लेजर का सिद्धांत: लेजर विकिरण की विशेषताएं

2024 लेखक: Angel Austin | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-02 17:47

लेजर का पहला सिद्धांत, जिसका भौतिकी प्लांक के विकिरण के नियम पर आधारित था, सैद्धांतिक रूप से आइंस्टीन द्वारा 1917 में प्रमाणित किया गया था। उन्होंने संभाव्यता गुणांक (आइंस्टीन गुणांक) का उपयोग करके अवशोषण, सहज और उत्तेजित विद्युत चुम्बकीय विकिरण का वर्णन किया।

पायनियर्स

थियोडोर मीमन एक फ्लैश लैंप के साथ सिंथेटिक रूबी के ऑप्टिकल पंपिंग पर आधारित रूबी लेजर के संचालन के सिद्धांत को प्रदर्शित करने वाले पहले व्यक्ति थे, जिसने 694 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ स्पंदित सुसंगत विकिरण का उत्पादन किया।

1960 में, ईरानी वैज्ञानिक जावन और बेनेट ने He और Ne गैसों के 1:10 मिश्रण का उपयोग करके पहला गैस क्वांटम जनरेटर बनाया।

1962 में, RN हॉल ने 850 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर उत्सर्जक पहले गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) डायोड लेजर का प्रदर्शन किया। उस वर्ष बाद में, निक गोलोनीक ने पहला सेमीकंडक्टर दृश्यमान प्रकाश क्वांटम जनरेटर विकसित किया।

लेजरों के संचालन का डिजाइन और सिद्धांत

प्रत्येक लेजर प्रणाली में एक सक्रिय माध्यम रखा जाता हैवैकल्पिक रूप से समानांतर और अत्यधिक परावर्तक दर्पणों की एक जोड़ी के बीच, जिनमें से एक पारभासी है, और इसके पंपिंग के लिए एक ऊर्जा स्रोत है। प्रवर्धन माध्यम एक ठोस, तरल या गैस हो सकता है, जिसमें विद्युत या ऑप्टिकल पंपिंग के साथ उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा इसके माध्यम से गुजरने वाली प्रकाश तरंग के आयाम को बढ़ाने की संपत्ति होती है। एक पदार्थ को दर्पणों की एक जोड़ी के बीच इस तरह रखा जाता है कि उनमें से परावर्तित प्रकाश हर बार इसके माध्यम से गुजरता है और एक महत्वपूर्ण प्रवर्धन तक पहुँचकर, एक पारभासी दर्पण में प्रवेश करता है।

दो स्तरीय वातावरण

आइए एक सक्रिय माध्यम के साथ एक लेज़र के संचालन के सिद्धांत पर विचार करें, जिसके परमाणुओं में केवल दो ऊर्जा स्तर होते हैं: उत्तेजित E₂ और मूल E_{1. यदि परमाणु किसी पंपिंग तंत्र (ऑप्टिकल, इलेक्ट्रिक डिस्चार्ज, करंट ट्रांसमिशन या इलेक्ट्रॉन बमबारी) द्वारा E}2 _{अवस्था में उत्तेजित होते हैं, तो कुछ नैनोसेकंड के बाद वे फोटॉन उत्सर्जित करते हुए जमीन की स्थिति में लौट आएंगे। ऊर्जा का hν=E} 2 _{- E}1_{। आइंस्टीन के सिद्धांत के अनुसार, उत्सर्जन दो अलग-अलग तरीकों से उत्पन्न होता है: या तो यह एक फोटॉन द्वारा प्रेरित होता है, या यह अनायास होता है। पहले मामले में, उत्तेजित उत्सर्जन होता है, और दूसरे में, सहज उत्सर्जन। थर्मल संतुलन पर, उत्तेजित उत्सर्जन की संभावना सहज उत्सर्जन (1:10}33^{) की तुलना में बहुत कम है, इसलिए अधिकांश पारंपरिक प्रकाश स्रोत असंगत हैं, और थर्मल के अलावा अन्य स्थितियों में लेजर पीढ़ी संभव है। संतुलन।}

बहुत मजबूत के साथ भीपम्पिंग, दो-स्तरीय प्रणालियों की जनसंख्या को केवल समान बनाया जा सकता है। इसलिए, ऑप्टिकल या अन्य पंपिंग विधियों द्वारा जनसंख्या उलटाव प्राप्त करने के लिए तीन या चार-स्तरीय प्रणालियों की आवश्यकता होती है।

