгі энергетикалық деңгейлердегі бөлшектер саны теңгеріледі және толқындар қарқындылықтарының өсуі тоқтатылады.
Лазердегі энергияның шығындары ішкі шығын (мысалы, активті ортадағы, айналардағы және лазердің басқа бөліктеріндегі жарықтың жұтылуы мен шашыратылуынан) және генерацияланатын энергияның бір бөлігінің резонатор айналарының біреуі арқылы шығарылуы есебінен қосылып пайда болады, резонатордың айналарының біреуі осы мақсат үшін жарым-жартылай мөлдір
(немесе сәуле шығарылатын саңылауының) болуы қажет.
Әдетте лазерлік сәуле резона- тордың жартылай мөлдір айнасы арқылы сыртқа шығарылады. Қоздыру энергиясы лазерді энергетикалық деңгейлердің толымдылық инверсиясымен және активті зонаның күшейтілуімен қамтамасыз етеді. Активті орта
үшін осы ортаның құрылымына тәуелді болатын арнайы әдістер қолданылады. Мысалы, рубин кристалында қоныстану инверсиясы ү ш д е ң г е й л і с ұ лб а бойынша жүзеге асырылады (3-сызба, а). Рубин кристалындағы хром (Gr) атомдарының энергетикалық спектрінде ࣟ1 тар алқапты деңгей (негізгі күйдегі) м мен ࣟ2 (метатұрақты қоздырылған)
Айнаның жазықтығына перпендикуляр деңгейден жоғары үшінші деңгей болабағытта таралатын өз еркімен туған фо- тын, салыстырмалы түрде кең алқапты ࣟ тондар ортадан тысқары шығып кететін фотондар тасқынын тудырады 3 күйлер (жұту алқаптары) орналасады.
Хром атомдары оптикалық толтырудың
ықпалымен ࣟ1 негізгі күйден ࣟ3 күйге ауысады. Өте аз уақыт (~10–8 секунд) аралығында атомдар сәуле шығарусыз ࣟ2 күйге ауысады.
Метатұрақты ࣟ1 күйдегі атомдардың «өмір сүру» уақыты ࣟ3 күйдегіден (~10–3 секунд) едәуір артық. Атомдардың негізгі күйден ࣟ3 күйге (толтыру көзінің қуаты жоғары болған кезде) жеткілікті түрде тез ауысатын кезде ࣟ2 деңгейдегі бөлшектердің тығыздық саны ࣟ1 деңгейдегіден жоғары болады, яғни ࣟ2 және ࣟ1 деңгейлердегі толымдылық инверсиясы пайда болады, бөлшектердің осылардың арасында ауысуы кезінде лазерлік сәуле пайда болады (шығарылады).
Т ө р т д е ң г е й л і с ұ л б а бойынша (3-сызба, б) жұмыс жасайтын активті орталар да бар; бұларға неодимді (Nd) кристалл жатады. Мұндай орталарда метаорнықты ࣟ3 негізгі ࣟ1 деңгейлер арасында аралық жұмыстық деңгей ࣟ2 болады, бұл деңгейдің термодинамикалық тепе-теңдік жағдайлардағы толымдылығы сәл ғана артық болады. ࣟ3→ࣟ2 ауысуы кезінде лазерлік сәуле туады (шығарылады). ࣟ2 деңгейдің толымдылығының аз болуы толымдылық инверсиясын тудыруды жеңілдетеді, осы жайт төртдеңгейлі сұлба бойынша жұмыс жасайтын активті ортаның негізгі артықшылығы болып табылады. Қатты денелі активті орталы, газ орталы және басқа типті көптеген лазерлер төртдеңгейлі сұлба бойын- ша жұмыс жасайды.
Кез келген лазердің негізі еріксіз сәуле шығару үрдісі (процесі) тікелей өтетін және лазерлік сәуле тудырылатын активті 1 – сәуле таратқыш дене; 2 – толтыру шамы;
3 – резонатор айнасы бөлік болып табылады. Активті бөлік, резонатор айналары, қоздыру жүйесі көп жағдайда ортақ құрылымға біріктіріліп жасалады, осы бөлік сәуле шығарғыш деп аталған. Сәуле шығарғыштан басқа электрлік қоректендіру және салқындату (қуатты лазерлер үшін) блоктары да болады. Лазерлердің маңызды сипаттамаларының бірі бұл сәуленің шашыратылу бұрышының тым аздығы.
