Маъруза машғулотлари модул № мавзу: амалий оптика фанининг ўрни ва аҳамияти

Таянч сўз ва иборалар: ёруғликнинг ютилиши, оптик квант генераторлари, лазерлар, энергетик сатҳлар,
Моддадан ёруғлик ўтаётганда тўлқиннинг электромагнитик майдони таъсирида мухитнинг электронлари тебранади ва бу тўлқин энергиясининг бир қисми электронларни тебрантиришга сарф бўлади. электронларга берилган бу энергиянинг бир қисми электронлар тарқатадиган иккиламчи тўлқинлар кўринишида яна ёруғликка қайтариб берилади; унинг бошқа бир қисми эса энергиянинг бошқа турларига хам ўтиши мумкин. Агар модданинг сиртига I интенсивликли параллел нурлар дастаси (ясси тўлқин) тушаётган бўлса, юқорида айтилган жараёнлар оқибатида, тўлқин модда ичига кира борган сари унинг I интенсивлиги камая боради.
Хақиқатан хам тажриба ясси тўлқиннинг интенсивлиги (1)
қонун бўйича систематик равишда камайиб боришини кўрсатади, бунда I_о-кираётган тўлқиннинг интенсивлиги, -умуман айтганда тўлқин узунликка боғлик бўлган ютилиш коеффициенти , d-қатламнинг қалинлиги.
Бу  коеффициентининг сон қиймати модданинг ёруғлик (ясси тўлқин) интенсивлигини марта камайтирувчи қатламининг қалинлигини кўрсатади.  коеффициент тўлқин узунликнинг функцияси бўлганлиги учун одатда унинг қийматлари жадвал кўринишида ёки график кўринишида берилади.
Кўпчилик металларнинг паст босимдаги буғларининг ёруғликни ютиш спектрининг кўриниши қуйидагича бўлади. Бу расмда натрий буғининг ютиш коеффициенти кўрсатилган.Баъзан  нинг  га боғланиши анча ғалати кўринишга эга бўлиб, унда кўп ютилишнинг энсиз сохалари бор, буларга яқин жойлашган тўлқин узунликлари эса сезилмас даражада сусаймасдан ўтади.

у мумий қонуният  ютиш коеффициенти тўғрисида тушунча киритади ва ютувчи модда қалинлиги арифметик прогрессия бўйича ортиб боргани холда ёруғликнинг интенсивлиги геометрик прогрессия бўйича камайиб боришини кўрсатади. Бу қонунни Бугер (1729 й) тажрибада топган ва назарий жихатдан асослаган. У Бугер қонуни дейилади. Бу қонуннинг физик маъноси қуйидагидан иборат: ютиш кўрсаткичи ёруғликнинг интенсивлигига, бинобарин ютувчи қатламнинг қалинлигига боғлиқ эмас. С.И. Вавилов ёруғлик интенсивлиги ўзгаришининг жуда кенг сохасида Бугер қонуни тўғри эканлигини кўрсатди.
Аммо шуни хисобга олиш лозимки, ёруғликни ютган молекула янги уйғонган холатга ўтиб, ютилган энергияни жамғаради. Молекула хали бундай холатда турганида унинг ёруғлик ютиш қобилияти ўзгарган бўлади. С.И. Вавилов тажрибаларида Бугер қонунининг энг катта интенсивликларда хам тўғри бўлиши шу нарсани исбот қиладики, хар бир пайтда бундай уйғотилган молекулалар сони жуда оз бўлади, яъни молекулалар уйғонган холатда жуда қисқа вақт туради. хақиқатан хам, бу тажрибаларда ишлатилган барча моддаларда молекулаларнинг уйғонган холатда жуда қисқа вақт туради, туриш вақти 10^-8 с дан ортмайди. Жуда кўп моддалар ана шу типга тааллуқли, демак, улар учун Бугер қонуни ўринлидир.
