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मूल रूप से, लेजर पंपिंग एक माध्यम को ऊर्जा प्रदान करने की प्रक्रिया है ताकि वह लेजर प्रकाश उत्सर्जित करने में सक्षम हो सके। यह आमतौर पर माध्यम में प्रकाश या विद्युत धारा प्रवाहित करके किया जाता है, जिससे उसके परमाणु उत्तेजित होते हैं और सुसंगत प्रकाश का उत्सर्जन होता है। 20वीं शताब्दी के मध्य में पहले लेजर के आविष्कार के बाद से इस मूलभूत प्रक्रिया में काफी विकास हुआ है।
हालांकि लेजर पंपिंग को अक्सर दर समीकरणों द्वारा प्रतिरूपित किया जाता है, लेकिन यह मूल रूप से एक क्वांटम यांत्रिक प्रक्रिया है। इसमें फोटॉनों और लाभ माध्यम की परमाणु या आणविक संरचना के बीच जटिल अंतःक्रियाएं शामिल होती हैं। उन्नत मॉडल रबी दोलनों जैसी घटनाओं पर विचार करते हैं, जो इन अंतःक्रियाओं की अधिक सूक्ष्म समझ प्रदान करते हैं।
लेजर पंपिंग एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें लेजर के गेन मीडियम को ऊर्जा (आमतौर पर प्रकाश या विद्युत धारा के रूप में) प्रदान की जाती है ताकि उसके परमाणुओं या अणुओं को उच्च ऊर्जा अवस्थाओं तक पहुँचाया जा सके। यह ऊर्जा स्थानांतरण पापुलेशन इनवर्जन प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है, एक ऐसी अवस्था जिसमें निम्न ऊर्जा अवस्था की तुलना में अधिक कण उत्तेजित होते हैं, जिससे मीडियम उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से प्रकाश को प्रवर्धित करने में सक्षम होता है। इस प्रक्रिया में जटिल क्वांटम अंतःक्रियाएँ शामिल होती हैं, जिन्हें अक्सर दर समीकरणों या अधिक उन्नत क्वांटम यांत्रिक ढाँचों के माध्यम से प्रतिरूपित किया जाता है। प्रमुख पहलुओं में पंप स्रोत का चयन (जैसे लेजर डायोड या डिस्चार्ज लैंप), पंप ज्यामिति (साइड या एंड पंपिंग), और गेन मीडियम की विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप पंप प्रकाश विशेषताओं (स्पेक्ट्रम, तीव्रता, बीम गुणवत्ता, ध्रुवीकरण) का अनुकूलन शामिल हैं। लेजर पंपिंग विभिन्न प्रकार के लेजरों में मूलभूत है, जिनमें सॉलिड-स्टेट, सेमीकंडक्टर और गैस लेजर शामिल हैं, और लेजर के कुशल और प्रभावी संचालन के लिए आवश्यक है।
प्रकाशीय रूप से पंप किए गए लेज़रों की किस्में
1. डोप्ड इंसुलेटर वाले सॉलिड-स्टेट लेजर
· अवलोकन:ये लेज़र विद्युत रूप से अरोधक होस्ट माध्यम का उपयोग करते हैं और लेज़र-सक्रिय आयनों को ऊर्जा प्रदान करने के लिए ऑप्टिकल पंपिंग पर निर्भर करते हैं। इसका एक सामान्य उदाहरण YAG लेज़रों में नियोडिमियम है।
·हालिया शोध:ए. एंटिपोव एट अल. द्वारा किए गए एक अध्ययन में स्पिन-एक्सचेंज ऑप्टिकल पंपिंग के लिए सॉलिड-स्टेट नियर-इंफ्रारेड लेजर पर चर्चा की गई है। यह शोध सॉलिड-स्टेट लेजर प्रौद्योगिकी, विशेष रूप से नियर-इंफ्रारेड स्पेक्ट्रम में हुई प्रगति को उजागर करता है, जो मेडिकल इमेजिंग और दूरसंचार जैसे अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।