मल्टीलेवल सिस्टम

तीन स्तरीय लेजर का सिद्धांत क्या है? आवृत्ति के तीव्र प्रकाश के साथ विकिरण ν₀₂ सबसे कम ऊर्जा स्तर E₀ से उच्चतम ऊर्जा स्तर E _{तक बड़ी संख्या में परमाणुओं को पंप करता है 2}। E₂ से E₁ तक परमाणुओं का गैर-विकिरणीय संक्रमण E₁ और E _{के बीच एक जनसंख्या व्युत्क्रम स्थापित करता है 0} , जो व्यवहार में तभी संभव है जब परमाणु लंबे समय तक मेटास्टेबल अवस्था में हों E_1, और E_{2 से संक्रमणसे ई 1} तेजी से जा रहा है। तीन-स्तरीय लेजर के संचालन का सिद्धांत इन शर्तों को पूरा करना है, जिसके कारण E₀ और E₁ के बीच जनसंख्या व्युत्क्रमण प्राप्त होता है और फोटॉन ऊर्जा द्वारा प्रवर्धित हैं E ₁-E₀ प्रेरित उत्सर्जन। E₂ का एक व्यापक स्तर अधिक कुशल पंपिंग के लिए तरंग दैर्ध्य अवशोषण सीमा को बढ़ा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप उत्तेजित उत्सर्जन में वृद्धि हो सकती है।

तीन-स्तरीय प्रणाली के लिए बहुत अधिक पंप शक्ति की आवश्यकता होती है, क्योंकि उत्पादन में शामिल निचला स्तर आधार एक होता है। इस मामले में, जनसंख्या उलटा होने के लिए, परमाणुओं की कुल संख्या के आधे से अधिक को राज्य में पंप किया जाना चाहिए E_{1। ऐसा करने में ऊर्जा का अपव्यय होता है। पम्पिंग शक्ति महत्वपूर्ण हो सकती हैकम करें यदि निम्न पीढ़ी का स्तर आधार एक नहीं है, जिसके लिए कम से कम चार-स्तरीय प्रणाली की आवश्यकता होती है।}

सक्रिय पदार्थ की प्रकृति के आधार पर, लेजर को तीन मुख्य श्रेणियों, ठोस, तरल और गैस में विभाजित किया जाता है। 1958 के बाद से, जब पहली बार लेसिंग को रूबी क्रिस्टल में देखा गया था, वैज्ञानिकों और शोधकर्ताओं ने प्रत्येक श्रेणी में विभिन्न प्रकार की सामग्रियों का अध्ययन किया है।

सॉलिड स्टेट लेजर

ऑपरेशन का सिद्धांत एक सक्रिय माध्यम के उपयोग पर आधारित है, जो एक संक्रमण समूह धातु को इन्सुलेटिंग क्रिस्टल जाली में जोड़कर बनता है (Ti⁺³, Cr +3, वी⁺², С⁺², नी^{+2, Fe} +2^{, आदि), दुर्लभ पृथ्वी आयन (Ce}+3^{, Pr}+3, एनडी +3^{, पीएम}+3^{, एसएम}+2^{, यूरो +2, +3} , टीबी⁺³, उप⁺³, हो^{+3, Er} +3^{, Yb}+3^{, आदि), और एक्टिनाइड्स जैसे U}+3. आयनों का ऊर्जा स्तर केवल उत्पादन के लिए जिम्मेदार होता है। आधार सामग्री के भौतिक गुण, जैसे तापीय चालकता और तापीय विस्तार, कुशल लेजर संचालन के लिए आवश्यक हैं। एक डोप किए गए आयन के चारों ओर जाली परमाणुओं की व्यवस्था इसके ऊर्जा स्तर को बदल देती है। सक्रिय माध्यम में पीढ़ी के विभिन्न तरंग दैर्ध्य एक ही आयन के साथ विभिन्न सामग्रियों को डोपिंग करके प्राप्त किए जाते हैं।

होल्मियम लेजर

सॉलिड-स्टेट लेजर का एक उदाहरण एक क्वांटम जनरेटर है, जिसमें होल्मियम क्रिस्टल जाली के आधार पदार्थ के एक परमाणु को बदल देता है।हो: YAG सबसे अच्छी पीढ़ी की सामग्री में से एक है। होल्मियम लेजर के संचालन का सिद्धांत यह है कि येट्रियम एल्युमिनियम गार्नेट को होल्मियम आयनों के साथ डोप किया जाता है, वैकल्पिक रूप से एक फ्लैश लैंप द्वारा पंप किया जाता है और आईआर रेंज में 2097 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर उत्सर्जित होता है, जो ऊतकों द्वारा अच्छी तरह से अवशोषित होता है। इस लेजर का उपयोग जोड़ों पर ऑपरेशन, दांतों के उपचार में, कैंसर कोशिकाओं, गुर्दे और पित्त पथरी के वाष्पीकरण के लिए किया जाता है।

