Кванттық электроника

Астана 2015 ж.

Жоспар:

1. Кванттық электроника

2. Лазерлік техниканың даму тарихы

3. Лазырлердің түрлері

4. Лазерлік техниканы медициналық-биологиялық зерттеулерде қолдану

Кіріспе

жарық үшін пайдаланылған ғасырлар бойы түрлі ауруларды емдеу. Ежелгі гректер мен римдіктер жиі Дәрі ретінде «күн қатысты». Ал бұл аурулардың тізбесі жарық жеткілікті үлкен емдеуге жатқызылған.

Бұл Dawn фототерапия 19 ғасырда келді - электр лампалары өнертабыс пайда жаңа мүмкіндіктер. ХІХ ғасырдың қызыл жарық соңында жойылды Оспан емдеуге тырысты қызыл эмитенттердің арнайы камерада науқасты орналастыру қызылша. Сондай-ақ, түрлі «түсті ванна» (түрлі түсті, яғни жарық) сәтті қолданылған психикалық аурудың емдеу үшін. Ал саласындағы жетекші позиция ХХ ғасырдың басында жарық терапия, Ресей империясы иеленді.

Алпысыншы жылдардың басында бірінші лазерлі медициналық құрылғылар болды. Бүгін лазерлік технологиялар іс жүзінде барлық аурулар қолданылады.

Кванттық электроника

Кванттық электроника – физиканың еріксіз сәуле шығаруға негізделген электрмагниттік тербелістер мен толқындарды күшейту және өндіру (қоздыру) тәсілін, сондай-ақ кванттық күшейткіштер мен генераторлардың қасиеттерін, оларды пайдалануды зерттейтін саласы.

Республикада кванттық электроника бойынша зерттеулер 1963 жылдан ҚазМУ-да (қазіргі ҚазҰУ) жүргізіле бастады. Еріксіз комбинациялық шашырауды пайдалана отырып, сыртқы дабылды күшейту проблемасы және комбинациялық лазердегі көлденең модаларды синхрондау тәсілдері қарастырылды, иондалу алдындағы ультракүлгін молекулалық лазерлер құрастырылды (Б.А.Ақанаев).

Жоғары энергия физикасы институты (қазіргі Физика-техника институты) мен ядролық физика институтында молекулалық және эксимерлік лазерлер жөнінде зерттеулер жүргізілуде.

Кванттық генератор – еріксіз сәуле шығару құбылысына негізделіп жұмыс істейтін электрмагниттік толқындардың генераторы. Радиодиапазонда жұмыс істейтін кванттық генератор мен кванттық күшейткіш мазер, ал оптикалық диапазонда жұмыс істейтін кванттық генератор лазер деп аталады. Аса жоғары жиілік диапазонында жұмыс істейтін ең алғашқы кванттық генератор 1955 жылы жасалды. Онда активті орта ретінде аммиак молекулаларының шоғы пайдаланылды. Кейін сутек атомдарының шоғы (21 см) қолданылған кванттық генератор құрастырылды. Радиодиапазонда жұмыс істейтін кванттық генератордың аса маңызды ерекшелігі – оның тербеліс жиілігініңөте жоғары дәрежеде тұрақты болуы (10–13). Сондықтан мұндай кванттық генераторлар жиіліктің кванттық стандарты ретінде пайдаланылады. Оптикалық диапазондажұмыс істейтін кванттық генераторлар ультракүлгін сәуледен бастап субмиллиметрлік толқынға дейінгі жиілік диапазонында импульстік және үздіксіз режимде жұмыс істейді

Лазер (ағылш. laser, ағылш. light amplification by stimulated emission of radiation - жарықты мәжбүрлі сәулелену арқылы күшейтуқысқашасы) — лазер, оптикалық кванттық генератор — толтыру (жарық, электр, жылу, химиялық және т.б.) энергиясын когерентті,монохроматты, поляризацияланған және тар бағытталған сәулелену ағынының энергиясына түрлендіруші аспап.