Лазердің пайда болуы физиканың сызықты емес оптика мен голографияны тудырды. Термоядролық синтез мәселесін шешуде лазерлерді плазманы қыздыру үшін пайдаланудың болашағы бар.
Импульстік лазер жалпылама қарастырғанда энергия алдын ала жинақталып, соңынан бірден лезде босатылып жіберілетін құрылғы болып табылады, осының нәтижесінде құрылғы өте қарқынды жарық шоғын тудырады. Лазердің ең бас- ты әрі негізгі бөлігі кристалл немесе газ не сұйық толтырылған түтік болып табылады. Энергияны іске қосу сәйкес жарықтың қуатты оталуын тудыратын тетікпен не радиотолқынның немесе электронның қарқынды ағынымен жүзеге асырылады. Энергияны толтыру кезінде лазердің ішіндегі атомдар едәуір жо- ғарғы энергетикалық күйге ауысады. Содан соң, өздігінен бастапқы күйге қай
тып оралады, атом жарық бөлшегін (фотонды) шығарады. Осы фотон өзге қозған атомдармен соқтығысады, бұл жаңа фотондарды шығаруға әкеп соғады. Осындай әдіспен тудырылған фотондар саны өте тез молаяды. Кристалдың (немесе түтіктің) екі ұшына айналар орнатылған, осы айналардан кезек-кезек шағылып, фотондар айналар арасында алға-артқа қарай қозғалып, жарықты көбейтеді. Осы жарықтың бір бөлігі жартылай мөлдір айнадан сыртқа шығып кете алады.
Алғашқы импульстік лазерді 1960 жылы американ физигі Теодор Мейман (1927 – 2007) жасаған, ол лазерде рубин кристалы қысқа қызыл жарық шығара- тын болған. Қазіргі лазерлер үздіксіз әрекетті, олар әртүрлі түсті жарық шығара- ды, кейбір лазерлер тіптен инфрақызыл немесе ультракүлгін диапазондағы сәу- лелер таратады.
Лазердегі атомдардың фотондар шығаруына сыртқы жарық көзі «қамтамасыз» ететін өзге фотондар себепші болады. Лазерге сырттан «айдамаланған» жарықта көптеген жиіліктер болуы мүмкін, мұндай емес лазерлер белгілі бір жиілікті едәуір қарқынды жарық ағынын тудырады. Әрбір фотон жаңа фотон шығаруға итермелейді, олардың барлығы бірдей қозғалып фазалары дәл жарық толқындарын шығарады (әдеттегі жарықта барлық толқындар фазалар бойынша үйлеспейді); осы сәуле когерентті сәулелер деп аталған. Толқындар бірдей фазалы болуы себепті олар бірін-бірі күшейтетін болады, сондықтан жарық өте күшті жарқырайды. Лазер өте жіңішке жарық шоғын тудырады, бұл шоқ қашықтағанда да онша кеңейіп жайылмайды; Жерден Айға қарай бағытталған лазер сәулесі онда диаметрі 3 кмдей дақ түсіреді екен.
Лазерлер қашықтық және жылдамдық өлшеулерге пайдаланылады. Лазер арқылы Жер мен Айдың арақашықтығы өлшенген. Лазер сәулесін американдық «Аполлондар» ғарыштық кемесінің бірімен Айға апарылған айнадан шағылысып Жерге қайтып келген.
Лазерлердің когерентті жарығының қолданылуының қызғылықты аймағының бірі үш өлшемді (көлемді) кескін шығаруға мүмкіндік туғызған голография болып табылады. Голографияның дамытылуының аяқталу нәтижесі үш өлшемді телевизия мен кино болмақ, бұлар қазіргі кездері әртүрлі қолданыс тапқан. Екі рет экспозицияланған (яғни екі рет суретке түсірілген) голограмма заттың экспозициялану аралығындағы кез келген қозғалысты тіркеуге мүмкіндік жасайды. Сол себепті әр қилы беттердің жасайтын тербелістерінің жағдайын анықтайды. Дірілдерді талдау әсіресе үлкен жылдамдықтағы ұшақтардың бөліктерін және қозғалтқыштарды жасау үшін маңызды.
Лазердің төңкеріс жасайтын саласы ядролық энергетика болмақ. Термоядролық реакция (дербес жағдайда сутек бомбасында және жұлдыздарда жүзеге асырылатын) лазерлік сәулемен жүзеге асырыла алады (алдын ала қуатты электр разрядымен жоғары температуралы плазма алынбастан).
