लेजर का डिज़ाइन और उपयोग। लेजर ऑपरेशन का सिद्धांत: लेजर विकिरण की विशेषताएं लेजर का व्यावहारिक उपयोग
आजकल ऐसे व्यक्ति को ढूंढना मुश्किल है जिसने यह शब्द कभी न सुना हो "लेज़र"हालाँकि, बहुत कम लोग स्पष्ट रूप से समझते हैं कि यह क्या है।
लेजर के आविष्कार के बाद से आधी सदी अलग - अलग प्रकारचिकित्सा से लेकर डिजिटल प्रौद्योगिकी तक, कई क्षेत्रों में इसका अनुप्रयोग पाया गया है। तो लेज़र क्या है, इसके संचालन का सिद्धांत क्या है और यह किस लिए है?
लेजर क्या है?
लेजर के अस्तित्व की संभावना की भविष्यवाणी अल्बर्ट आइंस्टीन ने की थी, जिन्होंने 1917 में एक पेपर प्रकाशित किया था जिसमें एक निश्चित लंबाई के प्रकाश क्वांटा उत्सर्जित करने वाले इलेक्ट्रॉनों की संभावना के बारे में बात की गई थी। इस घटना को उत्तेजित उत्सर्जन कहा जाता था, लेकिन कब काइसे तकनीकी दृष्टि से अवास्तविक माना गया।
हालाँकि, तकनीकी और तकनीकी क्षमताओं के विकास के साथ, लेजर का निर्माण समय की बात बन गया। 1954 में, सोवियत वैज्ञानिक एन. बसोव और ए. प्रोखोरोव ने प्राप्त किया नोबेल पुरस्कारमेसर के निर्माण के लिए, अमोनिया द्वारा संचालित पहला माइक्रोवेव जनरेटर। और 1960 में, अमेरिकी टी. मैमन ने ऑप्टिकल बीम का पहला क्वांटम जनरेटर बनाया, जिसे उन्होंने लेजर (विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन) कहा। उपकरण ऊर्जा को संकीर्ण-दिशात्मक ऑप्टिकल विकिरण में परिवर्तित करता है, अर्थात। प्रकाश किरण, उच्च सांद्रता वाले प्रकाश क्वांटा (फोटॉन) की एक धारा।
लेजर संचालन सिद्धांत
वह घटना जिस पर लेज़र का संचालन आधारित होता है, माध्यम का मजबूर या प्रेरित विकिरण कहलाता है। एक निश्चित पदार्थ के परमाणु अन्य फोटॉन के प्रभाव में फोटॉन उत्सर्जित कर सकते हैं, और अभिनय फोटॉन की ऊर्जा विकिरण से पहले और बाद में परमाणु के ऊर्जा स्तर के बीच के अंतर के बराबर होनी चाहिए।
उत्सर्जित फोटॉन उस फोटॉन के साथ सुसंगत है जो विकिरण का कारण बना, अर्थात। बिल्कुल पहले फोटॉन की तरह। परिणामस्वरूप, माध्यम में प्रकाश का कमजोर प्रवाह बढ़ जाता है, और अव्यवस्थित रूप से नहीं, बल्कि एक निश्चित दिशा में। उत्तेजित विकिरण की एक किरण बनती है, जिसे लेज़र कहते हैं।
लेजर वर्गीकरण
जैसे-जैसे लेज़रों की प्रकृति और गुणों का पता लगाया गया, विभिन्न प्रकारये किरणें. प्रारंभिक पदार्थ की स्थिति के आधार पर, लेज़र हो सकते हैं:
- गैस;
- तरल;
- ठोस अवस्था;
- मुक्त इलेक्ट्रॉनों पर.