Бугер зичлиги хамма жойда хам бир хил бўлмаган мухитнинг ёруғлик ютиши масаласини кўриб чиқди ва "нурларни тутиб хола оладиган ёки сочиб юбора оладиган сони тенг зарраларни учратганидагина ёруғлик бир хил ўзгара олади" ва демак, ютиш учун "қалинликлар эмас, балки бу қалинликларда жойлашган модда массалари" ахамиятга эгадир , деб ишонч билдирди. Бугернинг бу иккинчи қонуни катта амалий ахамиятга эга, чунки тажриба хақиқатан хам шуни кўрсатадики, ёруғликни газ молекулалари ютгандаги ёки деярли ютмайдиган эритувчида эриган модда молекулалари ютгандаги кўпчилик холларда  ютиш коеффициенти ёруғлик тўлқини йўлидаги бирлик узунликда жойлашган ютувчи молекулалар сонига, яъни c концентрацияга пропорционал бўлади. Бошқача айтганда,  абсорбция (ютиш) коеффициенти

муносабат билан ифодаланади ва Бугернинг умумлашган қонуни
(2)
кўриниш олади, бунда А-концентрацияга боғлиқ бўлмаган ва ютувчи модда молекуласи учун характерли бўлган янги коеффициент.
А ни концентрацияга боғлиқ эмас, деб тасдиқлайдиган қонун кўпинча Берр қонуни деб аталади, чунки Берр рангли суюқликларнинг ёруғлик ютиши устида ўтказган ўлчашлари асосида ана шундай хулосага келган эди. Бу қонуннинг физик маъноси молекуланинг ютиш қобилияти атрофдаги молекулалар таъсирига боғлиқ эмаслигидан иборатдир.
Закон Бугера — Ламберта — Бера экспериментально открыт французским учёным Пьером Бугером в 1729 году, подробно рассмотрен немецким учёнымИ. Г. Ламбертом в 1760 году и в отношении концентрации C проверен на опыте немецким учёным А. Бером в 1852 году.
Атомларда электронлар маълум бир квант шартларини қониқтирувчи энергетик холатлардагина бўлиши мумкин. Бу энергетик сатхлар орасидаги ўтишлардаги нурланиш частотаси:
(1)
Атом тизими бир энергетик холатдан бошқасига спонтан (ўз-ўзидан) ёки мажбурий ўтиши мумкин. Спонтан нурланиш эхтимоллиги:
(2)
бу эрда Н_и - и-енергетик сатхдаги бирлик хажмга мос келувчи атомлар сони, А - спонтан нурланиш эхтимоллигини характерловчи эйнштейн коеффициенти.
Мажбурий нурланиш эхтимоллиги ўтиш тезлиги билан қуйидаги муносабат орқали боғланган:
(3)
бу эрда W_ик- и ва к- сатхлар орасидаги мажбурий ўтиш эхтимоллигини ифодалайди. эхтимолликларнинг ўлчов бирлиги қилиб сек^-1 катталик қабул қилинган.
Мажбурий нурланиш эхтимоллиги электромагнит нурланишининг энергия зичлиги билан қуйидаги муносабат орқали боғланган бўлади:
(4)
б у эрда Б_ик- мажбурий нурланиш учун эйнштейн коеффициенти. У спонтан нурланиш эхтимоллиги А -орқали қуйидагича ифодаланади:
(5)
Шаффоф дз - қатламдан ўтаётган ёруғлик оқимининг ўзгариши:


(6)

бу эрда - ўтишнинг кўндаланг кесим юзаси деб аталувчи катталик.

i ва к- энергетик сатхлар бўйича атомларнинг жойлашиши термодинамик мувозанат қарор топган холда Больцман тақсимоти га асосан аниқланади:
(7)
Агар бирор усул билан юқори энергетик холатдаги атомлар сонини пастги холатдагига нисбатан кўп бўлишига эришилса (бундай холатга ўта банд жойлашиш ёки инверсион жойлашиш деб айтилади), (6) - ифодага асосан dF = 0 бўлади. Яъни, бундай тизимдан ёруғлик нурлари ўтган вақтда у ютилмасдан, балки кучаяди. Ёруғликнинг мажбурий нурланиш ёрдамида кучайтирувчи (Лигхт Амплифиcатион бй Стимулатед эмиссион оф Радиатион) асбобларга лазер дейилади.
