Lazer - yorug’lik nuri yo’nalganlik yuqori darajada bo’lgan monoxromatik kogerent yorug’lik manbai. «Lazer» so’zining o’zi «majburiy nurlanish tufayli yorug’likning kuchayishi» ma’nosini anglatadigan inglizcha so’z birikmalarinning bosh harflaridan tuzilgan.

Haqiqatan ham, lazerning ta’sirini belgilaydigan asosiy fizik protsess bu nurlanishning majburiy chiqishidir. U foton energiyasi atom (yoki molekula) ning uyg’onish energiyasi bilan aniq mos tushganda, foton uyg’ongan atom bilan o’zaro ta’sirlashganda yuz beradi.

Bunday o’zaro ta’sir natijasida uyg’ongan atom uyg’onmagan holatga o’tadi, ortiqcha energiya esa yangi foton tarzida nurlanadi; bu yangi fotonning energiyasi, qutblanish va tarqalish yo’nalishi xuddi birlamchi fotonnikidek bo’ladi. Shunday qilib, bu protsessning oqibati endi aynan bir xil bo’lgan ikki fotonning mavjudligi hisoblanadi. Bu fotonlar birinchi atomga o’xshash uyg’ongan atomlar bilan o’zaro ta’sirlashganda, bir xil fotonlarning ko’payish «zanjir reaksiyasi» vujudga kelishi mumkin; bu fotonlar juda aniq tarzda bir yo’nalishda «uchadi», bu esa ensiz yo’nalgan yorug’lik nuri paydo bo’lishiga olib keladi. O’xshash fotonlar quyuni hosil bo’lishi uchun uyg’ongan atomlar uyg’onmagan atomlardan ko’p bo’lgan muhit zarur, chunki fotonlar uyg’onmagan atomlar bilan o’zaro ta’sirlashganda fotonlar yutilishi yuz berar ekan. Bunday muhit energiya sathlari invers joylashgan muhit deb ataladi (1-rasm). Shunday qilib, uyg’ongan atomlar tomonidan fotonlarning majburiy chiqishidan tashqari, uyg’ongan atomlar uyg’onmagan atomlarga o’tganda fotonlarning o’z-o’zicha, spontan chiqish protsessi hamda atomlar uyg’onmagan holatdan uyg’ongan holatga o’tganida fotonlarning yutilish protsessi yuz beradi. Atomlarning uyg’ongan holatga va aksincha o’tishida yuz beradigan bu uch protsessni 1916 yilda A. Eynshteyn aniqlagan.

Agar uyg’ongan atomlarning soni katta va sathlarning invers joylashishi mavjud (atomlar yuqori, uyg’ongan holatda pastki, uyg’onmagan holatdagidan ko’p) bo’lsa, spontan nurlanishda paydo bo’lgan birinchi foton borgan sari kuchayib boradigan o’ziga o’xshash quyunlarni hosil qiladi. Spontan nurlanishning kuchayishi yuz beradi.

Invers joylashgan muhitda majburiy chiqish hisobiga yorug’lik bosimi bo’lishi mumkinligini 1939 yilda fizik V. A. Fabrikant ko’rsatib bergan. U gazdagi elektr razryadda invers joylashish yaratishni ham taklif qilgan.

Spontan chiqarilgan fotonlar bir vaqtda ko’plab paydo bo’lganda (prinsipial jihatdan shunday bo’lishi mumkin) ko’p sonli quyunlar vujudga keladi, ularning har biri tegishli quyundagi birlamchi foton belgilagan yo’nalishda tarqaladi. Natijada biz yorug’lik kvantlari oqimlarini olamiz, lekin yo’nalgan nurni ham, yuqori monoxromatiklik­ni ham ololmaymiz, chunki har bir quyunni o’zining birlamchi fotoni vujudga keltiradi. Lazer nurini, ya’ni yuqori monoxromatiklikka ega yo’nalgan nurni generatsiyalashda invers joylashgan muhitdan foydalanish mumkin bo’lishi uchun, bir xil nurlanish yo’nalishiga va atomdagi ayni o’tish energiyasiga mos energiyaga ega bo’lgan birlamchi fotonlar yordamnda invers joylashishni «yo’qotish» lozim. Bu holda biz lazer yorug’lik kuchaytirgichiga ega bo’lamiz.

