लेज़र का मूल कार्य सिद्धांत

लेजर (रेडिएशन के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन) का मूल कार्य सिद्धांत प्रकाश के उत्तेजित उत्सर्जन की घटना पर आधारित है। सटीक डिजाइन और संरचनाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से, लेजर उच्च सुसंगतता, एकरूपता और चमक के साथ किरणें उत्पन्न करते हैं। लेजर का उपयोग आधुनिक तकनीक में व्यापक रूप से किया जाता है, जिसमें संचार, चिकित्सा, विनिर्माण, माप और वैज्ञानिक अनुसंधान जैसे क्षेत्र शामिल हैं। उनकी उच्च दक्षता और सटीक नियंत्रण विशेषताएँ उन्हें कई तकनीकों का मुख्य घटक बनाती हैं। नीचे लेजर के कार्य सिद्धांतों और विभिन्न प्रकार के लेजर के तंत्रों का विस्तृत विवरण दिया गया है।

1. प्रेरित उत्सर्जन

प्रेरित उत्सर्जनलेजर उत्पादन के पीछे मूल सिद्धांत है, जिसे सबसे पहले 1917 में आइंस्टीन ने 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 सहज उत्सर्जन से शुरू 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 पर संक्रमण कर सकते हैं, जिसे उत्तेजित अवस्था के रूप में जाना जाता है। हालाँकि, उत्तेजित अवस्था वाले इलेक्ट्रॉन अस्थिर होते हैं और अंततः थोड़े समय के बाद निचले ऊर्जा स्तर पर लौट आएंगे, जिसे ग्राउंड स्टेट के रूप में जाना जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रॉन एक फोटॉन जारी करता है, जो स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन होता है। ऐसे फोटॉन आवृत्ति, चरण और दिशा के संदर्भ में यादृच्छिक होते हैं, और इस प्रकार उनमें सुसंगतता का अभाव होता है।

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

प्रेरित उत्सर्जन का सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रभावलेजर के डिजाइन में, उत्तेजित उत्सर्जन प्रक्रिया को कई बार दोहराया जाता है, और यह सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रभाव फोटॉनों की संख्या में तेजी से वृद्धि कर सकता है। अनुनाद गुहा की मदद से, फोटॉनों की सुसंगतता बनाए रखी जाती है, और प्रकाश किरण की तीव्रता लगातार बढ़ जाती है।

2. मध्यम लाभ

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

उत्तेजना तंत्रलाभ 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 प्राप्त की जाती है। सामान्य उत्तेजना तंत्र में शामिल हैं:

विद्युत पम्पिंगविद्युत धारा लगाकर लाभ माध्यम में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करना।

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

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

लाभ मीडिया के प्रकार:

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

तरल लाभ माध्यमउदाहरण के लिए, डाई लेज़र। डाई अणुओं में विभिन्न तरंगदैर्घ्यों में अच्छे उत्तेजना गुण होते हैं, जो उन्हें ट्यूनेबल लेज़रों के लिए आदर्श बनाते हैं।

ठोस लाभ माध्यमउदाहरण के लिए, एनडी (नियोडिमियम-डोप्ड यिट्रियम एल्युमिनियम गार्नेट) लेजर। ये लेजर अत्यधिक कुशल और शक्तिशाली हैं, और औद्योगिक कटाई, वेल्डिंग और चिकित्सा अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।

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

3. अनुनाद गुहा

अनुनादक गुहालेजर में एक संरचनात्मक घटक है जिसका उपयोग फीडबैक और प्रवर्धन के लिए किया जाता है। इसका मुख्य कार्य गुहा के अंदर उन्हें परावर्तित और प्रवर्धित करके उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से उत्पादित फोटॉनों की संख्या को बढ़ाना है, इस प्रकार एक मजबूत और केंद्रित लेजर आउटपुट उत्पन्न करना है।

अनुनादक गुहा की संरचना: इसमें आमतौर पर दो समानांतर दर्पण होते हैं। एक पूरी तरह से परावर्तक दर्पण होता है, जिसे परावर्तक दर्पण के रूप में जाना जाता है।पीछे का दर्पण, और दूसरा आंशिक रूप से परावर्तक दर्पण है, जिसे के रूप में जाना जाता हैआउटपुट दर्पणफोटॉन गुहा के भीतर आगे-पीछे परावर्तित होते हैं और लाभ माध्यम के साथ अंतःक्रिया के माध्यम से प्रवर्धित होते हैं।

अनुनाद स्थितिअनुनादक गुहा के डिजाइन को कुछ शर्तों को पूरा करना चाहिए, जैसे कि यह सुनिश्चित करना कि फोटॉन गुहा के अंदर स्थायी तरंगें बनाते हैं। इसके लिए गुहा की लंबाई लेजर तरंगदैर्ध्य के गुणक के बराबर होनी चाहिए। केवल प्रकाश तरंगें जो इन शर्तों को पूरा करती हैं, उन्हें गुहा के अंदर प्रभावी रूप से प्रवर्धित किया जा सकता है।

आउटपुट बीमआंशिक रूप से परावर्तक 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 एकवर्णकता होती है.

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