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

 ГОЛОГРАФИЯ (грек. holos — барлығы, толық және ...графия) — толқындардың интерференция 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 (1-сурет). 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 (2, а-сурет). Объектінің сырт пішіні күрделі болса, голограммадағы интерференциялық сурет те күрделенеді (2, ә-сурет). 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 (3-сурет). 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 (4-сурет). 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.

 Бордың элементар теориясы

 Атомның ядролық моделi α-бөлшектердiң жұқа алтын фольгадан шашырауын дұрыс түсiндiргенiмен екiншi жағынан басқа қиындыққа жолықты. Оның мәнiсi мынада болатын. Классикалық электродинамика заңдары тұрғысынан атомның планетарлық моделi тәрiздес жүйелер орнықты болмауы тиiс едi. Себебi, электрон ядроны айнала үдей қозғалатын болғандықтан өзiнен электромагниттiк сәуле шығаруы тиiс. Ал бұлай сәуле шашу оның энергиясын кемiтедi де соның салдарынан электронның айналу радиусы бiрте-бiрте кемiп, түбiнде ол ядроға құлап түсуi тиiс болатын. Бiрақ тәжiрибе бұған мүлдем керi нәтиже бередi. Атом орнықты жүйе және ол қозбаған күйде болса өзiнен ешқандай да сәуле шығармайды.

 Теория мен тәжiрибенiң арасындағы осындай қарама-қайшылықты шешу жолында ғалымдарға бiраз тер төгуге тура келдi. Бұл бағыттағы зерттеулер барысында алғашқы елерлiктей табысқа дат ғалымы Нильс Бор жеттi. Ол классикалық физиканың атомдық жүйеге қатысты барлық көзқарастарын қайта қарай келiп, оның атомдарға қатысты жаңа тәжiрибелiк деректердi түсiндiруде дәрменсiз екенiне көзi жеттi. Бұл жерде классикалық физика ұғымдарының ауқымынан тысқары шығу қажет болатын. Нильс Бор 1913 жылы солай жасады да, ол атомның жарықты шығаруы мен жұтуы жөнiндегi өзiнiң түсiнiгiн мынадай екi постулат түрiнде тұжырымдады : 

•  Атомдық жүйе тек ерекше станционарлық немесе кванттық күйлерде орналаса алады; олардың әрқайсысына белгілі  энергия сәйкес келеді. Стационар күйде атом электро-магниттік толқындар шығармайды. 
•  Атом бір стационарлық күйден екіншісіне өткенде электро-магниттік сәуленің кванты шығарылады немесе жұтылады. Фотонның энергиясы атомның екі стационарлық күйдегі энергиялардың айрымына тең: 

 , мұндағы һ-Планк тұрақтысы.

 Әрбір атом шексіз ұзақ бола алатын, энергиясы ең аз стационарлық күй негізгі күй деп аталады. Барлық қалған стационарлық күйлер қоздырылған күйлер деп аталады.

 Бор постулактарының атом физикасына еңгізген негізгі өзгерісі барлық физикалық шамалардың өзгерісінің үзіліссіздігінен бас тарту және атомның ішкі күйін сипаттайтын физикалық шамалардың квантталатыны жөніндегі идеяны қабылдау болып табылады. Бұл идеяға сәйкес атомдағы ядро мен эленның ара қашықтығы, электронның атомдағы кинетикалық және потенциалдық энергиялары, оның дөңгелек орбита бойымен қозғалысының жылдамдығы дискретті мәндерге ғана ие бола алады.

 Атомдардың стационарлық күйлерін күрнекті ету үшін энергетикалық диограммалар қолданылады. Энергетикалық диаграммада атомның әрбір стационар күйі энергетикалық деңгей деп аталатын горизонталь сызықпен белгіленеді. Энергетикалық диаграмманың ең төменінде орналасқан энергетикалық деңгейге атомы Е₁ энергиялы негізгі жүйе сәйкес келеді. Қоздырылған күйлердің энергетикалық деңгейлері негізгі және қоздырылған күйлердің, энергияларының айырмасына пропорционал қашықтықтарда негізгі деңгейден жоғары орналасады.

 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.

 1916 жылы А. Эйнштейін атомдағы электрон жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгісіне өткендегі шығатын сәуле сыртқы электромагниттік өрістің әсерінен де болуы мүмкін деген болжам ұсынды. Осындай сәуле шығаруды еріксіз немесе индукциялық 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.

 Еріксіз сәуле шығарудың ерекшелігі – оның монохроматтылығы және когеренттілігі. Осы қасиет лазерлік қондырғылардың негізіне алынған. Индукциялық сәуле шығару нәтижесінде алынған жаңа фотон орто арқылы өтетін жарықты күшейтеді. 

 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 күйлердi метатұрақты 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.

 Лазер – құрылғы. Ол жылулық, химиялық, электр энергия, сын элетромагниттік өрістің энергиясына – лазер сәулесіне айналдырады. Осындай түрлену нәтижесінде алынған лазерлік энергияның сапасы жоғары болады. Лазерлік энергияның сапасы күшті шоғырлану жоғарылығымен және едәуір ара қашықтыққа жеткізу мүмкіндігімен анықталады. Лазер сәулесін диаметрі жарық толқынының ұзындығы шамасында болатын өте кішкентай саңылауға фокустап, тығыздығы осы күнгі ядролық жарылыс энергиясының тығыздығынан асып түсетін энергия алуға болады. Лазерлік сәуле шығару көмегімен температураның, қысымның, магнит индукциясының ең жоғарғы мәндерін алу мүмкіндігі туды. Лазер сәулесі керемет ауқымды ақпарат тасығыш болғандықтан ақпаратты өңдеумен жеткізудің ең жаңа принципті құралы болып табылады.

 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. Лазерлер ең қуатты жарық көздері болып табылады. Уақыттың қысқа мерзімі ішінде (10^-13 с аралығы) спектрдің жіңішке аралығындағы сәуле шығару қуат 10¹⁷ ВТ/см², ал күннің сәуле шығару қуаты тек 7*10³ВТ/см²

 Лазердің мынадай түрлері бар: рубин лазері, газ лазері, үздіксіз әсер ететін жартылай өткізгішті лазерлер, өте қуатты өздіксіз әсер ететін газодинамикалық лазерлер т.б.

 Лазерлер сәулесінің зор қуаты ваккумдағы материалдардың кептіру, пісіру және т.б. үшін пайдаланылады. Лазерлік сәуле жәрдемімен хирургиялық операция жасауға, мысалы, көз түбінен ажырап кеткен торды «дәнекерлеуге», лазер сәулелерінің когерентігін пайдаланып, денелердің көлемдік кескіндерін алуға болады.

 Сонымен бірге лазерлік сәулелермен атомдарды немесе молкеулаларды қоздыра отырып, кәдімгі жағдайларда жүзеге аспайтын химиялық реакцияларды жүргүзуге болады.

 Бұл күндерi лазерлiк термоядролық синтездi жүзеге асыру мүмкiндiктерi зерттелуде.