लेजर का मूल कार्य सिद्धांत

लेजर (प्रकाश प्रवर्धन द्वारा विकिरण का उत्तेजना) का मूल कार्य सिद्धांत प्रकाश के उत्तेजना उत्सर्जन की घटना पर आधारित है। सटीक डिजाइन और संरचनाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से, लेजर उच्च सुसंगतता, एकरंगता और चमक वाली किरणें उत्पन्न करते हैं। लेजर का उपयोग आधुनिक प्रौद्योगिकी में व्यापक रूप से किया जाता है, जिसमें संचार, चिकित्सा, विनिर्माण, माप और वैज्ञानिक अनुसंधान जैसे क्षेत्र शामिल हैं। इनकी उच्च दक्षता और सटीक नियंत्रण विशेषताएँ इन्हें कई प्रौद्योगिकियों का मुख्य घटक बनाती हैं। नीचे लेजर के कार्य सिद्धांतों और विभिन्न प्रकार के लेजरों की कार्यप्रणाली का विस्तृत विवरण दिया गया है।

1. उत्तेजित उत्सर्जन

उत्तेजित उत्सर्जनलेजर उत्पादन का मूल सिद्धांत स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन है, जिसे आइंस्टीन ने 1917 में पहली बार प्रस्तावित किया था। यह घटना बताती है कि प्रकाश और उत्तेजित अवस्था वाले पदार्थ के बीच परस्पर क्रिया के माध्यम से अधिक सुसंगत फोटॉन कैसे उत्पन्न होते हैं। उत्तेजित उत्सर्जन को बेहतर ढंग से समझने के लिए, आइए स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन से शुरुआत करें:

स्वत: उत्सर्जनपरमाणुओं, अणुओं या अन्य सूक्ष्म कणों में, इलेक्ट्रॉन बाहरी ऊर्जा (जैसे विद्युत या प्रकाशीय ऊर्जा) को अवशोषित कर सकते हैं और उच्च ऊर्जा स्तर में प्रवेश कर सकते हैं, जिसे उत्तेजित अवस्था कहा जाता है। हालांकि, उत्तेजित अवस्था के इलेक्ट्रॉन अस्थिर होते हैं और थोड़े समय बाद अंततः निम्न ऊर्जा स्तर पर लौट आते हैं, जिसे मूल अवस्था कहा जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रॉन एक फोटॉन उत्सर्जित करता है, जो स्वतः उत्सर्जन है। ऐसे फोटॉन आवृत्ति, अवस्था और दिशा के संदर्भ में यादृच्छिक होते हैं, और इसलिए उनमें सामंजस्य की कमी होती है।

उत्तेजित उत्सर्जनउत्तेजित उत्सर्जन का मूल सिद्धांत यह है कि जब एक उत्तेजित अवस्था का इलेक्ट्रॉन अपनी संक्रमण ऊर्जा के बराबर ऊर्जा वाले फोटॉन से मिलता है, तो फोटॉन इलेक्ट्रॉन को मूल अवस्था में वापस लौटने के लिए प्रेरित कर सकता है और साथ ही एक नया फोटॉन भी उत्पन्न करता है। यह नया फोटॉन आवृत्ति, कला और प्रसार दिशा के मामले में मूल फोटॉन के समान होता है, जिसके परिणामस्वरूप सुसंगत प्रकाश उत्पन्न होता है। यह घटना फोटॉनों की संख्या और ऊर्जा को काफी हद तक बढ़ा देती है और यही लेजर का मूल तंत्र है।

उत्तेजित उत्सर्जन का सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रभावलेजर के डिजाइन में, उत्तेजित उत्सर्जन प्रक्रिया को कई बार दोहराया जाता है, और इस सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रभाव से फोटॉनों की संख्या में तेजी से वृद्धि हो सकती है। अनुनादी गुहा की सहायता से, फोटॉनों की सुसंगति को बनाए रखा जाता है, और प्रकाश किरण की तीव्रता लगातार बढ़ती रहती है।

2. गेन मीडियम

लाभ मध्यमगेन मीडियम लेजर का वह मूल पदार्थ है जो फोटॉनों के प्रवर्धन और लेजर आउटपुट को निर्धारित करता है। यह उत्तेजित उत्सर्जन का भौतिक आधार है, और इसके गुण लेजर की आवृत्ति, तरंगदैर्ध्य और आउटपुट शक्ति को निर्धारित करते हैं। गेन मीडियम का प्रकार और विशेषताएं लेजर के अनुप्रयोग और प्रदर्शन को सीधे प्रभावित करती हैं।