1. Лазер сәулесін беретін аспап. Оның түрлері: газ лазері, жартылай өткізгіш лазері, қатты дене лазері және сұйық зат лазері.Стоматология тәжірибесінде баяу ағынды гелий-неондық лазер қолданылады. Қанжел (пародонт) ауруларын, зақымданған тканьдердіемдеуде, организмнің әр түрлі ауруларға бейімділігін (сенсебилизаңия) кеміту, иммундық қасиеттерін күшейту т. б. клиникалықжұмыстарда жақсы нәтиже беріи келеді. Ауыз қуысында болатын стоматиттерді (ауыздың уылуы) ерін мен тіл жараларын, глоссалгияны (тоқтаусыз ауыратын тіл кеселі), глосситті (тіл кабынуы) лазер сәулесімен емдеудің нәтижесі жақсы. Бұл сәулені сондай-ақ жақ сүйектері сынғанда, бетке пластикалық операциялар жасағанда қолданады.[1]

Лазерлік көрсеткіші барРевольвер

кванттық генераторлар мен оптикалық диапазондағы күшейткіштер. Лазер атауы ағылшынның "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" сөзін қысқартқандағы LASER атауынан шыққан ("индуктивті сәулеленудің комегімен жарықты күшейту"). Лазердің негізгі бөлшектері: белсенді зат, резонатор, козғаушы көз бен жабдықтаушы көз.

Лазер жарық толкындары диапозоныңда жұмыс істейді әрі кванттық-механикалық қондырғының бір түрі болып табылады. Оның жұмысы белсенді заттың козғаушы микробөлшектерін квант жарығына индуцивті жіберуге негізделген. Лазер өте жұқа шашырамайтын (шоғырланған), энергиясының тығыздығы жоғары жарық сәулесін алуға мүмкіндік береді. Бұл сәуле байланыс құралы (оның ішінде аса алыс ғарыштық), локация, навигация және талқандайтын қару ретінде де қолданылуы мүмкін. Шетелдік мамандар Лазердің көмегімен әр түрлі соғыс міндеттерін орындауға: мысалы, жер үсті, әуе, су асты, су үсті нысаналарының координаттарын анықтауға, бірнеше корреспондент арасылда көп каналды байланыс орнатуға, қарсыластың тірі күштерінің көзін шағылыстырып, құртуға, басқарылатын ракеталарды жер үсті және әуе нысаналарына бағыттауға болады деп есептейді. Соңғы уақытта АҚШ-та көптеген зерттеулер радиациялық карулар (ракетаға қарсы "өлім сәулесі") ойлап табуға, оптикалық кванттық генераторлар жасауға бағытталған. Инфрақызыл диапазондағы Л. жасалуда: ол 1 млн. градус температураға сәйкес келетін сөулелену туғызуы керек. Мұндай құрал қарсыластың 60-320 KM қашықтықтағы ғарыштық снарядын балқытып (буға айналдырып) жіберуге тиіс. Сондай-ақ жеке кару ретінде қолдану әрекеті де АҚШ-та бақылаушыны соқыр етуге арналған оптикалық кванттық генераторы бар винтовка жасалуда.[2][3]

Лазерлік спектроскопия - лазерлік сәулелену көмегімен алынған жарықтың жұтылу, шығару және шашырау спектрлерін оқып-зерттейтін спектроскопия бөлімі.

Лазерлік материалдар - лазерде актив орта жасау үшін қолданылатын зат.

Лазерлік гироскоп - Әсері тұйық канал бойынша бір-біріне қарама-қарсы жүгіретін екі лазер шоғын пайдалануға негізделген кванттық гироскоп.

Лазерлік өту - Лазер сәулеленуін генерациялауға қолданылатын атомның немесе молекуланың энергия деңгейлері арасындағы өту.

Лазерлік термоядролық топтау (ЛТТ) - Жоғары температура, затқа лазер жарығымен сәуле беру жолымен оны сыққан кезде жасалатын термоядролық топтау.

Лазерлі басу құрылғысы (орысша: лазерное печатное устройство) - ксерографиялық типтес басу аппараты (таңба жинақтау қүрылғысы). Мұнда таңба белгілері лазерсәулесі әсерімен сәулесезгіш барабанда көрінбейтін жасырын (скрытое) бейнелер ретінде қалыптасады. Содан кейін ол ксерографиялық әдіспен қағазға беріліп ұнтақты бояумен айқындалады.

Лазерлі оймалау

Лазерлі оймалау (орысша: лазерное гравирование) — форма материалдарында лазер сәулесін оймалау аспабы ретінде пайдаланып, басу бейнесін қалыптастыру. Жайпақ офсет және ойыңқы басу түрлерінің формаларын жасауда қолданылады.

Жарықтың кванттық көздерi. Лазерлер

ХХ ғасырдың екiншi жартысындағы физиканың iрi табыстарының бiрi оптикалық кванттық генератор, немесе басқаша айтқанда лазердiң ойлап табылуы. "Лазер" деген сөз ағылшынның "Light Amplificatoin by Stimulated Emission of Radiation" деген сөйлемiнiң алғашқы әрiптерiнен алынған (LASER). Бұл "мәжбүрленген сәуле шашудың көмегiмен жарықты күшейту" дегендi бiлдiредi. Мәжбүрленген сәуле шығару үрдiсi лазелердiң физикалық негiзi болып табылады.

