ლაზერი და მისი დამუშავების სისტემა

1. ლაზერული გენერაციის პრინციპი

ატომის სტრუქტურა პატარა მზის სისტემას ჰგავს, რომლის შუაშიც ატომური ბირთვია. ელექტრონები მუდმივად ბრუნავენ ატომური ბირთვის გარშემო და ატომური ბირთვიც მუდმივად ბრუნავს.

ბირთვი შედგება პროტონებისა და ნეიტრონებისგან. პროტონები დადებითად დამუხტულია, ხოლო ნეიტრონები - უმუხტო. მთელი ბირთვის მიერ გადატანილი დადებითი მუხტების რაოდენობა უდრის მთლიანი ელექტრონების მიერ გადატანილი უარყოფითი მუხტების რაოდენობას, ამიტომ, როგორც წესი, ატომები ნეიტრალურია გარე სამყაროს მიმართ.

რაც შეეხება ატომის მასას, ბირთვი კონცენტრირებულია ატომის მასის უმეტესი ნაწილით და ყველა ელექტრონის მიერ დაკავებული მასა ძალიან მცირეა. ატომის სტრუქტურაში ბირთვი მხოლოდ მცირე ადგილს იკავებს. ელექტრონები ბრუნავენ ბირთვის გარშემო და ელექტრონებს გაცილებით დიდი სივრცე აქვთ აქტივობისთვის.

ატომებს აქვთ „შინაგანი ენერგია“, რომელიც ორი ნაწილისგან შედგება: ერთი არის ის, რომ ელექტრონებს აქვთ ბრუნვის სიჩქარე და გარკვეული კინეტიკური ენერგია; მეორე არის ის, რომ უარყოფითად დამუხტულ ელექტრონებსა და დადებითად დამუხტულ ბირთვს შორის არის მანძილი და არსებობს გარკვეული რაოდენობის პოტენციური ენერგია. ყველა ელექტრონის კინეტიკური და პოტენციური ენერგიის ჯამი არის მთელი ატომის ენერგია, რომელსაც ატომის შინაგანი ენერგია ეწოდება.

ყველა ელექტრონი ბრუნავს ბირთვის გარშემო; ზოგჯერ ბირთვთან უფრო ახლოს, ამ ელექტრონების ენერგია უფრო მცირეა; ზოგჯერ ბირთვიდან უფრო შორს, ამ ელექტრონების ენერგია უფრო დიდია; წარმოქმნის ალბათობის მიხედვით, ადამიანები ელექტრონულ ფენას სხვადასხვა „ენერგეტიკულ დონეებად“ ყოფენ; გარკვეულ „ენერგეტიკულ დონეზე“ შეიძლება ხშირად ბრუნავდეს რამდენიმე ელექტრონი და თითოეულ ელექტრონს არ აქვს ფიქსირებული ორბიტა, მაგრამ ამ ელექტრონებს ყველას აქვთ ენერგიის ერთი და იგივე დონე; „ენერგეტიკული დონეები“ ერთმანეთისგან იზოლირებულია. დიახ, ისინი იზოლირებულია ენერგეტიკული დონეების მიხედვით. „ენერგეტიკული დონის“ კონცეფცია არა მხოლოდ ელექტრონებს დონეებად ყოფს ენერგიის მიხედვით, არამედ ელექტრონების ორბიტიან სივრცესაც მრავალ დონედ ყოფს. მოკლედ, ატომს შეიძლება ჰქონდეს მრავალი ენერგეტიკული დონე და სხვადასხვა ენერგეტიკული დონე შეესაბამება სხვადასხვა ენერგიას; ზოგიერთი ელექტრონი ბრუნავს „დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე“, ზოგი კი „მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე“.

დღესდღეობით, საშუალო სკოლის ფიზიკის სახელმძღვანელოებში ნათლად არის მონიშნული გარკვეული ატომების სტრუქტურული მახასიათებლები, ელექტრონების განაწილების წესები თითოეულ ელექტრონულ ფენაში და ელექტრონების რაოდენობა სხვადასხვა ენერგეტიკულ დონეზე.

ატომურ სისტემაში ელექტრონები ძირითადად ფენებად მოძრაობენ, ზოგი ატომ მაღალ ენერგეტიკულ დონეზეა, ზოგი კი დაბალ; რადგან ატომებზე ყოველთვის მოქმედებს გარე გარემო (ტემპერატურა, ელექტროენერგია, მაგნეტიზმი), მაღალი ენერგიის დონის ელექტრონები არასტაბილურია და სპონტანურად გადადიან დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე, მისი ეფექტი შეიძლება შეიწოვოს, ან შეიძლება გამოიწვიოს სპეციალური აგზნების ეფექტები და გამოიწვიოს „სპონტანური ემისია“. ამიტომ, ატომურ სისტემაში, როდესაც მაღალი ენერგიის დონის ელექტრონები გადადიან დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე, იქნება ორი გამოვლინება: „სპონტანური ემისია“ და „სტიმულირებული ემისია“.