उत्तेजना तंत्रऊर्जा प्राप्त करने वाले 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 पूरी की जाती है। सामान्य उत्तेजना तंत्रों में शामिल हैं:

विद्युत पंपिंगविद्युत धारा प्रवाहित करके लाभ माध्यम में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करना।

ऑप्टिकल पंपिंगकिसी प्रकाश स्रोत (जैसे फ्लैश लैंप या कोई अन्य लेजर) से माध्यम को उत्तेजित करना।

ऊर्जा स्तर प्रणाली: लाभ माध्यम में इलेक्ट्रॉन आमतौर पर विशिष्ट ऊर्जा स्तरों में वितरित होते हैं। सबसे सामान्य स्तर निम्नलिखित हैं:दो-स्तरीय प्रणालियाँऔरचार-स्तरीय प्रणालियाँएक सरल द्विस्तरीय प्रणाली में, इलेक्ट्रॉन मूल अवस्था से उत्तेजित अवस्था में संक्रमण करते हैं और फिर प्रेरित उत्सर्जन के माध्यम से मूल अवस्था में लौट आते हैं। एक चार-स्तरीय प्रणाली में, इलेक्ट्रॉन विभिन्न ऊर्जा स्तरों के बीच अधिक जटिल संक्रमणों से गुजरते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर उच्च दक्षता प्राप्त होती है।

गेन मीडिया के प्रकार:

गैस लाभ माध्यमउदाहरण के लिए, हीलियम-नियॉन (He-Ne) लेजर। गैस गेन मीडिया अपने स्थिर आउटपुट और निश्चित तरंगदैर्ध्य के लिए जाने जाते हैं, और प्रयोगशालाओं में मानक प्रकाश स्रोतों के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।

लिक्विड गेन मीडियमउदाहरण के लिए, डाई लेजर। डाई अणुओं में विभिन्न तरंग दैर्ध्यों पर अच्छे उत्तेजना गुण होते हैं, जो उन्हें ट्यूनेबल लेजर के लिए आदर्श बनाते हैं।

सॉलिड गेन मीडियमउदाहरण के लिए, Nd (नियोडिमियम-डॉप्ड यट्रियम एल्युमिनियम गार्नेट) लेजर। ये लेजर अत्यधिक कुशल और शक्तिशाली होते हैं, और इनका व्यापक रूप से औद्योगिक कटिंग, वेल्डिंग और चिकित्सा अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है।

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

3. अनुनादक गुहा

अनुनादक गुहायह लेज़र में फीडबैक और प्रवर्धन के लिए उपयोग किया जाने वाला एक संरचनात्मक घटक है। इसका मुख्य कार्य कैविटी के अंदर फोटॉनों को परावर्तित और प्रवर्धित करके उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से उत्पन्न फोटॉनों की संख्या को बढ़ाना है, जिससे एक मजबूत और केंद्रित लेज़र आउटपुट उत्पन्न होता है।

अनुनादक गुहा की संरचनाइसमें आमतौर पर दो समानांतर दर्पण होते हैं। इनमें से एक पूर्णतः परावर्तक दर्पण होता है, जिसे समांतर दर्पण के रूप में जाना जाता है।पीछे का दर्पणऔर दूसरा आंशिक रूप से परावर्तक दर्पण है, जिसे के रूप में जाना जाता हैआउटपुट मिररफोटॉन गुहा के भीतर आगे-पीछे परावर्तित होते हैं और लाभ माध्यम के साथ परस्पर क्रिया के माध्यम से प्रवर्धित होते हैं।

अनुनाद स्थितिअनुनादक गुहा के डिजाइन को कुछ शर्तों को पूरा करना आवश्यक है, जैसे कि गुहा के अंदर फोटॉन द्वारा स्थिर तरंगें उत्पन्न होना। इसके लिए गुहा की लंबाई लेजर तरंगदैर्ध्य का गुणक होनी चाहिए। केवल वे प्रकाश तरंगें जो इन शर्तों को पूरा करती हैं, गुहा के अंदर प्रभावी रूप से प्रवर्धित हो सकती हैं।

आउटपुट बीमआंशिक रूप से परावर्तित दर्पण प्रवर्धित प्रकाश किरण के एक हिस्से को गुजरने देता है, जिससे लेजर की आउटपुट किरण बनती है। इस किरण में उच्च दिशात्मकता, सुसंगतता और एकरंगता होती है।.

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