लेज़र का मूल कार्य सिद्धांत

लेज़र का मूल कार्य सिद्धांत (विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन) प्रकाश के उत्तेजित उत्सर्जन की घटना पर आधारित है। सटीक डिज़ाइन और संरचनाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से, लेज़र उच्च सुसंगतता, मोनोक्रोमैटिकिटी और चमक के साथ किरणें उत्पन्न करते हैं। संचार, चिकित्सा, विनिर्माण, माप और वैज्ञानिक अनुसंधान जैसे क्षेत्रों सहित आधुनिक तकनीक में लेजर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। उनकी उच्च दक्षता और सटीक नियंत्रण विशेषताएँ उन्हें कई प्रौद्योगिकियों का मुख्य घटक बनाती हैं। नीचे लेज़रों के कार्य सिद्धांतों और विभिन्न प्रकार के लेज़रों के तंत्र का विस्तृत विवरण दिया गया है।

1. उत्तेजित उत्सर्जन

उत्तेजित उत्सर्जनलेजर पीढ़ी के पीछे मूल सिद्धांत है, जिसे पहली बार 1917 में आइंस्टीन द्वारा प्रस्तावित किया गया था। यह घटना बताती है कि प्रकाश और उत्तेजित-अवस्था वाले पदार्थ के बीच बातचीत के माध्यम से कैसे अधिक सुसंगत फोटॉन उत्पन्न होते हैं। उत्तेजित उत्सर्जन को बेहतर ढंग से समझने के लिए, आइए सहज उत्सर्जन से शुरुआत करें:

स्वत: उत्सर्जन: परमाणुओं, अणुओं या अन्य सूक्ष्म कणों में, इलेक्ट्रॉन बाहरी ऊर्जा (जैसे विद्युत या ऑप्टिकल ऊर्जा) को अवशोषित कर सकते हैं और उच्च ऊर्जा स्तर में परिवर्तित हो सकते हैं, जिसे उत्तेजित अवस्था के रूप में जाना जाता है। हालाँकि, उत्तेजित-अवस्था के इलेक्ट्रॉन अस्थिर होते हैं और अंततः थोड़े समय के बाद निम्न ऊर्जा स्तर पर लौट आएंगे, जिसे जमीनी अवस्था के रूप में जाना जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रॉन एक फोटॉन छोड़ता है, जो स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन है। ऐसे फोटॉन आवृत्ति, चरण और दिशा के संदर्भ में यादृच्छिक होते हैं, और इस प्रकार उनमें सुसंगतता का अभाव होता है।

उत्तेजित उत्सर्जन: उत्तेजित उत्सर्जन की कुंजी यह है कि जब एक उत्तेजित अवस्था वाला इलेक्ट्रॉन अपनी संक्रमण ऊर्जा से मेल खाने वाली ऊर्जा वाले फोटॉन का सामना करता है, तो फोटॉन एक नया फोटॉन जारी करते हुए इलेक्ट्रॉन को जमीनी स्थिति में लौटने के लिए प्रेरित कर सकता है। नया फोटॉन आवृत्ति, चरण और प्रसार दिशा के मामले में मूल फोटॉन के समान है, जिसके परिणामस्वरूप सुसंगत प्रकाश होता है। यह घटना फोटॉन की संख्या और ऊर्जा को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती है और लेजर का मुख्य तंत्र है।

उत्तेजित उत्सर्जन का सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रभाव: लेज़रों के डिज़ाइन में, उत्तेजित उत्सर्जन प्रक्रिया को कई बार दोहराया जाता है, और यह सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रभाव फोटॉन की संख्या में तेजी से वृद्धि कर सकता है। गुंजयमान गुहा की सहायता से फोटॉन की सुसंगति बनी रहती है और प्रकाश किरण की तीव्रता लगातार बढ़ती रहती है।

2. मध्यम लाभ

मध्यम लाभलेजर में मुख्य सामग्री है जो फोटॉनों के प्रवर्धन और लेजर आउटपुट को निर्धारित करती है। यह उत्तेजित उत्सर्जन का भौतिक आधार है, और इसके गुण लेजर की आवृत्ति, तरंग दैर्ध्य और आउटपुट शक्ति निर्धारित करते हैं। लाभ माध्यम का प्रकार और विशेषताएं सीधे लेजर के अनुप्रयोग और प्रदर्शन को प्रभावित करती हैं।