अग्रिम पठन:स्पिन-एक्सचेंज ऑप्टिकल पंपिंग के लिए एक सॉलिड-स्टेट नियर-आईआर लेजर
2. सेमीकंडक्टर लेजर
·सामान्य जानकारी: आमतौर पर विद्युत रूप से पंप किए जाने वाले सेमीकंडक्टर लेजर ऑप्टिकल पंपिंग से भी लाभ उठा सकते हैं, विशेष रूप से उच्च चमक की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों में, जैसे कि वर्टिकल एक्सटर्नल कैविटी सरफेस एमिटिंग लेजर (VECSEL)।
·हाल के घटनाक्रम: यू. केलर का अति-तीव्र ठोस-अवस्था और अर्धचालक लेज़रों से उत्पन्न ऑप्टिकल आवृत्ति कोष्ठों पर किया गया कार्य, डायोड-पंप वाले ठोस-अवस्था और अर्धचालक लेज़रों से स्थिर आवृत्ति कोष्ठों के निर्माण की प्रक्रिया में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। यह प्रगति ऑप्टिकल आवृत्ति माप विज्ञान के अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।
अग्रिम पठन:अति तीव्र ठोस-अवस्था और अर्धचालक लेजरों से उत्पन्न ऑप्टिकल आवृत्ति कंघे
3. गैस लेजर
·गैस लेज़रों में ऑप्टिकल पंपिंग: कुछ प्रकार के गैस लेज़र, जैसे कि क्षार वाष्प लेज़र, ऑप्टिकल पंपिंग का उपयोग करते हैं। इन लेज़रों का उपयोग अक्सर उन अनुप्रयोगों में किया जाता है जिनमें विशिष्ट गुणों वाले सुसंगत प्रकाश स्रोतों की आवश्यकता होती है।
ऑप्टिकल पंपिंग के स्रोत
डिस्चार्ज लैंपलैंप-पंप वाले लेज़रों में डिस्चार्ज लैंप आमतौर पर उपयोग किए जाते हैं, क्योंकि इनमें उच्च शक्ति और व्यापक स्पेक्ट्रम होता है। वाई.ए. मैंड्रिको और अन्य ने सॉलिड-स्टेट लेज़रों के सक्रिय मीडिया ऑप्टिकल पंपिंग ज़ेनॉन लैंपों में आवेग चाप डिस्चार्ज उत्पादन का एक शक्ति मॉडल विकसित किया है। यह मॉडल आवेग पंपिंग लैंपों के प्रदर्शन को अनुकूलित करने में सहायक है, जो कुशल लेज़र संचालन के लिए महत्वपूर्ण है।
लेजर डायोड:डायोड-पंप वाले लेजरों में उपयोग किए जाने वाले लेजर डायोड उच्च दक्षता, कॉम्पैक्ट आकार और बारीक रूप से ट्यून किए जाने की क्षमता जैसे लाभ प्रदान करते हैं।
अग्रिम पठन:लेजर डायोड क्या होता है?
फ्लैश लैंपफ्लैश लैंप तीव्र, व्यापक स्पेक्ट्रम वाले प्रकाश स्रोत होते हैं जिनका उपयोग आमतौर पर रूबी या Nd:YAG लेजर जैसे सॉलिड-स्टेट लेजर को पंप करने के लिए किया जाता है। ये प्रकाश की एक उच्च-तीव्रता वाली किरण प्रदान करते हैं जो लेजर माध्यम को उत्तेजित करती है।
आर्क लैंपफ्लैश लैंप के समान, लेकिन निरंतर संचालन के लिए डिज़ाइन किए गए आर्क लैंप तीव्र प्रकाश का एक स्थिर स्रोत प्रदान करते हैं। इनका उपयोग उन अनुप्रयोगों में किया जाता है जहाँ निरंतर तरंग (सीडब्ल्यू) लेजर संचालन की आवश्यकता होती है।
एलईडी (प्रकाश उत्सर्जक डायोड)हालांकि लेजर डायोड जितने आम नहीं हैं, फिर भी एलईडी का उपयोग कुछ कम-शक्ति वाले अनुप्रयोगों में ऑप्टिकल पंपिंग के लिए किया जा सकता है। ये अपने लंबे जीवनकाल, कम लागत और विभिन्न तरंग दैर्ध्य में उपलब्धता के कारण लाभदायक हैं।