वर्तमान में, लेजर बीम के उत्पादन के लिए कई तरीके विकसित किए गए हैं:
- गैसीय वातावरण में विद्युत चमक या आर्क डिस्चार्ज का उपयोग करना - गैस डिस्चार्ज;
- गर्म गैस के विस्तार और जनसंख्या व्युत्क्रम के निर्माण का उपयोग करना - गैस गतिशील;
- माध्यम के उत्तेजना के साथ अर्धचालक के माध्यम से विद्युत धारा प्रवाहित करके - डायोड या इंजेक्शन;
- फ्लैश लैंप, एलईडी, अन्य लेजर, आदि के साथ माध्यम की ऑप्टिकल पंपिंग द्वारा;
- माध्यम के इलेक्ट्रॉन बीम पंपिंग द्वारा;
- जब परमाणु रिएक्टर से विकिरण आता है तो परमाणु पम्पिंग;
- विशेष रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करना - रासायनिक लेजर।
इन सभी की अपनी-अपनी विशेषताएं और अंतर हैं, जिसकी बदौलत इनका उपयोग उद्योग के विभिन्न क्षेत्रों में किया जाता है।
लेजर का व्यावहारिक उपयोग
आज लेजर अलग - अलग प्रकारदर्जनों उद्योगों, चिकित्सा, आईटी प्रौद्योगिकियों और गतिविधि के अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है। उनकी सहायता से निम्नलिखित कार्य किये जाते हैं:
- धातुओं, प्लास्टिक और अन्य सामग्रियों की कटाई और वेल्डिंग;
- चित्र, शिलालेख लगाना और उत्पादों की सतह पर अंकन करना;
- अति-पतले छेदों की ड्रिलिंग, अर्धचालक क्रिस्टल भागों की सटीक मशीनिंग;
- छिड़काव, सरफेसिंग, सतह मिश्रधातु आदि द्वारा उत्पाद कोटिंग्स का निर्माण;
- फ़ाइबरग्लास का उपयोग करके सूचना पैकेट का प्रसारण;
- सर्जिकल ऑपरेशन और अन्य चिकित्सीय हस्तक्षेप करना;
- त्वचा के कायाकल्प, दोषपूर्ण संरचनाओं को हटाने आदि के लिए कॉस्मेटिक प्रक्रियाएं;
- छोटे हथियारों से लेकर मिसाइलों तक विभिन्न प्रकार के हथियारों को निशाना बनाना;
- होलोग्राफिक विधियों का निर्माण और उपयोग;
- विभिन्न शोध कार्यों में अनुप्रयोग;
- दूरियों, निर्देशांकों, कार्यशील मीडिया का घनत्व, प्रवाह गति और कई अन्य मापदंडों का माप;
- विभिन्न तकनीकी प्रक्रियाओं को पूरा करने के लिए रासायनिक प्रतिक्रियाएँ शुरू करना।
ऐसे कई और क्षेत्र हैं जिनमें लेजर का उपयोग पहले से ही किया जा रहा है या निकट भविष्य में इसका उपयोग किया जाएगा।
लेज़र 20वीं सदी के सबसे प्रभावशाली और उपयोगी आविष्कारों में से एक है, जिसने मानवता के लिए बड़ी संख्या में गतिविधि के नए क्षेत्र खोले।
सबसे पहले, आइए जानें कि लेजर क्या है?
लेज़र किरण एक सुसंगत, मोनोक्रोम, ध्रुवीकृत, संकीर्ण रूप से निर्देशित प्रकाश प्रवाह है। मानवीय संदर्भ में, इसका अर्थ निम्नलिखित है:
- सुसंगत - यानी, जहां सभी स्रोतों से विकिरण की आवृत्ति समकालिक होती है (और हमें यह समझना चाहिए कि प्रकाश परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित एक विद्युत चुम्बकीय तरंग है और इसकी अपनी आवृत्ति होती है)।
- मोनोक्रोम का अर्थ है तरंग दैर्ध्य की एक संकीर्ण सीमा में केंद्रित।
- ध्रुवीकृत - एक दिशात्मक कंपन वेक्टर होना विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र(यह कंपन ही एक प्रकाश तरंग है)।
एक शब्द में, यह न केवल समकालिक स्रोतों द्वारा उत्सर्जित प्रकाश की किरण है, बल्कि एक बहुत ही संकीर्ण सीमा में और दिशात्मक रूप से भी उत्सर्जित होती है। एक प्रकार का अत्यंत संकेंद्रित प्रकाश प्रवाह।
लेजर उपकरण.