उत्तेजना तंत्र: लाभ माध्यम में इलेक्ट्रॉनों को बाहरी ऊर्जा स्रोत द्वारा उच्च ऊर्जा स्तर तक उत्तेजित करने की आवश्यकता होती है। यह प्रक्रिया आमतौर पर बाहरी ऊर्जा आपूर्ति प्रणालियों द्वारा हासिल की जाती है। सामान्य उत्तेजना तंत्रों में शामिल हैं:

विद्युत पम्पिंग: विद्युत धारा लगाकर लाभ माध्यम में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करना।

ऑप्टिकल पम्पिंग: किसी प्रकाश स्रोत (जैसे फ्लैश लैंप या अन्य लेजर) से माध्यम को उत्तेजित करना।

ऊर्जा स्तर प्रणाली: लाभ माध्यम में इलेक्ट्रॉनों को आम तौर पर विशिष्ट ऊर्जा स्तरों में वितरित किया जाता है। सबसे आम हैंदो स्तरीय प्रणालीऔरचार स्तरीय प्रणाली. एक साधारण दो-स्तरीय प्रणाली में, इलेक्ट्रॉन जमीनी अवस्था से उत्तेजित अवस्था में संक्रमण करते हैं और फिर उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से जमीनी अवस्था में लौट आते हैं। चार-स्तरीय प्रणाली में, इलेक्ट्रॉन विभिन्न ऊर्जा स्तरों के बीच अधिक जटिल संक्रमण से गुजरते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर उच्च दक्षता होती है।

गेन मीडिया के प्रकार:

गैस लाभ माध्यम: उदाहरण के लिए, हीलियम-नियॉन (He-Ne) लेजर। गैस गेन मीडिया अपने स्थिर आउटपुट और निश्चित तरंग दैर्ध्य के लिए जाना जाता है, और प्रयोगशालाओं में मानक प्रकाश स्रोतों के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

तरल लाभ माध्यम: उदाहरण के लिए, डाई लेज़र। डाई अणुओं में विभिन्न तरंग दैर्ध्य में अच्छे उत्तेजना गुण होते हैं, जो उन्हें ट्यून करने योग्य लेजर के लिए आदर्श बनाते हैं।

ठोस लाभ माध्यम: उदाहरण के लिए, एनडी (नियोडिमियम-डोप्ड येट्रियम एल्यूमीनियम गार्नेट) लेजर। ये लेज़र अत्यधिक कुशल और शक्तिशाली हैं, और व्यापक रूप से औद्योगिक कटिंग, वेल्डिंग और चिकित्सा अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं।

सेमीकंडक्टर लाभ माध्यम: उदाहरण के लिए, गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) सामग्री का व्यापक रूप से संचार और लेजर डायोड जैसे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किया जाता है।

3. अनुनादक गुहा

अनुनादक गुहाफीडबैक और प्रवर्धन के लिए उपयोग किए जाने वाले लेजर में एक संरचनात्मक घटक है। इसका मुख्य कार्य उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से उत्पादित फोटॉन की संख्या को गुहा के अंदर प्रतिबिंबित और प्रवर्धित करके बढ़ाना है, इस प्रकार एक मजबूत और केंद्रित लेजर आउटपुट उत्पन्न करना है।

गुंजयमान यंत्र गुहा की संरचना: इसमें आमतौर पर दो समानांतर दर्पण होते हैं। एक पूर्णतः परावर्तक दर्पण है, जिसे के नाम से जाना जाता हैपीछे का दर्पण, और दूसरा आंशिक रूप से परावर्तक दर्पण है, जिसे के नाम से जाना जाता हैआउटपुट दर्पण. फोटॉन गुहा के भीतर आगे और पीछे प्रतिबिंबित होते हैं और लाभ माध्यम के साथ बातचीत के माध्यम से प्रवर्धित होते हैं।

अनुनाद स्थिति: गुंजयमान यंत्र गुहा के डिज़ाइन को कुछ शर्तों को पूरा करना होगा, जैसे कि यह सुनिश्चित करना कि फोटॉन गुहा के अंदर खड़ी तरंगें बनाते हैं। इसके लिए गुहा की लंबाई लेजर तरंगदैर्घ्य की गुणज होनी आवश्यक है। केवल इन शर्तों को पूरा करने वाली प्रकाश तरंगों को ही गुहा के अंदर प्रभावी ढंग से प्रवर्धित किया जा सकता है।

आउटपुट बीम: आंशिक रूप से परावर्तक दर्पण प्रवर्धित प्रकाश किरण के एक हिस्से को गुजरने की अनुमति देता है, जिससे लेजर का आउटपुट बीम बनता है। इस किरण में उच्च दिशात्मकता, सुसंगतता और एकवर्णीयता है.

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