Бу назарияни биринчи бўлиб 1940 й.да В.А.Фабрикант ўртага ташлади. 1953 й.да Басов, Прохоров ва улардан бехабар Таунс, Веберлар сантиметрли тўлқинлар диапазонида ишловчи асбоб мазерларни яратиш назариясини ишлаб чиқдилар. 1960 й.да Мейман лазерни яратди.
Барча лазерлар асосан қуйидаги қисмлардан ташқил топган бўлади:
1. Ишчи модда.
2. Ёритгич (дамлаш манбаи).
3. Резонаторлар.
4. Совитгич.
Агар резонатордаги энергия йўхолиши фақат кўзгуларнинг қайтариши оқибатида юзага келса, генерация бўсағасига қуйидаги шарт бажарилганда эришилади:
(8)
бунда Р₁ ва Р₂ -кўзгуларнинг қайтариш коеффициентлари.
Лазер нурларининг бир қатор ажойиб хусусиятлари мавжуд. Булар:
1. нурларнинг вақт ва фазода когерентлиги.
2. қатъий монохроматлиги ( ).
3. катта қувватга эгалиги.
4. ингичка нурлар дастасини хосил қилиши.
Лазерлар ундаги ишчи моддага қараб қуйидаги турларга бўлинади:
1. Қаттиқ жисмли лазерлар.
2. Газ лазерлари.
3. Кимёвий лазерлар.
4. Ярим ўтказгичли лазерлар.
ХХ асрда физика сохасидаги энг буюк ихтиролар сафига, шубхасиз, лазерларни киритиш мумкин, Лазерлар 1960 йилда яратилган бўлишига қарамасдан, шу даврдаёқ лазер техникасининг жадал ривожланиши кузатилди. Аниқ илмий ва техник масалаларни хал қилиш учун турли хил лазер қурилмалари яратилди. Хозирги даврда ижтимоий хаётимизнинг истаган сохасини лазерларсиз тасаввур қилиш хам қийин бўлиб қолди. Лазерлар космосда, тиббиётда, харбий ва қишлоқ хўжалиги техникаларида, эр ости қазилма бойликларини аниқлаш ва олишда, геодезияда, босмахоналарда ва яна жуда кўп электрон-оптик қурилмаларда салмоқли вазифаларни бажариб келмоқда.
Кундалик хаётимизга лазер тушунчаси шунчалик чуқур кириб кетганки, хатто маиший хизмат сохасининг барча тармоқларида лазерларнинг ўз ўрни мавжуд бўлиб, мактаб ўқувчиларидан тортиб кексаларгача бу сўзни деярли хар куни эшитишади ёки ишлатишади.
Хўш, шунчалик юқори имкониятларга эга бўлган лазерларнинг ўзи нима, улар қандай хосил қилинади, лазер нурларининг оддий нурлардан фарқи нимада, бу нурларнинг шунчалик ажойиб фазилатларга эга бўлишига сабаб нима деган саволлар албатта кўпчиликни қизиқтиради. Бу саволларга жавоб бериш учун лазерларнинг яратилиш тарихига бир назар соламиз.
Лазерлар яратилиш эволюцияси қуйидаги даврларга бўлинади:
-М.Планк томонидан 1900 йилда ёруғликнинг квант назарияси асосланиши,
-А.Ейнштейн томонидан 1903 йилда ёруғлик заррачалари - фотонлар, 1916 йилда эса ёруғликнинг спонтан (ўз-ўзидан) ва мажбурий нурланиш тушунчасининг киритилиши,
-Дирак томонидан 1919 йилда мажбурий нурланиш вақтида чиқарилган нурланишнинг барча физикавий хусусиятлари стимулловчи фотон билан бир хил бўлиши тўғрисидаги илмий ишлари;
-В.Фабрикант 1939 йилда мажбурий нурланиш ёрдамида ёруғлик бирор мухитдан ўтган вақтда ютилмасдан балки кучайтирилиши мумкинлигини, бунга атомларнинг энергетик сатхлар бўйича жойлашишида юқори сатхларда бўлган атомлар сонини пастки энергетик холатлардаги атомлар сонидан ошириш орқали эришиш мумкин эканлигини ўзининг докторлик диссертациясида кўрсатиб берди. Атомларнинг энергетик сатхлар бўйича бундай жойлашишига "манфий мутлоқ температурали" холат ёки инверсион (ўта банд) жойлашиш дейилади.