Аз қуатты лазер сәулесі көздің қабатталған торлы қабатына шоғырлап тоғыстау (фокустау) арқылы ауыртпай сылып тастай алады. Лазер ауырған тісті ауыртпай бұрғылап тесе алады. Өнеркәсіпте лазерлер металл табақтарды және дайындамаларды кесуге және тесуге қолданылады, тіптен алмастарды тесуге де қолданылады.
Газды лазер – активті орта ретінде газ пайдаланылатын лазер.
Газдинамикалық лазер – толымдылық инверсиясы асқындыбыстық жылдамдықпен қозғалатын газдың адиабаттық салқындатылуымен жүзеге асырылатын газды лазер.
Еркін электрондық лазер – еркін релятивті электрондардың кеңістіктікпериодты электрлік немесе магниттік өрістермен өзараәсерлесу негізінде оптикалық диапазондардағы толқын ұзындықты (инфрақызыл, көрінетін) сәулелер тарататын когерентті электрмагниттік генератор.
Инжекциялы лазер – толымдылық инверсиясы үшін заряд тасушылардың электрондық-кемтіктік ауысу арқылы инжекциялануы пайдаланылатын қатты денелі лазер.
Қайтақұру лазері – жиілігін сызықтық емес оптикалық қасиеттері болатын ортадан өткізіп өзгертуге болатын когерентті оптикалық сәуле көзі.
Қатты денелі лазер – активті орта ретінде қатты дене пайдаланылатын лазер.
Химиялық лазер – толымдылық инверсиясы химиялық реакциялар нәтижесінде пайда болатын газды лазер.
Эксимерлі лазер – сәуле шығару үшін эксимерлі молекулалардың электрондық деңгейлері арасындағы ауысулар пайдаланылатын газды лазер.
ЛАЗЕРЛІК АЖЫРАТУ, изотоптарды лазерлік ажырату – изотоптарды атомдар мен молекулалардың энергия деңгейлерінің изотоптық ығысуына және лазерлік сәулелердің резонанстық ықпалдарын пайдалануға негізделген бірінен-бірін айыру әдісі. Лазердің қарқынды монохроматты сәулесі атомдар мен молекулалардың сәйкес энергетикалық деңгейлері арасында ауысуларды тудыра отырып, таңдалған изотопты немесе оның атомын иондалуға немесе молекулаларды диссоциациялануға дейінгі қоздырылған күйге ауыстырады. Осыдан соң қоздырылған атомдар мен молекулаларды әртүрлі фазаларға (мысалы, иондарды – электр өрісімен) немесе химиялық әдістермен бірінен-бірін айыру мүмкін болады. Изотоптарды лазерлік ажыратуда негізгі екі – көпсатылы және бірсатылы сұлба қалыптасқан. Көпсатылы ажырату сұлбасында атомдар немесе молекулалар лазердің резонанстық сәулесімен қоздырылған күйге ауыстырылады, бұлар өзге бір лазердің әсерімен иондалады немесе молекулалар диссоциацияланады.
Бірсатылы сұлбада изотоптарды лазерлік ажырату қуатты лазерлік сәуле атомдардың немесе молекулалардың ауысуы кезінде қасиеттерін белгілі бір ша- мада өзгертеді. Осы жағдайларда қоздырылған молекулаларды ажырату үшін энергиясы қоздырылған кванттың шамасына тең өзараәсерлесуді пайдалану қажет.
ЛАЗЕРЛІК ПЛАЗМА – қуатты лазерлік сәулені фокустау (тоғыстау) әсерінен газдардың иондалуының дамытылуы кезінде пайда болатын плазма. Атмосфералық қысым кезінде газдарды жарықтың тесіп өтуі кезіндегі (лазерлік ұшқында) пайда болатын лазерлік плазманың температурасы ~2·104 К-ге тең, яғни ол төменгі температуралы плазма болады. Оптикалық жиілікке тән энергияның кеңістік арқылы емін-еркін таралуының қолданыста маңызы бар. Оптикалық разрядтың әсер ету аймағын шектеп жарықтылығы күшті жарық көзі ретінде пайдалануға болады; үздіксіз плазма ағынын туғызуға болады; қатты нысананы немесе тоғысталған қуатты лазер сәулесімен сығылған газды сәулелендіру кезінде жоғары температуралы (~107 К) және тығыз плазма пайда болады, мұндай плазмамен термоядролық реакцияларды тудыру мүмкін болады.