यदि वे नहीं जानते कि इसे कैसे बनाया जाए तो लेज़र की भौतिक अवधारणा बहुत उपयोगी नहीं होगी। डिवाइस का आधार एक ऑप्टिकल क्वांटम जनरेटर है, जो विद्युत, रासायनिक, थर्मल या किसी अन्य ऊर्जा का उपयोग करके एक लेजर बीम उत्पन्न करता है। और वह इसे मजबूर या, जैसा कि वे भी कहते हैं, प्रेरित विकिरण के माध्यम से उत्पन्न करते हैं - अर्थात, जब एक परमाणु जिसमें एक फोटॉन (प्रकाश का कण) गिरता है, तो उसे अवशोषित नहीं करता है, बल्कि एक और फोटॉन उत्सर्जित करता है, जो पहले की एक सटीक प्रतिलिपि है। (सुसंगत). इस प्रकार, प्रकाश प्रवर्धित होता है।
लेजर में आमतौर पर तीन भाग होते हैं:
- ऊर्जा स्रोत या पम्पिंग तंत्र;
- कार्यात्मक द्रव;
- दर्पणों की एक प्रणाली या एक ऑप्टिकल अनुनादक।
इनमें से प्रत्येक भाग किसके लिए जिम्मेदार है:
ऊर्जा स्रोतजैसा कि नाम से स्पष्ट है, उपकरण के संचालन के लिए आवश्यक ऊर्जा की आपूर्ति करता है। लेज़र विभिन्न प्रकार की ऊर्जा का उपयोग करते हैं, जो इस पर निर्भर करता है कि वास्तव में कार्यशील तरल पदार्थ के रूप में क्या उपयोग किया जाता है। ऐसी प्रारंभिक ऊर्जा, अन्य चीज़ों के अलावा, एक अन्य प्रकाश स्रोत, साथ ही एक विद्युत निर्वहन, एक रासायनिक प्रतिक्रिया आदि भी हो सकती है। यहां यह उल्लेख किया जाना चाहिए कि प्रकाश ऊर्जा का स्थानांतरण है और एक फोटॉन न केवल एक कण या दूसरे शब्दों में, प्रकाश की एक मात्रा है, बल्कि ऊर्जा का एक कण भी है।
कार्यात्मक द्रव– यह लेज़र का सबसे महत्वपूर्ण घटक है। यह वास्तव में वह शरीर है जिसमें सुसंगत फोटॉन उत्सर्जित करने वाले परमाणु होते हैं। सुसंगत फोटॉन के उत्सर्जन की प्रक्रिया को घटित करने के लिए, कार्यशील द्रव को ऊर्जा पंपिंग के अधीन किया जाता है, जो मोटे तौर पर इस तथ्य की ओर ले जाता है कि अधिकांशकार्यशील तरल पदार्थ बनाने वाले परमाणु एक सामान्य विभाजक के साथ उत्तेजित ऊर्जा अवस्था में चले गए हैं। इस अवस्था में, रिवर्स-ग्राउंड-गैर-उत्तेजित अवस्था में संक्रमण तब होगा जब एक फोटॉन परमाणु से होकर गुजरता है, जो परमाणु की इन दो अवस्थाओं के बीच के अंतर के अनुसार उसकी ऊर्जा के अनुरूप होता है। इस प्रकार, एक उत्तेजित परमाणु, जमीनी अवस्था में संक्रमण होने पर, "इसके माध्यम से उड़ते हुए" फोटॉन में अपनी सटीक प्रतिलिपि जोड़ता है।
यह कार्यशील तरल पदार्थ है जो लेज़र की सभी सबसे महत्वपूर्ण विशेषताओं, जैसे शक्ति, रेंज, आदि को निर्धारित करता है। काम करने वाले तरल पदार्थ का चुनाव इस लेजर से हम क्या प्राप्त करना चाहते हैं, उसके आधार पर किया जाता है।