सूर्य का प्रकाशकुछ प्रायोगिक सेटअपों में, सौर-पंप वाले लेज़रों के लिए पंप स्रोत के रूप में केंद्रित सूर्यप्रकाश का उपयोग किया गया है। यह विधि सौर ऊर्जा का दोहन करती है, जिससे यह एक नवीकरणीय और लागत प्रभावी स्रोत बन जाता है, हालांकि कृत्रिम प्रकाश स्रोतों की तुलना में यह कम नियंत्रणीय और कम तीव्र होता है।
फाइबर-युग्मित लेजर डायोडये ऑप्टिकल फाइबर से जुड़े लेजर डायोड हैं, जो पंप प्रकाश को लेजर माध्यम तक अधिक कुशलता से पहुंचाते हैं। यह विधि फाइबर लेजर और उन स्थितियों में विशेष रूप से उपयोगी है जहां पंप प्रकाश का सटीक वितरण महत्वपूर्ण है।
अन्य लेज़रकभी-कभी, एक लेज़र का उपयोग दूसरे लेज़र को पंप करने के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, आवृत्ति-दोगुनी एनडी: वाईएजी लेज़र का उपयोग डाई लेज़र को पंप करने के लिए किया जा सकता है। इस विधि का उपयोग अक्सर तब किया जाता है जब पंपिंग प्रक्रिया के लिए विशिष्ट तरंग दैर्ध्य की आवश्यकता होती है, जिसे पारंपरिक प्रकाश स्रोतों से आसानी से प्राप्त नहीं किया जा सकता है।
डायोड-पंप वाला सॉलिड-स्टेट लेजर
प्रारंभिक ऊर्जा स्रोतयह प्रक्रिया डायोड लेजर से शुरू होती है, जो पंप स्रोत के रूप में कार्य करता है। डायोड लेजर को उनकी दक्षता, कॉम्पैक्ट आकार और विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश उत्सर्जित करने की क्षमता के कारण चुना जाता है।
पंप लाइट:डायोड लेजर से निकलने वाला प्रकाश ठोस अवस्था वाले गेन माध्यम द्वारा अवशोषित हो जाता है। डायोड लेजर की तरंगदैर्ध्य को गेन माध्यम की अवशोषण विशेषताओं के अनुरूप समायोजित किया जाता है।
ठोस-अवस्थालाभ मध्यम
सामग्री:डीपीएसएस लेजर में गेन मीडियम आमतौर पर एनडी:वाईएजी (नियोडिमियम-डॉप्ड यट्रियम एल्युमिनियम गार्नेट), एनडी:वाईवीओ4 (नियोडिमियम-डॉप्ड यट्रियम ऑर्थोवनाडेट), या वाईबी:वाईएजी (यटरबियम-डॉप्ड यट्रियम एल्युमिनियम गार्नेट) जैसी ठोस अवस्था वाली सामग्री होती है।
डोपिंग:इन सामग्रियों में दुर्लभ-पृथ्वी आयनों (जैसे Nd या Yb) की डोपिंग की जाती है, जो सक्रिय लेजर आयन होते हैं।
ऊर्जा अवशोषण और उत्तेजना:जब डायोड लेजर से निकलने वाला पंप प्रकाश गेन माध्यम में प्रवेश करता है, तो दुर्लभ-पृथ्वी आयन इस ऊर्जा को अवशोषित करते हैं और उच्च ऊर्जा अवस्थाओं में उत्तेजित हो जाते हैं।
जनसंख्या व्युत्क्रमण
जनसंख्या व्युत्क्रमण प्राप्त करना:लेजर क्रिया की कुंजी गेन माध्यम में जनसंख्या व्युत्क्रमण प्राप्त करना है। इसका अर्थ है कि उत्तेजित अवस्था में आयनों की संख्या, मूल अवस्था में आयनों की संख्या से अधिक होती है।
उत्तेजित उत्सर्जन:एक बार जब जनसंख्या व्युत्क्रमण प्राप्त हो जाता है, तो उत्तेजित और मूल अवस्थाओं के बीच ऊर्जा अंतर के अनुरूप एक फोटॉन का परिचय उत्तेजित आयनों को मूल अवस्था में लौटने के लिए प्रेरित कर सकता है, जिससे इस प्रक्रिया में एक फोटॉन उत्सर्जित होता है।
