एक लेजर का मूल कार्य सिद्धांत

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

1। उत्तेजित उत्सर्जन

उत्तेजित उत्सर्जनलेजर जेनरेशन के पीछे मौलिक सिद्धांत है, पहली बार 1917 में आइंस्टीन द्वारा प्रस्तावित किया गया था। इस घटना का वर्णन है कि प्रकाश और उत्साहित-राज्य मामले के बीच बातचीत के माध्यम से अधिक सुसंगत फोटॉन कैसे उत्पन्न होते हैं। उत्तेजित उत्सर्जन को बेहतर ढंग से समझने के लिए, चलो सहज उत्सर्जन के साथ शुरू करें:

स्वत: उत्सर्जन: परमाणुओं, अणुओं, या अन्य सूक्ष्म कणों में, इलेक्ट्रॉन बाहरी ऊर्जा (जैसे विद्युत या ऑप्टिकल ऊर्जा) को अवशोषित कर सकते हैं और एक उच्च ऊर्जा स्तर के लिए संक्रमण कर सकते हैं, जिसे उत्साहित राज्य के रूप में जाना जाता है। हालांकि, उत्साहित-राज्य इलेक्ट्रॉन अस्थिर हैं और अंततः एक छोटी अवधि के बाद, ग्राउंड स्टेट के रूप में जाने जाने वाले एक निचले ऊर्जा स्तर पर लौट आएंगे। इस प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रॉन एक फोटॉन जारी करता है, जो सहज उत्सर्जन है। इस तरह के फोटॉन आवृत्ति, चरण और दिशा के संदर्भ में यादृच्छिक होते हैं, और इस प्रकार सुसंगतता की कमी होती है।

उत्तेजित उत्सर्जन: उत्सर्जन को उत्तेजित करने की कुंजी यह है कि जब एक उत्साहित-राज्य इलेक्ट्रॉन अपनी संक्रमण ऊर्जा से मेल खाने वाली ऊर्जा के साथ एक फोटॉन का सामना करता है, तो फोटॉन एक नया फोटॉन जारी करते समय इलेक्ट्रॉन को जमीन की स्थिति में लौटने के लिए प्रेरित कर सकता है। नया फोटॉन आवृत्ति, चरण और प्रसार दिशा के संदर्भ में मूल एक के समान है, जिसके परिणामस्वरूप सुसंगत प्रकाश होता है। यह घटना फोटॉन की संख्या और ऊर्जा को काफी बढ़ाती है और लेज़रों का मुख्य तंत्र है।

उत्तेजित उत्सर्जन का सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रभाव: लेज़रों के डिजाइन में, उत्तेजित उत्सर्जन प्रक्रिया को कई बार दोहराया जाता है, और यह सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रभाव फोटॉनों की संख्या को तेजी से बढ़ा सकता है। एक गुंजयमान गुहा की मदद से, फोटॉनों की सुसंगतता को बनाए रखा जाता है, और प्रकाश बीम की तीव्रता लगातार बढ़ जाती है।

2। लाभ

प्राप्त करनालेजर में मुख्य सामग्री है जो फोटॉन और लेजर आउटपुट के प्रवर्धन को निर्धारित करती है। यह उत्तेजित उत्सर्जन के लिए भौतिक आधार है, और इसके गुण लेजर की आवृत्ति, तरंग दैर्ध्य और आउटपुट पावर को 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 के लिए उत्साहित होने की आवश्यकता है। यह प्रक्रिया आमतौर पर बाहरी ऊर्जा आपूर्ति प्रणालियों द्वारा प्राप्त की जाती है। सामान्य उत्तेजना तंत्र में शामिल हैं:

विद्युत पंप: विद्युत प्रवाह को लागू करके लाभ माध्यम में इलेक्ट्रॉनों को रोमांचक।

ऑप्टिकल पंप: एक प्रकाश स्रोत के साथ माध्यम को रोमांचक (जैसे कि फ्लैश लैंप या कोई अन्य लेजर)।

ऊर्जा स्तर प्रणाली: लाभ माध्यम में इलेक्ट्रॉनों को आमतौर पर विशिष्ट ऊर्जा स्तरों में वितरित किया जाता है। सबसे आम हैंदो-स्तरीय प्रणालियाँऔरचार-स्तरीय प्रणालियाँ। एक साधारण दो-स्तरीय प्रणाली में, इलेक्ट्रॉन जमीनी राज्य से उत्साहित अवस्था में संक्रमण करते हैं और फिर उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से जमीन की स्थिति में लौटते हैं। चार-स्तरीय प्रणाली में, इलेक्ट्रॉनों विभिन्न ऊर्जा स्तरों के बीच अधिक जटिल संक्रमण से गुजरते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर उच्च दक्षता होती है।

लाभ मीडिया के प्रकार:

गैस लाभ का माध्यम: उदाहरण के लिए, हीलियम-नेन (हे-ने) लेजर। गैस लाभ मीडिया को उनके 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 लेजर। डाई अणुओं में विभिन्न तरंग दैर्ध्य में अच्छे उत्तेजना गुण होते हैं, जो उन्हें ट्यून करने योग्य लेज़रों के लिए आदर्श बनाते हैं।

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

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

3। गुहा गुहा

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

अनुनादक गुहा की संरचना: इसमें आमतौर पर दो समानांतर दर्पण होते हैं। एक पूरी तरह से चिंतनशील दर्पण है, जिसे के रूप में जाना जाता हैपीछे का दर्पण, और दूसरा एक आंशिक रूप से चिंतनशील दर्पण है, जिसे के रूप में जाना जाता हैआउटपुट मिरर। फोटॉन गुहा के भीतर आगे और पीछे दर्शाते हैं और लाभ माध्यम के साथ बातचीत के माध्यम से प्रवर्धित होते हैं।

अनुनाद स्थिति: गुंजयमान गुहा के डिजाइन को कुछ शर्तों को पूरा करना चाहिए, जैसे कि यह सुनिश्चित करना कि फोटॉन गुहा के अंदर खड़ी तरंगों का निर्माण करते हैं। इसके लिए गुहा की लंबाई लेजर तरंग दैर्ध्य के एक से अधिक होने की आवश्यकता होती है। केवल हल्की तरंगें जो इन स्थितियों को पूरा करती हैं, उन्हें प्रभावी रूप से गुहा के अंदर बढ़ाया जा सकता है।

आउटपुट बीम: आंशिक रूप से चिंतनशील दर्पण प्रवर्धित प्रकाश किरण के एक हिस्से को लेजर के आउटपुट बीम के माध्यम से गुजरने की अनुमति देता है। इस बीम में उच्च दिशात्मकता, सुसंगतता और मोनोक्रोमैटिसिटी है.

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