ठीक है, और, तदनुसार, यहां बहुत सारे विकल्प हैं: एकत्रीकरण की सभी अवस्थाएं (गैस, ठोस, तरल और यहां तक कि प्लाज्मा), सभी प्रकार की सामग्री, अर्धचालक का भी उपयोग किया जाता है (उदाहरण के लिए, सीडी ड्राइव में)।
ऑप्टिकल गुंजयमान यंत्र- यह कार्यशील द्रव के चारों ओर स्थित दर्पणों की एक सामान्य प्रणाली है, क्योंकि यह सभी दिशाओं में प्रकाश उत्सर्जित करती है, और हमें इसे एक संकीर्ण किरण में एकत्रित करने की आवश्यकता होती है। एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर इस उद्देश्य को पूरा करता है।
लेजर का उपयोग हर जगह किया जाता है, जब तक कि कुछ मामलों में इस तकनीक को कैसे लागू किया जाए, यह पता लगाने के लिए पर्याप्त इंजीनियरिंग विचार मौजूद हैं। चिकित्सा में, उद्योग में, रोजमर्रा की जिंदगी में, सैन्य मामलों में और यहां तक कि सूचना प्रसारित करने में भी उनका स्थान है।
चित्र दिखाता है: 1 - सक्रिय माध्यम; 2 - लेजर पंप ऊर्जा; 3 - अपारदर्शी दर्पण; 4 - पारभासी दर्पण; 5 - लेजर बीम।
सभी लेज़रों में तीन मुख्य भाग होते हैं:
सक्रिय (कार्यशील) वातावरण;
पम्पिंग सिस्टम (ऊर्जा स्रोत);
ऑप्टिकल रेज़ोनेटर (यदि लेजर एम्पलीफायर मोड में संचालित होता है तो अनुपस्थित हो सकता है)।
उनमें से प्रत्येक यह सुनिश्चित करता है कि लेज़र अपने विशिष्ट कार्य करता है।
सक्रिय वातावरण
वर्तमान में, पदार्थ की विभिन्न समुच्चय अवस्थाओं का उपयोग लेजर के कार्यशील माध्यम के रूप में किया जाता है: ठोस, तरल, गैसीय, प्लाज्मा। सामान्य अवस्था में, उत्तेजित ऊर्जा स्तरों पर स्थित परमाणुओं की संख्या बोल्ट्ज़मैन वितरण द्वारा निर्धारित की जाती है:
यहाँ एन- ऊर्जा से उत्तेजित अवस्था में परमाणुओं की संख्या ई, एन 0 - जमीनी अवस्था में परमाणुओं की संख्या, के- बोल्ट्जमैन स्थिरांक, टी- पर्यावरण का तापमान. दूसरे शब्दों में, उत्तेजित अवस्था में ऐसे परमाणु जमीनी अवस्था की तुलना में कम होते हैं, इसलिए यह संभावना कि माध्यम के माध्यम से फैलने वाला एक फोटॉन उत्तेजित उत्सर्जन का कारण बनेगा, इसके अवशोषण की संभावना की तुलना में भी छोटा है। इसलिए, एक विद्युत चुम्बकीय तरंग, किसी पदार्थ से गुजरते हुए, परमाणुओं को उत्तेजित करने के लिए अपनी ऊर्जा खर्च करती है, बौगुएर के नियम के अनुसार विकिरण की तीव्रता कम हो जाती है:
यहाँ मैं 0 - प्रारंभिक तीव्रता, मैंएल दूरी तय करने वाले विकिरण की तीव्रता है एलमामले में ए 1 पदार्थ की अवशोषण दर है. चूँकि निर्भरता घातीय है, विकिरण बहुत जल्दी अवशोषित हो जाता है।
उस स्थिति में जब उत्तेजित परमाणुओं की संख्या गैर-उत्तेजित परमाणुओं की तुलना में अधिक होती है (अर्थात, जनसंख्या व्युत्क्रमण की स्थिति में), स्थिति बिल्कुल विपरीत होती है। उत्तेजित उत्सर्जन के कार्य अवशोषण पर प्रबल होते हैं, और विकिरण कानून के अनुसार बढ़ता है:
कहाँ ए 2 - क्वांटम लाभ कारक। वास्तविक लेज़रों में, प्रवर्धन तब तक होता है जब तक कि उत्तेजित उत्सर्जन के कारण प्राप्त ऊर्जा की मात्रा अनुनादक में खोई हुई ऊर्जा की मात्रा के बराबर न हो जाए। ये नुकसान कार्यशील पदार्थ के मेटास्टेबल स्तर की संतृप्ति से जुड़े होते हैं, जिसके बाद पंपिंग ऊर्जा का उपयोग केवल इसे गर्म करने के लिए किया जाता है, साथ ही कई अन्य कारकों की उपस्थिति (माध्यम की विषमताओं द्वारा बिखराव, अशुद्धियों द्वारा अवशोषण) , प्रतिबिंबित दर्पणों की खामियां, पर्यावरण में उपयोगी और अवांछित विकिरण, आदि)।
पम्पिंग प्रणाली
लेज़र वातावरण में जनसंख्या व्युत्क्रमण बनाने के लिए विभिन्न तंत्रों का उपयोग किया जाता है। सॉलिड-स्टेट लेजर में, शक्तिशाली गैस-डिस्चार्ज फ्लैश लैंप, केंद्रित सौर विकिरण (तथाकथित ऑप्टिकल पंपिंग) और अन्य लेजर (विशेष रूप से, सेमीकंडक्टर लेजर) से विकिरण के माध्यम से हॉर्न बजाई जाती है। इस मामले में, ऑपरेशन केवल स्पंदित मोड में ही संभव है, क्योंकि बहुत अधिक पंपिंग ऊर्जा घनत्व की आवश्यकता होती है, जो लंबे समय तक एक्सपोजर के साथ, मजबूत हीटिंग और काम करने वाले पदार्थ रॉड के विनाश का कारण बनता है। गैस और तरल लेजर इलेक्ट्रिक डिस्चार्ज पंपिंग का उपयोग करते हैं। ऐसे लेजर निरंतर मोड में काम करते हैं। पम्पिंग रासायनिक लेजरउनके सक्रिय माध्यम में रासायनिक प्रतिक्रियाओं की घटना के माध्यम से होता है। इस मामले में, जनसंख्या व्युत्क्रमण या तो सीधे प्रतिक्रिया उत्पादों में होता है या ऊर्जा स्तरों की उपयुक्त संरचना के साथ विशेष रूप से पेश की गई अशुद्धियों में होता है। सेमीकंडक्टर लेजर की पंपिंग पी-एन जंक्शन के माध्यम से एक मजबूत आगे की धारा के साथ-साथ इलेक्ट्रॉनों की किरण के प्रभाव में होती है। पंपिंग के अन्य तरीके भी हैं (गैस-गतिशील, जिसमें पहले से गरम गैसों को तेजी से ठंडा करना शामिल है; फोटोडिसोसिएशन, रासायनिक पंपिंग का एक विशेष मामला, आदि)।
चित्र में: ए - तीन-स्तरीय और बी - लेजर सक्रिय माध्यम के लिए चार-स्तरीय पंपिंग सर्किट।
कार्यशील माध्यम को पंप करने के लिए क्लासिक तीन-स्तरीय प्रणाली का उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए, रूबी लेजर में। रूबी एक कोरंडम क्रिस्टल अल 2 ओ 3 है जिसे थोड़ी मात्रा में क्रोमियम आयन सीआर 3+ से मिलाया जाता है, जो लेजर विकिरण का स्रोत हैं। कोरंडम क्रिस्टल जाली के विद्युत क्षेत्र के प्रभाव के कारण, क्रोमियम का बाहरी ऊर्जा