ऑप्टिकल रेज़ोनेटर
दर्पण: गेन माध्यम को एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर के अंदर रखा जाता है, जो आमतौर पर माध्यम के प्रत्येक छोर पर दो दर्पणों द्वारा निर्मित होता है।
प्रतिक्रिया और प्रवर्धन: एक दर्पण अत्यधिक परावर्तक है, और दूसरा आंशिक रूप से परावर्तक है। फोटॉन इन दर्पणों के बीच बार-बार टकराते हैं, जिससे अधिक उत्सर्जन होता है और प्रकाश प्रवर्धित होता है।
लेजर उत्सर्जन
सुसंगत प्रकाश: उत्सर्जित फोटॉन सुसंगत होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक ही कला में होते हैं और उनकी तरंगदैर्ध्य समान होती है।
आउटपुट: आंशिक रूप से परावर्तित दर्पण इस प्रकाश के कुछ हिस्से को गुजरने देता है, जिससे लेजर बीम बनता है जो डीपीएसएस लेजर से बाहर निकलता है।
पंपिंग ज्यामिति: पार्श्व बनाम अंत पंपिंग
| पंपिंग विधि | विवरण | आवेदन | लाभ | चुनौतियां |
|---|---|---|---|---|
| साइड पंपिंग | पंप प्रकाश को लेजर माध्यम के लंबवत दिशा में डाला जाता है। | रॉड या फाइबर लेजर | पंप की रोशनी का समान वितरण, उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त | असमान लाभ वितरण, निम्न बीम गुणवत्ता |
| पंपिंग समाप्त करें | पंप प्रकाश को लेजर किरण के समान अक्ष के अनुदिश निर्देशित किया जाता है। | Nd:YAG जैसे सॉलिड-स्टेट लेजर | समान लाभ वितरण, उच्चतर बीम गुणवत्ता | उच्च-शक्ति वाले लेज़रों में जटिल संरेखण और कम कुशल ऊष्मा अपव्यय। |
प्रभावी पंप लाइट के लिए आवश्यकताएँ
| मांग | महत्त्व | प्रभाव/संतुलन | अतिरिक्त टिप्पणी |
|---|---|---|---|
| स्पेक्ट्रम उपयुक्तता | तरंगदैर्ध्य लेजर माध्यम के अवशोषण स्पेक्ट्रम से मेल खाना चाहिए। | यह कुशल अवशोषण और प्रभावी जनसंख्या व्युत्क्रमण सुनिश्चित करता है। | - |
| तीव्रता | वांछित उत्तेजना स्तर के लिए पर्याप्त उच्च होना चाहिए | अत्यधिक तीव्रता से ऊष्मीय क्षति हो सकती है; बहुत कम तीव्रता से जनसंख्या व्युत्क्रमण प्राप्त नहीं होगा। | - |
| बीम की गुणवत्ता | एंड-पंप्ड लेजरों में यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। | यह कुशल युग्मन सुनिश्चित करता है और उत्सर्जित लेजर बीम की गुणवत्ता में योगदान देता है। | पंप लाइट और लेजर मोड वॉल्यूम के सटीक ओवरलैप के लिए उच्च बीम गुणवत्ता अत्यंत महत्वपूर्ण है। |
| ध्रुवीकरण | विषमदैशिक गुणों वाले माध्यमों के लिए आवश्यक | यह अवशोषण दक्षता को बढ़ाता है और उत्सर्जित लेजर प्रकाश के ध्रुवीकरण को प्रभावित कर सकता है। | विशिष्ट ध्रुवीकरण अवस्था आवश्यक हो सकती है |
| तीव्रता शोर | कम शोर स्तर अत्यंत महत्वपूर्ण हैं | पंप प्रकाश की तीव्रता में उतार-चढ़ाव लेजर आउटपुट की गुणवत्ता और स्थिरता को प्रभावित कर सकता है। | उच्च स्थिरता और सटीकता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण। |
पोस्ट करने का समय: 01 दिसंबर 2023