Сызықтық емес оптика. Лазерлер. Физика, 11 сынып, дидактикалық материал.

Теоретический материал

Приложение 3.1

Лазер

Лазер — атомдар мен молекулалардың еріксіз сәуле шығаруына негізделген электромагниттік сәуле. Ол ағылшынның «Жарықты еріксіз сәуле шығару арқылы күшейту» деген сөздерінің басқы әріптерінен құралған. Лазерді оптикалық кванттық генератор (ОКГ),  десе де болады.

Орта мектептің физика курсынан атомдағы электрондардың әр түрлі деңгейде қозғалып жүретіні белгілі. Электр бір деңгейден екінші деңгейге өткенде жарық толқынын шығарады.

Атомдағы электрон төменгі және жоғарғы деңгейде орналаса алады екен делік. Егер электрон төменгі денгенде 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 жоғарғы деңгейде орналасқан болса, онда оған әсер еткен жарық нәтижесінде электрон төменгі деңгейге өтеді де, өзінен фотон бөліп шығарады. Ал жоғарғы деңгейге бір емес, бірнеше электрон орналасқан болса, онда олар жарық әсерінен төменгі деңгейге өткенде өздерінен бірден фотондар бөліп шығарады. Бұл процесті еріксіз шығару деп атайды. Міне осы процесс лазердің негізі болып саналады. Ал жоғаргы деңгейде орналасқан электрондар жарық әсер етпей-ақ төменгі деңгейге өте алады. Бұл кездегі бөлінген фотондар әр түрлі электрондар үшін түрліше болады. Мұны өз бетінше, спонтанды шығару деп атайды. Лазерді құру кезінде бұл процесс зиянды болып саналады. Сонымен, төменгі деңгейдегі электрондар өзіне түскен жарықтың бір бөлігін жұтып, жоғары деңгейге 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 жалпы алғанда жарық жұтылуы көбірек байқалады. Ал атомдардан пайдалы жарық энергиясын бөліп алу үшін жоғары деңгейдегі электрондар саны төменгі деңгейдегі электрондар санынан көбірек болғаны жөн. Ол үшін белсенді (активті) орта керек. Активті ортаның энергиясының арқасында электрондардың төменгі деңгейден жоғары деңгейге шығарып жібере алады. Міне осы айтылған жайттарды молекула ішінде орналасқан атомдарға да таратуға болады. Айталық, активті ортада қозған атомдардың біреуі шығарған сәуле сол ортадан шықпас бұрын басқа қозған атомдардың еріксіз ауысуына себепші болады. Сөйтіп, мұның салдарынан жарық толқыны күшейеді. Активті ортаны алудың әр түрлі әдістері бар. Ол заттың қатты, сұйық немесе газ күйінде болуына да байланысты. Егер, электрон немесе атом тек екі деңгейде ғана орналаса алатын болса, онда активті орта шығарып алу мүмкін болмайды. Активті орта алу үшін электрон немесе атом кем дегенде үш деңгейде орналаса алатындай болуы керек. Үш деңгей алайық. Деңгей жоғарылаған сайын ондағы электрон немесе атом саны азая түседі. Айталық бірінші деңгейде алты электрон, екінші деңгейде төрт электрон, үшінші деңгейде екі электрон бар екен делік. Толқын ұзындығы бірінші және үшінші деңгейлердің энергияларының айырымына сәйкес келетіндей жарықпен әсер еткенде электрондар бірінші деңгейден үшінші деңгейге өте бастайды. Бірінші және үшінші деңгейлерде төрт-төрттен электрондар орналасады. Содан соң үшінші деңгейде орналасқан төрт электрон екінші деңгейге өтеді. Осы кезде олар бірдей фотондар шығарады. Сөйтіп екінші деңгейде сегіз, бірінші деңгейде төрт электрон болады.

Голография

Голография — толқындардыңинтерференция құбылысы негізінде объектілердің көлемдік кескіндерін алу тәсілі. Г. идеясын тұңғыш рет ағылшын физигі Д. Габор (1900 — 1979) ұсынды (1948). Г-ның шығуына алғаш электрондық микроскопты жетілдіру тұрғысында айтылған идея себеп болды. Оған монохроматты өте күшті жарық көзі қажет болатын. Сол себептен ол практикада бірден қолдау таба алмады. Лазердің шығуына байланысты Г-ны физикада, оптикада, радиотехникада, т.б. техника салаларында кеңінен пайдалануға мүмкіндік туды.

Егер кәдімгі фотографияда денеден шағылысып шашыраған сәуле толқындарының амплитудасы ғана пайдаланылса, Г-да оған қоса толқындардың фазалық өзгеруі де тіркеледі. Сол себепті фотопластинкаға объектіден шағылысқан фазасы мен амплитудасы өзгермелі сәуле (сигналдық толқын) түсірумен бірге, оған фазасы мен амплитудасы тұрақты лазерлік сәуле (тірек толқын) түсіріледі. Сигналдық толқын мен тірек толқынның өзара әсерлесуінен фотопластинкада интерференциялық бейне пайда болады. Өңделген фотопластинка голограмма деп аталады. Қарапайым жағдайда (мыс., сызықты дене) голограмма көмескі және жарқын жолақтардан түзіледі. Объектінің сырт пішіні күрделі болса, голограммадағы интерференциялық сурет те күрделенеді. Жай көзбен не микроскоппен голограммаға түскен объектілерді тану мүмкін емес. Дененің кеңістіктегі кескінін қайталап шығару үшін голограммаға диапозитив секілді тірек сәуле түсірілуі қажет. Бұл сәуленің толқындық сипаттамалары голограмма түсірілген сәуленің қасиеттерімен бірдей болуы шарт. Дененің кескіні жарықтандыратын сәулеге белгілі бір бұрышпен көрінеді. Ол кескінге кез келген бағытта қарауға болады. Бақылаушы адам дененің кеңістіктегі кескінін байқайды. Егер суретке түсіру мезетінде, денелердің біреуі екіншісін қалқалай жауып тұрса, онда голограммаға басқа бір бұрышпен қарап, көрінбей тұрған дененің кескінін байқауға болады.