अर्धचालक क्वांटम जनरेटर

क्वांटम वेल लेज़र सस्ते, बड़े पैमाने पर उत्पादन योग्य और आसानी से मापनीय हैं। अर्धचालक लेजर के संचालन का सिद्धांत पीएन जंक्शन डायोड के उपयोग पर आधारित है, जो एल ई डी के समान सकारात्मक पूर्वाग्रह पर वाहक पुनर्संयोजन द्वारा एक निश्चित तरंग दैर्ध्य का प्रकाश उत्पन्न करता है। एलईडी अनायास उत्सर्जित होती है, और लेजर डायोड - मजबूर। जनसंख्या उलटने की स्थिति को पूरा करने के लिए, ऑपरेटिंग करंट को थ्रेशोल्ड मान से अधिक होना चाहिए। अर्धचालक डायोड में सक्रिय माध्यम में दो द्वि-आयामी परतों के जोड़ने वाले क्षेत्र का रूप होता है।

इस प्रकार के लेजर के संचालन का सिद्धांत ऐसा है कि दोलनों को बनाए रखने के लिए किसी बाहरी दर्पण की आवश्यकता नहीं होती है। परतों के अपवर्तनांक और सक्रिय माध्यम के आंतरिक परावर्तन द्वारा निर्मित परावर्तन इस उद्देश्य के लिए पर्याप्त है। डायोड की अंतिम सतहों को चिपकाया जाता है, जो सुनिश्चित करता है कि परावर्तक सतह समानांतर हैं।

एक ही प्रकार के अर्धचालक पदार्थों द्वारा बनने वाले कनेक्शन को होमोजंक्शन कहा जाता है, और दो अलग-अलग लोगों के कनेक्शन द्वारा बनाए गए कनेक्शन को कहा जाता हैविषमसंबंध।

P- और n-प्रकार के अर्धचालक उच्च वाहक घनत्व के साथ एक बहुत पतली (≈1 µm) अवक्षय परत के साथ एक p-n जंक्शन बनाते हैं।

गैस लेजर

इस प्रकार के लेजर के संचालन और उपयोग का सिद्धांत आपको लगभग किसी भी शक्ति (मिलीवाट से मेगावाट तक) और तरंग दैर्ध्य (यूवी से आईआर तक) के उपकरण बनाने की अनुमति देता है और आपको स्पंदित और निरंतर मोड में काम करने की अनुमति देता है।. सक्रिय मीडिया की प्रकृति के आधार पर, तीन प्रकार के गैस क्वांटम जनरेटर हैं, अर्थात् परमाणु, आयनिक और आणविक।

ज्यादातर गैस लेज़रों को बिजली के डिस्चार्ज के साथ पंप किया जाता है। डिस्चार्ज ट्यूब में इलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रोड के बीच विद्युत क्षेत्र द्वारा त्वरित किया जाता है। वे सक्रिय माध्यम के परमाणुओं, आयनों या अणुओं से टकराते हैं और उच्च ऊर्जा स्तरों में संक्रमण को प्रेरित करते हैं ताकि जनसंख्या उलटा और प्रेरित उत्सर्जन प्राप्त कर सकें।

आणविक लेजर

लेजर का संचालन सिद्धांत इस तथ्य पर आधारित है कि, पृथक परमाणुओं और आयनों के विपरीत, परमाणु और आयन क्वांटम जनरेटर में अणुओं में असतत ऊर्जा स्तरों के व्यापक ऊर्जा बैंड होते हैं। इसके अलावा, प्रत्येक इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा स्तर में बड़ी संख्या में कंपन स्तर होते हैं, और बदले में, उनके कई घूर्णन स्तर होते हैं।

इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा स्तरों के बीच की ऊर्जा यूवी और स्पेक्ट्रम के दृश्य क्षेत्रों में होती है, जबकि कंपन-घूर्णन स्तरों के बीच - दूर और निकट आईआर मेंक्षेत्र। इस प्रकार, अधिकांश आणविक क्वांटम जनरेटर दूर या निकट अवरक्त क्षेत्रों में काम करते हैं।