स्तर ई 2 विभाजित है (स्टार्क प्रभाव देखें)। यही वह चीज़ है जो पंपिंग के रूप में गैर-मोनोक्रोमैटिक विकिरण का उपयोग करना संभव बनाती है। इस स्थिति में, परमाणु ऊर्जा के साथ जमीनी अवस्था से गुजरता है ई 0 को लेकर ऊर्जा से उत्साहित हूं ई 2. एक परमाणु इस अवस्था में अपेक्षाकृत कम समय (लगभग 10−8 s) तक रह सकता है; स्तर पर एक गैर-विकिरणीय संक्रमण लगभग तुरंत होता है ई 1, जहां एक परमाणु अधिक समय तक (10 −3 सेकेंड तक) रह सकता है, यह तथाकथित मेटास्टेबल स्तर है। अन्य यादृच्छिक फोटॉन के प्रभाव में प्रेरित विकिरण की संभावना उत्पन्न होती है। जैसे ही मेटास्टेबल अवस्था में मुख्य अवस्था की तुलना में अधिक परमाणु होते हैं, उत्पादन प्रक्रिया शुरू हो जाती है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि जनसंख्या बनाने के लिए क्रोमियम परमाणुओं का व्युत्क्रम स्तर से सीधे पंपिंग का उपयोग किया जाता है ई 0 प्रति स्तर ई 1 संभव नहीं है. यह इस तथ्य के कारण है कि यदि अवशोषण और उत्तेजित उत्सर्जन दो स्तरों के बीच होता है, तो दोनों प्रक्रियाएं एक ही दर पर होती हैं। इसलिए, इस मामले में, पंपिंग केवल दो स्तरों की आबादी को बराबर कर सकती है, जो लेज़िंग होने के लिए पर्याप्त नहीं है।
कुछ लेजर, उदाहरण के लिए नियोडिमियम लेजर, जिसमें नियोडिमियम एनडी 3+ आयनों का उपयोग करके विकिरण उत्पन्न होता है, चार-स्तरीय पंपिंग योजना का उपयोग करते हैं। यहां मेटास्टेबल के बीच ई 2 और मुख्य स्तर ई 0 एक मध्यवर्ती - कार्य स्तर है ई 1. उत्तेजित उत्सर्जन तब होता है जब एक परमाणु स्तरों के बीच संक्रमण करता है ई 2 और ई 1. इस योजना का लाभ यह है कि इस मामले में जनसंख्या उलटा स्थिति को पूरा करना आसान है, क्योंकि ऊपरी परिचालन स्तर का जीवनकाल है ( ई 2) निचले स्तर के जीवनकाल से अधिक परिमाण के कई ऑर्डर ( ई 1). यह पंप स्रोत की आवश्यकताओं को काफी कम कर देता है। इसके अलावा, ऐसी योजना निरंतर मोड में काम करने वाले उच्च-शक्ति लेजर बनाना संभव बनाती है, जो कुछ अनुप्रयोगों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। हालाँकि, ऐसे लेज़रों में कम क्वांटम दक्षता के रूप में एक महत्वपूर्ण खामी है, जिसे उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा और अवशोषित पंप फोटॉन की ऊर्जा के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है (η क्वांटम = hν विकिरण / hν पंप)
लेजर में आवश्यक रूप से तीन मुख्य घटक होते हैं:
1) सक्रिय माध्यम, जिसमें जनसंख्या व्युत्क्रमण वाले राज्य बनाये जाते हैं;
2) प्रणालीपंप− सक्रिय माध्यम में उलटा पैदा करने के लिए उपकरण;
