Лазер және оның қолданылуы. Лазер сәулесінің қасиеттері

Лазер атомдар мен молекулалардың еріксіз сәуле шығаруына негізделген ЭМ электромагниттік сәуле. Ол ағылшынның «Жарықты еріксіз сәуле шығару арқылы көрсету» деген сөздердің басқа әріптерінен құралған.

Лазерді – (ОКГ) – оптикалық кванттық генератор деп те атайды.

Физика курсынан белгілі – атомдағы электрондардың әртүрлі деңгейде қозғалып жүретіні белгілі. Электрон бір деңгейден екінші деңгейге өткенде жарық жарық толқынын шығарады.

Егер энергия төменгі деңгейда орналасқан болса, онда оны жоғары деңгейге өткізу үшін оған жарық толқынымен әсер етеміз. Электрон осы жарық энергиясының бір бөлігін жұтады да, жоғары деңгейге өтеді, ал электрон жоғары деңгейде орналасатын болса, оған әсер еткен жарық нәтижесінде электрон төменгі деңгейге өтеді де өзінен фотон бөліп шығарады. Бұл процесті еріксіз шығару деп атайды. Міне осы процесс лазердің негізі болып саналады.

- Сонымен төменгі деңгейдегі электрондар өзіне түскен жарықтың бір бөлігін жұтып, жоғары деңгейде көтерілсе, жоғары деңгейдегі электрондар өзіне түскен жарық энергиясының бір бөлігін фотон ретінде бөліп шығарып төменгі деңгейге түседі.

- Ал төменгі деңгейдегі электрондар саны жоғары деңгейдегі электрондар санына қарағанда көбірек болғандықтан – жарық жұтылуы көбірек болады.

- Ал атомдарда пайдалы жарық энергиясын бөліп алу үшін жоғары деңгейдегі атомдар саны төменгі деңгейдегі электрондар санынан көбірек болғаны жөн. Ол үшін белсенді активті орта керек. Активті ортаның энергиясының арқасында электрондарды төменгі деңгейден жоғары деңгейге шығарып жіберуге болады.

- Осы айтылғандарды молекула ішінде орналасқан атомдарға да таратуға болады.

Сонымен лазер немесе кез – келген квант генераторы негізгі екі элементтен тұрады:

1. Активті күйге түскен жұмысшы заты.

2. Резонатор

Активті орта ЭМ – толқындарды бөліп берсе, резонатор оны күшейтіп шығарады. Активті заттарды қолдануына байланысты лазерлерді – қатты денелік – жартылай өткізгіштік – газдық және сұйықтық деп бөлсе, жұмыс істеуіне қарап, үздіксіз немесе импульстық делінеді.

Қатты денелік лазерлердің кең тараған түрі – Рубинді лазер – неодим, шынылы лазер. Рубинді лазер толқын ұзындығы λ=6,2 нм ашық қызыл жарық сәулесін шығарып бере алады. Рубин кристалы лазердің жұмысшы элементі болып саналады, ол қолдан, жасанды түрде өсіріледі, Рубин кристалының бір кемшілігі – оның лазер ретінде жұмыс істеуі үшін оған алғашқы кезде өте күшті жарық беру керек, бұл кемшілікті жөндеу үшін Европий, самарий немесе неодим тәрізді элементтер қолданылады. Бұл элементтер кристалдағы хромды ауыстырады, яғни хромның орнына неодим алынады, оны шыныға да енгізуге болады. Сонда шыны лазер ретінде қызмет атқарады.

Газды лазер – газ оптикалық қасиеті жөнінен біртекті орта болып есептеледі. Сондықтан ол лазердің активті ортасы ретінде жиі қолданылады. Лазер кварц түтікшесінен тұрады, оның ішінде гелий мен неон қоспасы болады, түтікшенің ұштарында 2 айна орналасады. Түтікшенің ұзындығы 1 метр, ал диаметрі бірнеше мм. болады. Түтікшеден разряд екі әдіспен қоздырылады. Оның біреуін контактылы, екіншісін контактысыз деп атайды.

