लेज़र का मूल कार्य सिद्धांत

लेज़र (विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन) का मूल कार्य सिद्धांत प्रकाश के उत्तेजित उत्सर्जन की परिघटना पर आधारित है। सटीक डिज़ाइनों और संरचनाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से, लेज़र उच्च संसक्ति, एकवर्णता और चमक वाली किरणें उत्पन्न करते हैं। लेज़रों का आधुनिक तकनीक में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, जिसमें संचार, चिकित्सा, विनिर्माण, मापन और वैज्ञानिक अनुसंधान जैसे क्षेत्र शामिल हैं। उनकी उच्च दक्षता और सटीक नियंत्रण विशेषताएँ उन्हें कई तकनीकों का मुख्य घटक बनाती हैं। नीचे लेज़रों के कार्य सिद्धांतों और विभिन्न प्रकार के लेज़रों की क्रियाविधि का विस्तृत विवरण दिया गया है।

1. उत्तेजित उत्सर्जन

उत्तेजित उत्सर्जनलेज़र उत्पादन के पीछे का मूल सिद्धांत, जिसे सबसे पहले आइंस्टीन ने 1917 में प्रतिपादित किया था, यह बताता 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 बाह्य ऊर्जा (जैसे विद्युत या प्रकाशिक ऊर्जा) को अवशोषित कर सकते हैं और उच्च ऊर्जा स्तर, जिसे उत्तेजित अवस्था कहते हैं, में संक्रमण कर सकते हैं। हालाँकि, उत्तेजित अवस्था वाले इलेक्ट्रॉन अस्थिर होते हैं और अंततः थोड़े समय के बाद निम्न ऊर्जा स्तर, जिसे मूल अवस्था कहते हैं, में लौट आते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रॉन एक फोटॉन उत्सर्जित करता है, जो स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन होता है। ऐसे फोटॉन आवृत्ति, कला और दिशा की दृष्टि से यादृच्छिक होते हैं, और इसलिए इनमें संसक्तता का अभाव होता है।

उत्तेजित उत्सर्जनउत्तेजित उत्सर्जन की कुंजी यह है कि जब एक उत्तेजित अवस्था वाला इलेक्ट्रॉन अपनी संक्रमण ऊर्जा से मेल खाने वाली ऊर्जा वाले फोटॉन से टकराता है, तो फोटॉन इलेक्ट्रॉन को मूल अवस्था में लौटने के लिए प्रेरित कर सकता है और साथ ही एक नया फोटॉन भी उत्सर्जित कर सकता है। नया फोटॉन आवृत्ति, कला और संचरण दिशा की दृष्टि से मूल फोटॉन के समान होता है, जिसके परिणामस्वरूप सुसंगत प्रकाश उत्पन्न होता है। यह परिघटना फोटॉनों की संख्या और ऊर्जा को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा देती है और यही लेज़रों की मूल क्रियाविधि है।

उत्तेजित उत्सर्जन का सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रभावलेज़रों के डिज़ाइन में, उत्तेजित उत्सर्जन प्रक्रिया को कई बार दोहराया जाता है, और यह सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रभाव फोटॉनों की संख्या में तेज़ी से वृद्धि कर सकता है। एक अनुनाद गुहा की सहायता से, फोटॉनों की सुसंगतता बनाए रखी जाती है, और प्रकाश किरण की तीव्रता लगातार बढ़ती रहती है।

2. मध्यम लाभ

लाभ माध्यमलेज़र में वह मुख्य पदार्थ है जो फोटॉनों के प्रवर्धन और लेज़र आउटपुट को निर्धारित करता है। यह उत्तेजित उत्सर्जन का भौतिक आधार है, और इसके गुण लेज़र की आवृत्ति, तरंगदैर्ध्य और आउटपुट शक्ति निर्धारित करते हैं। लाभ माध्यम का प्रकार और विशेषताएँ लेज़र के अनुप्रयोग और प्रदर्शन को सीधे प्रभावित करती हैं।

उत्तेजना तंत्रलाभ माध्यम में इलेक्ट्रॉनों को किसी 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 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 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 द्वि-स्तरीय प्रणाली में, इलेक्ट्रॉन मूल अवस्था से उत्तेजित अवस्था में संक्रमण करते हैं और फिर उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से मूल अवस्था में वापस आ जाते 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।

लाभ मीडिया के प्रकार:

गैस लाभ माध्यमउदाहरण के लिए, हीलियम-नियॉन (He-Ne) लेज़र। 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।

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

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

अर्धचालक 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

अनुनाद गुहालेज़र में एक संरचनात्मक घटक है जिसका उपयोग फीडबैक और प्रवर्धन के लिए किया जाता है। इसका मुख्य कार्य उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से उत्पन्न फोटॉनों की संख्या को गुहा के अंदर परावर्तित और प्रवर्धित करके बढ़ाना है, जिससे एक मजबूत और केंद्रित लेज़र आउटपुट उत्पन्न होता है।

अनुनादक गुहा की संरचना: इसमें आमतौर पर दो समानांतर दर्पण होते हैं। एक पूरी तरह से परावर्तक दर्पण होता है, जिसेपीछे का दर्पण, और 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 अंतःक्रिया के माध्यम से प्रवर्धित होते हैं।

अनुनाद स्थितिअनुनादक गुहा के डिज़ाइन को कुछ शर्तों को पूरा करना होगा, जैसे कि यह सुनिश्चित करना कि गुहा के अंदर फोटॉन अप्रगामी तरंगें बनाएँ। इसके लिए गुहा की लंबाई लेज़र तरंगदैर्घ्य की गुणज होनी चाहिए। केवल वे प्रकाश तरंगें जो इन शर्तों को पूरा करती हैं, गुहा के अंदर प्रभावी रूप से प्रवर्धित की जा सकती हैं।

आउटपुट बीमआंशिक रूप से परावर्तक दर्पण प्रवर्धित प्रकाश किरण के एक भाग को पार होने देता है, जिससे लेज़र की आउटपुट किरण बनती है। इस किरण में उच्च दिशात्मकता, संसक्ति और एकवर्णिता होती है।.

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