एक्सीमर लेज़र

Excimers ArF, KrF, XeCl जैसे अणु होते हैं, जिनकी एक अलग जमीनी अवस्था होती है और वे पहले स्तर पर स्थिर होते हैं। लेजर के संचालन का सिद्धांत इस प्रकार है। एक नियम के रूप में, जमीनी अवस्था में अणुओं की संख्या कम होती है, इसलिए जमीनी अवस्था से सीधे पंपिंग संभव नहीं है। अक्रिय गैसों के साथ उच्च-ऊर्जा हैलाइडों को मिलाकर पहली उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक अवस्था में अणु बनते हैं। व्युत्क्रम की जनसंख्या आसानी से प्राप्त की जाती है, क्योंकि आधार स्तर पर अणुओं की संख्या उत्तेजित की तुलना में बहुत कम होती है। एक लेज़र का संचालन सिद्धांत, संक्षेप में, एक बाध्य उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक अवस्था से एक विघटनकारी जमीनी अवस्था में संक्रमण है। जमीनी अवस्था में जनसंख्या हमेशा निम्न स्तर पर रहती है, क्योंकि इस बिंदु पर अणु परमाणुओं में अलग हो जाते हैं।

लेजरों के संचालन का उपकरण और सिद्धांत यह है कि डिस्चार्ज ट्यूब हैलाइड (F₂) और रेयर अर्थ गैस (Ar) के मिश्रण से भरी होती है। इसमें मौजूद इलेक्ट्रॉन हैलाइड अणुओं को अलग और आयनित करते हैं और नकारात्मक रूप से आवेशित आयन बनाते हैं। धनात्मक आयन Ar⁺ और ऋणात्मक F^{- प्रतिक्रिया करते हैं और पहले उत्तेजित बाध्य अवस्था में ArF अणुओं का निर्माण करते हैं, जो बाद में प्रतिकारक आधार अवस्था और पीढ़ी के लिए उनके संक्रमण के साथ होते हैं। सुसंगत विकिरण। एक्सीमर लेजर, संचालन और अनुप्रयोग का सिद्धांत जिसके बारे में हम अब विचार कर रहे हैं, का उपयोग पंप करने के लिए किया जा सकता हैरंगों पर सक्रिय माध्यम।}

तरल लेजर

ठोस की तुलना में, तरल पदार्थ अधिक सजातीय होते हैं और गैसों की तुलना में सक्रिय परमाणुओं का घनत्व अधिक होता है। इसके अलावा, वे निर्माण में आसान होते हैं, आसान गर्मी अपव्यय की अनुमति देते हैं और आसानी से बदले जा सकते हैं। लेजर का संचालन सिद्धांत एक सक्रिय माध्यम के रूप में कार्बनिक रंगों का उपयोग करना है, जैसे कि डीसीएम (4-डाइसायनोमेथिलीन-2-मिथाइल-6-पी-डाइमिथाइलैमिनोस्टीरिल -4 एच-पाइरन), रोडामाइन, स्टायरिल, एलडीएस, क्यूमरिन, स्टिलबिन, आदि। …, एक उपयुक्त विलायक में भंग। डाई अणुओं का एक घोल विकिरण से उत्तेजित होता है जिसकी तरंग दैर्ध्य में अवशोषण गुणांक अच्छा होता है। लेजर के संचालन का सिद्धांत, संक्षेप में, एक लंबी तरंग दैर्ध्य पर उत्पन्न करना है, जिसे फ्लोरोसेंस कहा जाता है। अवशोषित ऊर्जा और उत्सर्जित फोटॉन के बीच का अंतर गैर-विकिरणीय ऊर्जा संक्रमणों द्वारा उपयोग किया जाता है और सिस्टम को गर्म करता है।

तरल क्वांटम जनरेटर के व्यापक प्रतिदीप्ति बैंड की एक अनूठी विशेषता है - तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग। एक ट्यून करने योग्य और सुसंगत प्रकाश स्रोत के रूप में इस प्रकार के लेजर के संचालन और उपयोग का सिद्धांत स्पेक्ट्रोस्कोपी, होलोग्राफी और बायोमेडिकल अनुप्रयोगों में तेजी से महत्वपूर्ण होता जा रहा है।

हाल ही में, आइसोटोप पृथक्करण के लिए डाई क्वांटम जनरेटर का उपयोग किया गया है। इस मामले में, लेजर उनमें से एक को चुनिंदा रूप से उत्तेजित करता है, जिससे उन्हें रासायनिक प्रतिक्रिया में प्रवेश करने के लिए प्रेरित किया जाता है।