სპონტანური გამოსხივება, მაღალი ენერგიის მდგომარეობების მქონე ელექტრონები არასტაბილურია და გარე გარემოს (ტემპერატურა, ელექტროენერგია, მაგნეტიზმი) ზემოქმედებით, სპონტანურად მიგრირებენ დაბალი ენერგიის მდგომარეობებში, ხოლო ზედმეტი ენერგია გამოსხივდება ფოტონების სახით. ამ ტიპის გამოსხივების დამახასიათებელი ნიშანია ის, რომ თითოეული ელექტრონის გადასვლა დამოუკიდებლად და შემთხვევითია. სხვადასხვა ელექტრონების სპონტანური გამოსხივების ფოტონური მდგომარეობები განსხვავებულია. სინათლის სპონტანური გამოსხივება „არათანმიმდევრულ“ მდგომარეობაშია და აქვს გაფანტული მიმართულებები. თუმცა, სპონტანურ გამოსხივებას აქვს თავად ატომების მახასიათებლები და სხვადასხვა ატომების სპონტანური გამოსხივების სპექტრები განსხვავებულია. ამაზე საუბრისას, ეს ადამიანებს ფიზიკის საბაზისო ცოდნას ახსენებს: „ნებისმიერ ობიექტს აქვს სითბოს გამოსხივების უნარი და ობიექტს აქვს ელექტრომაგნიტური ტალღების უწყვეტი შთანთქმისა და გამოსხივების უნარი. სითბოს მიერ გამოსხივებულ ელექტრომაგნიტურ ტალღებს აქვთ გარკვეული სპექტრის განაწილება. ეს სპექტრის განაწილება დაკავშირებულია თავად ობიექტის თვისებებთან და მის ტემპერატურასთან“. ამიტომ, თერმული გამოსხივების არსებობის მიზეზი ატომების სპონტანური გამოსხივებაა.

სტიმულირებული ემისიის დროს, მაღალი ენერგიის დონის ელექტრონები გადადიან დაბალი ენერგიის დონეზე „პირობებისთვის შესაფერისი ფოტონების“ „სტიმულაციის“ ან „ინდუქციის“ ქვეშ და ასხივებენ დაცემული ფოტონის სიხშირის ფოტონს. სტიმულირებული გამოსხივების ყველაზე დიდი მახასიათებელი ის არის, რომ სტიმულირებული გამოსხივებით წარმოქმნილ ფოტონებს ზუსტად იგივე მდგომარეობა აქვთ, რაც დაცემული ფოტონები, რომლებიც სტიმულირებულ გამოსხივებას წარმოქმნიან. ისინი „კოჰერენტულ“ მდგომარეობაში არიან. მათ აქვთ იგივე სიხშირე და იგივე მიმართულება და სრულიად შეუძლებელია მათ შორის ორი განსხვავების გარჩევა. ამ გზით, ერთი სტიმულირებული ემისიის საშუალებით ერთი ფოტონი ორ იდენტურ ფოტონად იქცევა. ეს ნიშნავს, რომ სინათლე ძლიერდება ან „ძლიერდება“.

ახლა კიდევ ერთხელ გავაანალიზოთ, რა პირობებია საჭირო უფრო და უფრო ხშირი სტიმულირებული გამოსხივების მისაღებად?

ნორმალურ პირობებში, მაღალი ენერგიის დონეების ელექტრონების რაოდენობა ყოველთვის ნაკლებია დაბალი ენერგიის დონეების ელექტრონების რაოდენობაზე. თუ გსურთ, რომ ატომებმა წარმოქმნან სტიმულირებული გამოსხივება, გსურთ გაზარდოთ მაღალი ენერგიის დონეების ელექტრონების რაოდენობა, ამიტომ გჭირდებათ „ტუმბოს წყარო“, რომლის დანიშნულებაა მეტი სტიმულირება. ძალიან ბევრი დაბალი ენერგიის დონის ელექტრონი გადადის მაღალ ენერგიის დონეებზე, ამიტომ მაღალი ენერგიის დონის ელექტრონების რაოდენობა მეტი იქნება დაბალი ენერგიის დონის ელექტრონების რაოდენობაზე და მოხდება „ნაწილაკების რაოდენობის შეცვლა“. ძალიან ბევრი მაღალი ენერგიის დონის ელექტრონი მხოლოდ ძალიან მოკლე დროით შეიძლება დარჩეს. დრო გადახტება უფრო დაბალ ენერგიის დონეზე, ამიტომ გაიზრდება გამოსხივების სტიმულირებული ემისიის შესაძლებლობა.

რა თქმა უნდა, „ტუმბოს წყარო“ სხვადასხვა ატომისთვისაა დაყენებული. ის ელექტრონებს „რეზონანსს“ უქმნის და დაბალი ენერგიის დონის ელექტრონებს მაღალი ენერგიის დონეებზე გადასვლის საშუალებას აძლევს. მკითხველს ძირითადად შეუძლია გაიგოს, რა არის ლაზერი? როგორ წარმოიქმნება ლაზერი? ლაზერი არის „სინათლის გამოსხივება“, რომელიც „აღგზნებულია“ ობიექტის ატომებით კონკრეტული „ტუმბოს წყაროს“ მოქმედებით. ეს არის ლაზერი.