Biroq lazer nurini hosil qilishning boshqa varianti ham bor, u teskari bog’lanish sistemasidan foydala­nish bilan bog’lik.Tarqalish yo’nalishi ko’zgular tekisligiga perpendikulyar bo’lmagan spontan paydo bo’lgan fotonlar muhit chegarasidan tashqariga chiqadigan fotonlar quyunini hosil qiladi. Ayni vaqtda, tarqalish yo’nalishi ko’zgular tekisligiga perpendikulyar bo’lgan fotonlar ko’zgulardan ko’p marta qaytishi natijasida muhitda bir necha marta kuchayadigan quyunlarni hosil qiladi. Agar ko’zgulardan birining o’tkazish imkoni kichik bo’lsa, u orqali ko’zgular tekisligiga perpendikulyar tarzda yo’nalgan fotonlar oqimi chiqadi. Agar ko’zgularning o’tkazish imkoni to’g’ri tanlansa, ular bir-biriga nisbatan va invers joylashgan muhitning bo’ylama o’qiga nisbatan aniq sozlansa, teskari bog’lanish shunchalik samarali bo’lishi mumkinki, natijada ko’zgu orqali chiqayotgan nurlanishga nisbatan «yonlama» nurlanishni butunlay hisobga olmasa ham bo’ladi. Haqiqatan bunga amalda erishish mumkin. Bunday teskari bog’lanish sxemasi optik rezonator deb ataladi va ayni shu tip rezonatordan ko’pchilik mavjud lazerlarda foydalaniladi.

1955 yilda bir vaqtda va bir-biridan mustaqil ravishda sobiq ittifoqda N. G. Basov va A. M.Proxorov, AQShda CH.Tauns dunyoda birinchi invers joylashgan muhitda elektromagnit nurlanish kvantlari generatorini taklif qilishdi. Unda teskari bog’lanishdan foydalanish natijasida majburiy nurlanish o’ta monoxromatik nurlanishni generatsiyalashga olib keldi.

Bir necha yil o’tgach, 1960 yilda amerika fizigi T. Meyman optik diapazonli birinchi kvant generatori - lazerni ishga tushirdi. Unda teskari bog’lanish yuqorida aytilgan optik rezonator yordamida amalga oshirildi, invers joylashish esa ksenon lampa-chaqnagich nurlanish bilan nurlanadigan yoqut kristallarida uyg’otildi. Yoqut kristali ozgina (≈0,005%) xrom qo’shilgan alyuminiy oksid Al₂O₃ kristalidan iborat. Xrom atomlari qo’shilganda yoqutning shaffof kristallari pushti rangga kiradi va spektrning yaqin ultrabinafsha sohasining ikki polosasidagi nurlanishni yutadi. Hammasi bo’lib, yoqut kristallari lampa-chaqnagich yorug’ligining 15% chasini yutadi. Yorug’likni xrom ionlari yutganda ionlar uyg’ongan holatga o’tadi. Ichki protsesslar natijasida xromning uyg’ongan ionlari asosiy holatga darhol emas, balki ikki uyg’ongan sath orqali o’tadi. Shu sathlarda ionlar to’planadi va ksenon lampaning yetarlicha kuchli chaqnashida xrom ionlarining asosiy sathi bilan oraliq sathlari orasida nnvers joylashish yuz beradi.

Yoqut sterjen qirralari silliqlanadi, yorug’lik qaytaradigan interferentsion plyonkalar bilan qoplanadi, bunda qirralarning bir-biriga qat’iy parallelligi saqlanadi.