Хақиқатдан хам бундай тизимлардан электромагнит тўлқинлари ўтган вақтда уларни кучайтириш мумкин эканлигини 1952 йил май ойида Радиоспектроскопия бўйича халқаро илмий конференцияда Н.Г.Басов ва А.М.Прохоровлар эълон қилишди. Улар ўта юқори частотали тебранишларни кучайтирувчи генераторларни юратиш имкониятларини очиб бердилар. Бу қурилма молекуляр генераторлар деб аталди. Чунки уларда актив ишчи модда сифатида аммиак молекулаларидан фойдаланилган. 1954 йилда Н.Г.Басов ва А.М.Прохоровлар хамда Ч.Таунс рахбарлигидаги АҚШ Колумбия университетининг бир гурух олимлари бир-бирларидан мустақил равишда "мазер" лар, яъни микротўлқинларни кучайтирувчи молекуляр генераторларни яратдилар. Лазерлар, ёки ёруғлик нурларини кучайтирувчи оптик квант генераторларини яратиш ғоялари Н.Г.Басов, А.М.Прохоров, Ч.Таунс, А.Шавлов В.А.Фабрикант, Ф.А.Бутаева ва бошқалар томонидан ривожлантирилганига ?арамасдан биринчи бўлиб бундай қурилмани яратиш шарафига 1960 йилда Америкалик Т.Мейман эришди. Биринчи лазер қурилмасида ишчи модда сифатида рубин кристалидан фойдаланилган. Тез орада газ ва ярим ўтказгичли оптик квант генераторлари яратилди.
Лазерларни яратиш ва уни илмий асослаб берганликлари учун Басов, Прохоров ва Таунслар 1964 йилда физика сохасида Нобель мукофотига сазовор бўлишди.
Лазер нурларининг табиатини ўрганиш шуни кўрсатадики, бу нурлар ўта ажойиб физикавий хусусиятларга эга экан. Бундай хусусиятлардан бири уларнинг когерентлигидир. Оддий ёруғлик манбаларида нур чиқарувчи атомлар бир-бирига боғлиқ бўлмаган холда Тарқоқ нурларни чиқаради. Оптик квант генераторларида эса жуда кўп сондаги атомлар ўзаро алохада бўлиб, чиқарилаётган нурлар хамўзаро мувофиқлаштирилган бўлади. Когерент манбаларнинг нурланишлари монохроматик, яъни уларнинг таркибида бир хил частотали нурлар мавжуд бўлади. Лазер қурилмаларида кучайтирилган нурлар оптик резонаторлар орасида жуда куп марта йўл босганликлари учун улар узоқ масофаларга узатилганда хам жуда ингичка нурлар дастасини хосил қилади. Натижада нур дастасининг кўндаланг кесим юзасига мос келувчи энергия зичлиги оддий нурларнинг энергия зичлигидан бир неча миллион маратоба катта бўлади. Нурланиш қуввати 1кВт бўлган СО₂ - газ лазерининг нур дастасида энергия зичлиги 10¹⁰ Вт/cм² бўлса, Қуёш нурларининг эрга яқин жойларида эса бу кўрсаткич 0,1 Вт/cм² га тенг.