Атомдардағы электрондардың бiр деңгейден екiншi деңгейге еркiн өткен кездегi сәуле шығаруын өз еркiмен немесеспонтанды сәуле шығару деп атайды. Атомдар бұл жағдайда сәуленi бiр-бiрiнен тәуелсiз шығаратын болғандықтан ол сәуле толқындары когеренттi болмайды.

1916 жылы А.Эйнштейн, атом электрондарының жоғарғы деңгейден төменгi деңгейге өте отырып өзiнен сәуле шығаруы бұл атомға сырттан әсер ететiн электромагниттiк өрiстiң әсерiнен де болу мүмкiндiгiн болжады. Мұндай сәуле шығарудымәжбүрленген немесе индуцирленген сәуле шығару деп атайды.

Егер сыртқы өрiстiң жиiлiгi қозған атомның өзiндiк жиiлiгiмен сәйкес келсе, онда резонанстық эффекттiң салдарынан мәжбүрленген сәуле шығарудың ықтималдылығы күрт өседi.

Яғни, жиiлiгi қозған атомның өзiндiк жиiлiгiмен дәл келетiн фотон осы атомның электронымен әсерлескен кезде ол атом қозған күйден төменгi энергетикалық күйге өтедi де бiр фотонның қасында жиiлiгi тура сондай екiншi фотон пайда болады. Бұл үрдiс бұдан әрi басқа атомдармен де қайталанып тасқынды түрде өтедi де жарық күрт күшейедi. Бұл жөнiнде мына жерден қарап көруге болады.

Әдетте жарық зат арқылы өткен кезде заттағы негiзгi күйде тұрған атомдар жарықты жұтады да, қозған атомдар өзiнен мәжбүрленген сәуле шығарады. Сондықтан жарық зат арқылы өткен кезде күшею үшiн заттағы атомдардың тең жартысынан көбi қозған күйде болуы тиiс. Заттардың мұндай күйi - деңгейлерi инверсиялы қоныстанған күй деп аталады (inversio – латынша «төңкерiлген» деген ұғымды бiлдiредi). Атомдар әдетте қозған күйде өте аз, 10-9 – 10-7 с уақыт ғана болатындықтан деңгейлерi инверсиялы қоныстанған күйлердi алу оңай шаруа емес. Бiрақ кейбiр атомдардың қозған күйде ұзақ, шамамен 10-3 с бола алатын күйлерi болады. Ондай күйлердiметатұрақты күйлер деп атайды. Осындай метатұрақты күйлерi бар заттарды жарықты күшейтуге қолданады. Алғашқы лазерлер ретiнде рубиннiң кристаллдары пайдаланылды. Ондағы атомдарды қоздыру үшiн рубин бiлiктi сыртынан импульстi түрде жұмыс iстейтiн, спираль шаммен орады. Шам жарқ етiп жанған кездегi шыққан энергияны рубин атомдары жұтып, метатұрақты күйлерге өтедi. Атомдарды бұлай қоздыру оларды үрлеу деп аталады. Бүкiл қозған атомдардың сәуле шығаруы бар болғаны 10-8 – 10-10 с уақытқа созылады. Осы кездегi жарық сәулесiнiң қуаты өте үлкен 109 Вт-қа дейiн жетуi мүмкiн. Бұл үлкен электростанциялардың қуатынан да үлкен.

Лазер сәулесiнiң негiзгi қасиеттерi оның аса жоғарғы монохроматтылығы, шашырамайтын сәуле түрiнде алу мүмкiндiгi және аса қуаттылығы.

Бүгiнгi күнде кристаллдардағы лазерден өзгеше, газдағы және сұйықтардағы (бояғыштардағы) лазерлер жасалған. Бояғыштағы лазерлердiң ерекшелiгi, олардың шығаратын сәулелерiнiң жиiлiгiн кең ауқымда өзгертудiң мүмкiндiгi бар.

Лазерлер бүгiнгi күнде сан алуан салада қолданылады. Олар заттарды өңдеу, медицина және голография. Монохроматты когеренттi лазерлiк сәуленiң көмегiмен волоконды оптикада кабельдiк, телефондық және теледидарлық байланысты жүзеге асыруға болады.

Тасымалдаушы жиiлiктiң аса жоғары (1013 – 1014 Гц) болуы бiр жарыққұбыры арқылы миллиардқа дейiнгi музыкалық хабарды немесе миллионға дейiнгi телехабарды бiрмезгiлде тасымалдауға мүмкiндiк бередi.

Бұл күндерi лазерлiк термоядролық синтездi жүзеге асыру мүмкiндiктерi зертелуде.