Yoqutda xrom ionlari sathlarining invers joylashishlari vujudga kelganda majburan chiqayotgan fotonlar soni jadal o’sadi va yoqut sterjen qirralaridagi ko’zgular hosil qilgan optik rezonatorda teskari bog’lanish sistemasi ensiz yo’nalgan qizil yorug’lik nuri shakllanishini ta’minlaydi. Lazerning impuls davomiyligi ≈10^-3c, ksenon lampaning chaqnash davomiyligidan bir oz qisqa. Yoqut lazerning impuls energiyasi ≈1J.

Mexanik sistema (aylanadigan ko’zgu) yoki tez ishlaydigan elektr zatvor yordamida invers joylashishlar maksimal inversiyasiga erishilgan paytda teskari bog’lanishni, demak, aktiv muhitning maksimal kuchayishini «ulash» (ko’zgulardan birini sozlash) mumkin. Bu holda induktsiyalangan nurlanish quvvati juda katta bo’ladi va invers joylashishni majburiy nurlanish juda qisqa muddatda «yo’qotadi».

Rezonatorning modullangan asllik rejimida lazer nurlanishining ulkan impulsi tarqaladi. Bu impulsning to’liq energiyasi taxminan xuddi «erkin generatsiyalash» rejimidagidek darajada qoladi, lekin keyinchalik impulsning davomiyligi yuzlarcha marta qisqaradi, nurlanish quvvati ham yuzlarcha marta o’sadi va ≈10⁸Vt qiymatga yetadi.

Lazer nurlanishning ba’zi ajoyib xossalarini ko’rib chiqamiz.

Spontan nurlanishda atom chekli kenglikdagi spektral chiziqni tarqatadi. Invers joylashishli muhitda majburiy chiqarilgan fotonlar sonining quyunsimon o’sishida bu quyunning nurlanish intensivligi avvalo ushbu atom o’tishning spektral chizig’i markazida o’sa boshlaydi va bu protsess natijasida dastlabki spontan nurlanish spektral chizig’ining eni qisqaradi. Amalda maxsus sharoitlarda lazer nurlanish spektral chizig’ining nisbiy kengayishi tabiatda kuzatnladigan spontan nurlanishning eng ensiz chiziqlari enidan 10⁷-10⁸ marta tor qilishga erishiladi.

Lazerda nurlanish chizig’ini toraytirishdan tashqari, nurning yoyilishini 10^-4 radiandan kichikroq, ya’ni burchak sekundlari darajasida olishga erishiladi.

Ma’lumki, yo’nalgan ensiz yorug’lik nurini amalda istalgan manbadan olish mumkin, Buning uchun yorug’lik oqimi yo’liga bir to’g’ri chiziqda joylashgan mayda teshikli bir necha ekran qo’yish kerak. Faraz qilaylik, biz qizdirilgan qora jismni oldik va diafragmalar yordamida yorug’lik nurini hosil qildik, prizma yoki boshqa spektral asbob vositasida undan spektrning eni lazer nurlanish spektrining eniga mos nurini ajratdik. Lazer nurlanish quvvatini, uning spektri enini va nurning burchak yoyilishini bilgan holda, Plank formulasi yordamida faraz qilinayotgan o’sha qora jism temperaturasini hisoblash mumkin. Qora jismdan lazer nuriga ekvivalent yorug’lik nuri manbai sifatida foydalaniladi. Bu hisob bizga ulkan raqamni beradi: qora jism temperaturasi o’nlarcha million gradus bo’lishi kerak ekan! Lazer nurining ajoyib xossasi - uning yuqori effektiv temperaturasi (hatto lazer nurlanishning nisbatan kichik o’rtacha quvvatida yoki lazer impulsining kichik energiyasida ham) tadqiqotchilar oldida lazerdan foydalanmay turib, mutlaqo bajarish mumkin bo’lmagan katta imkoniyatlarni ochadi. Hozirgi vaqtda turli-tuman muhitlar - gazlar, suyuqliklar, shishalar, kristallardagi lazerlar yaratilgan. Lazerlardan foydalanish haqida Lazer texnologiyasi maqolasida aytilgan.