Г-ның бір ерекшелігі — кескін голограмманың әрбір нүктесіне түгелдей орналасады. Мыс., тұтас голограмманы бірнешеге бөліп, әрқайсысын жеке-жеке тірек толқынмен сәулелендірсе, әр бөлік бүтін голограммадағы суретті көрсетеді. Оған себеп, голограмманың әр нүктесіне объектінің барлық нүктесінен шағылысқан толқындар әсер етеді. Г-ның екінші бір ерекшелігі — объектінің тек позитивті кескіні ғана шығады. Егер голограмманы жанаспа әдісі бойынша басқа фотопластинкаға түсірсе, оны сәулелендіргенде бастапқыдан өзгеріссіз кескін пайда болады. Фотопластинкаға бірнеше объектілердің суретін бірінен соң бірін түсіріп, олардың әрқайсысын бір-біріне кедергісіз жекелей кескіндеу Г-ны кинематографияда қолдануға мүмкіндік береді.

Сәулелендіруші тірек толқынның ұзындығын өзгерту арқылы голограммалық кескіндердің пайда болу қашықтықтарын өзгертуге болады. Бұл ерекшелік радиотолқын, инфрақызыл, ультракүлгін және рентген сәулелері арқылы жазылып алынған голограммалық суретті көзге көрінетін кескінге айналдыруға мүмкіндік береді. Голограмманы сәулелендіру кезінде толқынның тек ұзындығы ғана емес, толқын шебін де өзгертуге болады. Мыс., голограммаға сфералық шашыранды толқын түсіріп, объектінің ұлғайтылған кескінін алуға болады. Г-лық микроскоп осы қасиетке негізделіп жасалған. Оның көмегімен тірі организмдердің, заттардың ішкі құрылысын зерттеу мүмкіндігі бар. Егер голограмма қалың қабатты эмульсияға жазылса, онда интерференциялық бейне үш өлшемді қасиетке ие болады. Мұндай голограмманы ақ жарықпен сәулелендірген кезде объектінің кескіні байқалады. Бұл принципті кеңестік физик Б.Н. Денисюк ашты (1962). Объектіге үш түсті (мыс., көк, сары, қызыл) лазер сәулелерін түсіріп, оның түрлі түсті Г-лық кескінін шығаруға болады. Ол үшін голограмманы қайта сәулелендіргенде әлгіндей үш түсті сәулелер қолданылуы шарт.

Г-лық кескіндердің сапасы лазер сәулесі мен фотоэмульсиялық қабаттың қасиеттеріне байланысты. Толқын ұзындықтарының айырмашылығы өте аз (монохроматты), қуатты сәулелер лазерден алынады. Импульстік лазер сәулелерімен (сәуле шығару уақыты 10–9 с-қа дейін) өте тез өтетін құбылыстарды тіркеуде Г-ның маңызы зор. Мыс., әр түрлі элементар бөлшектердің өзара әсерлесуі кезінде пайда болатын құбылыстарды (тұман, сұйық, т.б. мөлдір заттарда жүретін динамикалық өзгерістерді), плазманың дамуын, қопарылыс, жарылыс кезінде болатын соққы толқындарын зерттеуде Г. кең қолдау тапты.

Г-лық әдіс тек қана электр магниттік сәулелерге ғана емес, дыбыстық толқындарға да тән қасиет. Мыс., жарық сәулесі өтпейтін сұйық ішіндегі көзден таса тұрған дененің Г-лық кескінін алуға болады. Ол үшін денеге дыбыс генераторларымен әсер етіледі. Сонда сұйық бетінде дыбыстық голограмма алынады. Оны көру үшін лазер жарығымен сәулелендіру қажет. Тірі организмдердің ішкі органдарын зерттеуде голограммалық дыбыспен көрудің маңызы өте зор. Голограммалары бойынша белгілі бір затты не оның бөліктерін басқа денелердің арасынан дәл іздеп табу үшін Г-ны қолдануға болады. Бұл әдіс криминалистикада (мыс., қылмыскердің саусақ таңбаларын басқалардан ажыратуға), өшіп қалған әріптерді, сөздерді, суреттерді айқындауға, т.б. қолданылады. Г. күрделі бұйымдар жасауға, оның пішін үйлесімділігін, өлшемдерінің дәлдігін анықтауға пайдаланыла бастады. Г. әдістерін есептеу техникасында да қолданудың келешегі зор. Бұл тәсілмен 1 см2-ге 107 — 108 бит ақпарат жазу мүмкіндігі бар. Машиналық голограммалар табиғатта әлі кездеспеген объектілердің көлемдік бейнесін алуға қолданылады. Лазер сәулелерінің көмегімен оптика негіздері радиотехникамен тығыз жанасып, ғылымның жаңа саласы — радиооптика келіп шықты.

Қазақстанда динамикалық Г. саласы бойынша зерттеу жұмыстары 1964 ж. басталды. Еріксіз комбинациялық шашырау эффектісінің көмегімен сыртқы оптикалық сигналды күшейту мүмкіндігі дәлелденді (Б.Ақанаев, т.б.). Ал орнықты Г. (бұзылған беттердің орнықты Г-лық кескіндерін алу) саласы бойынша зерттеулер 1973 жылдан бастап ҚазҰМУ-да (К.Жұманов, т.б.), т.б. ғыл.-зерт. ин-ттарында (С.Құсайынов) жүргізілуде.