- Контактылы әдісте түтікшенің ішінде екі басында Анод және Катод орналасады, олардың орнына 1000-2000 В кернеу беріледі де, электр заряды пайда болады.

- Контактысыз әдісте – жиіліктегі генератор пайдаланылады. Бұл екі әдісте де газда пайда болған разряд ұзақ сақталуы мүмкін.

Газды лазер – үздіксіз, ал кристалл мен шыныдағы лазер импульсті түрде жұмыс істейді.

Жартылай өткізгішті лазер - өте кішкентай (мм-дің бірнеше үлесіндей) жасалады, өлшемдері 1х2х2 мм, онда айна ролін мұқият жонылып тегістелген жартылай өткізгіштің қырлары атқарады. Одан оған түскен жарықтың 30 – 50% ғана шағылысады.

Бұлардан басқа кристаллдағы, шыныдағы, газды, жартылай өткізгішті лазер, арнаулы сұйықтықтағы лазер дегендер қолданылады.

Лазер шығаратын жарық тер бір түстен ғана тұрады. Оны монохромат сәулелену деп атайды.

Лазер сәулесінің қасиеттері мынандай:

1. Монохроматты – яғни жиілігі тұрақты жарық толқындары.

2. Лазер жарығының когеренттілігі – когерент толқындар дегеніміз – толқын ұзындықтары бірдей және фазалар айырмашылығы уақытқа байланысты өзгермейтін толқындар.

3. Жарық поляризацияланған.

4. Лазерден шыққан жарық жан – жаққа шашырамай – тек бағыттала таралады. Жарық шығып жатқан жерді конус деп қарастырсақ, онда осы конустың басындағы бұрыш 2,0⁰ денеден лазер үшін 25⁰, ал газды лазерде 2-3⁰ аспайды. Жарықтың мұндай бағытталып таралуы оның алысқа жетуіне жәрдем етеді.

5. Лазер сәулесінің қуаты (мысалы шыныға неодим енгізсек)

2,5 – 10 ¹³ Вт.

6. Электр өрісінің кернеулігінің өте көптігі, интенсивтілігі 10 ¹⁹ Вт / м² болатын лазер сәулесінің электр өрісінің кернеулігі.

Е = 0,3 х10¹² В/м

Лазер сәулесінің қысымы өте көп – 10¹² Па, ал атмосфералық қысымның шамасы 10⁵ Па, яғни одан 10⁷ есе, он миллион есе көп.

Мұндай қысыммен кез – келген қатты денені оп – оңай өндеуге болады.

Лазердің қолданылуы – лазердің қолдану ауқымы өте кең, оның сәулесінің бағыттала таралуын пайдалана отырып, оның энергиясын бір жерге шоғырландыруға болады. Сөйтіп өте жоғары температура шығарып алуға болады, оның энергия қуаттылығы өте жоғары, ол термоядролық реакция жүргізуге көмектеседі, яғни термоядролық плазма алуға болады. Оның температурасы 2х10⁷ К.

Лазердің көмегімен өте қатты заттарды оп – оңай өндеуге болады. Лазер - биологияда, мал дәрігерлігінде, медицинада кеңінен қолданылады. Лазер сәулесі – көзге операция жасауда – терапияда кеңінен қолданылады.

Хирургияда – лазер сәулесі – скальпель – пышақ ретінде қолданылады, лазер пышағымен денені кескенде ешқандай қан шықпайды. Нейрохирургияда – миға операция жасауда қолданылады.

Лазер сәулесі бір жағынан пышақ ретінде кессе, екінші жағынан оны тігіп отырады. Бұл тігу белоктық молекулалардың коагуляциялануынан жүзеге асады. Лазер сәулесімен көз ішіндегі - ісіктерді сылып алып тастайды. Сонымен қатар денедегі ісіктерді де сылып алып тастауға қолданылады.

Лазер сәулесімен жараларды, ревматизмді, ентікпе ауруды, полиартритті, оның көмегімен тісті, оның қан тамырларын емдейді.