Лазер нурларининг бундай хусусиятлари уларнинг қўлланиш сохаларини кескин ошириб юборди. Лазер нурлари яратилган даврдан бошлаб тиббиёт, ишлаб чиқариш, илмий тадқиқот ишларида ўзининг мустахкам ўрнини топди. 1966 йилда лазерлар Вишневский номидаги хирургия институтида кўкрак қафасларини операция қилишда қўлланилди. Лазер нурлари импульсининг жуда қисқалиги ва қуввати улканлиги унинг жаррохлик пичоғи сифатида ишлатилишига қўл келди. Биринчи маротоба қонсиз операциялар лазер нурлари орқали амалга оширила бошланди. Айниқса инсон хаёти учун жуда мухим бўлган юрак, ички органлар ва айниқса кўз операциялари мувоффақиятли ўтказилди. Одам танасига киритилган оптик толалар орқали юборилган лазер нурлари ёрдамида ички органларни ташқаридан хеч қанақа жаррохлик ишларини бажармасдан даволаш мумкин. Хозирги даврда лазер нурлари ёрдамида кўзни операция қилиш конвейр усулида бажарилади, яъни операция қилинган беморлар жаррохлик столидан соғайган холатда юборилади. Қувватли лазер нурларидан ўта қаттиқ материалларга ишлов бериш ва уларни силлиқ кесиш, сиртларга термик ишлов бериш каби технологик жараёнларда фойдаланилади. Лазер нурларининг геодезияда ва атмосферадаги табиий ходисаларни ўрганишда ўрни жуда катта. Айниқса, хаво қатламининг ифлосланишини экологик тоза усулда назорат қилишда лазер нурлари жуда қўл келади. Лазер интерфорометрлари ўлчамларни ёруғлик тўлқин узунлигининг улушларигача катта аниқликда ўлчашга имкон беради. Лазер спектроскопияси нафақат илмий изланишларда, балки жиноят қидирув ишларида хам кенг қўлланилмоқда. Криминалистикада жиноятчи қолдирган сезилмас излар, масалан чекилган тамаки тутуни ва қолдиғи, қон излари, лаб бўёқи ва шунга ўхшаган моддаларнинг миқдори жуда оз бўлади. Уларни аниқлашда жуда нозик ва сезгирлиги ўта юқори бўлган қурилмалар керак бўлади. Буни лазер спектроскопиясигина амалга ошира олади. Лазер голографияси хаётимизга кенг кириб келмоқда. Хажмий тасвирга тушириш, маълумотларни юқори сифатда ва кичик хажмда сақлаш ишларини голографик усулда амалга оширилади. Бундай оптик усулда ёзиб олинган маълумотлар жуда узоқ вақтгача ташқи таъсирга чидамли холда сақланади ва қайта тикланади. Кичик ўлчамли (ўлчамлари гугурт қутисига тенг бўлган) голограммада катта кутубхонадаги барча китобларни тасвирга олиш ва уни қайта ўқиш имконияти мавжуддир. Лазер нурлари ёрдамида "сунъий Қуёш" яратиш муаммоси анча ривожлантирилди. Лазерлар ёрдамида хосил қилинган плазмаларнинг температураси бир неча миллион градусларгача бўлиб, улар махсус кучли магнит майдонларида ушлаб турилади. Хозирги вақтда "Токамаг" қурилмаларида "сунъий Қуёш" холати 1секундгача бошқарилмоқда.
Кейинги пайтда яратилган лазерларнинг яна бир ўзига хос хусусияти шундан иборатки, бу қурилмаларда бир лазер нурларининг рангини, яъни тўлқин узунлигини бошқариш мумкин. Бирта лазер қурилмасининг ўзидан бир вақтнинг ўзида бир неча мақсадларда фойдаланиш имконияти туқилади. Айниқса, 3 мкм ли лазерлар авиацияда, туманли кунларда самолётларни қўндиришда самарали ишлатилади. Туман таркибидаги сув буғлари бу нурлар учун "шаффоф" бўлгани сабабли самолётларда ўрнатилган қабул қилгичларга юборилган сигналлар ёрдамида унинг тезлиги, баландлиги эрдан туриб бошқарилиб борилади.