3) ऑप्टिकलगुंजयमान यंत्र के बारे में- एक उपकरण जो फोटॉन बीम की दिशा को आकार देता है।
इसके अलावा, ऑप्टिकल रेज़ोनेटर को लेजर विकिरण के एकाधिक प्रवर्धन के लिए डिज़ाइन किया गया है।
वर्तमान में जैसे सक्रिय (कार्यरत) पर्यावरण लेज़र पदार्थ की विभिन्न समुच्चय अवस्थाओं का उपयोग करते हैं: ठोस, तरल, गैसीय, प्लाज्मा।
लेज़र वातावरण की व्युत्क्रम जनसंख्या बनाने के लिए, विभिन्न पम्पिंग के तरीके . लेजर को या तो लगातार पंप किया जा सकता है या स्पंदित किया जा सकता है। दीर्घकालिक (निरंतर) मोड में, सक्रिय माध्यम में पेश की गई पंप शक्ति सक्रिय माध्यम और संबंधित घटनाओं के अधिक गरम होने से सीमित होती है। एकल पल्स मोड में, निरंतर मोड में एक ही समय की तुलना में सक्रिय माध्यम में काफी अधिक ऊर्जा डालना संभव है। इसके परिणामस्वरूप एकल नाड़ी की शक्ति अधिक हो जाती है।
क्वांटम जनरेटर दृश्यमान में उत्सर्जित होता है और अवरक्त विकिरण, लेज़र कहलाते हैं। शब्द "लेजर" अभिव्यक्ति का संक्षिप्त रूप है: विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन, जिसका अर्थ है प्रेरित या, जैसा कि कभी-कभी कहा जाता है, क्वांटा के उत्तेजित उत्सर्जन के परिणामस्वरूप प्रकाश का प्रवर्धन।
लेजर उपकरण
एक सामान्यीकृत लेजर में एक लेजर सक्रिय माध्यम, एक "पंपिंग" प्रणाली - एक वोल्टेज स्रोत और एक ऑप्टिकल कैविटी होती है।
पंपिंग प्रणाली ऊर्जा को लेजर माध्यम के परमाणुओं या अणुओं में स्थानांतरित करती है, जिससे उन्हें जनसंख्या उलटा पैदा करने वाली उत्तेजित "मेटास्टेबल स्थिति" में जाने का अवसर मिलता है।
· ऑप्टिकल पंपिंग लेजर पदार्थ में ऊर्जा स्थानांतरित करने के लिए किसी स्रोत द्वारा प्रदान किए गए फोटॉन का उपयोग करता है, जैसे कि क्सीनन गैस से भरे फ्लैश लैंप या अन्य लेजर। ऑप्टिकल स्रोत को ऐसे फोटॉन प्रदान करने चाहिए जो लेजर सामग्री में स्वीकार्य संक्रमण स्तरों से मेल खाते हों।
· टकराव पंपिंग लेजर पदार्थ के परमाणुओं (या अणुओं) के साथ टकराव के परिणामस्वरूप लेजर पदार्थ में ऊर्जा के हस्तांतरण पर आधारित है। साथ ही, अनुमेय संक्रमणों के अनुरूप ऊर्जा भी प्रदान की जानी चाहिए। यह आमतौर पर शुद्ध गैस या ट्यूब में गैसों के मिश्रण में विद्युत निर्वहन का उपयोग करके पूरा किया जाता है।
· रासायनिक प्रणालीपंप लेजर पदार्थ को मेटास्टेबल अवस्था में बदलने के लिए रासायनिक प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप जारी बाध्यकारी ऊर्जा का उपयोग करते हैं।
लेज़र में वांछित बल प्रदान करने और वांछित दिशा में चलने वाले फोटॉन का चयन करने के लिए एक ऑप्टिकल कैविटी की आवश्यकता होती है। जब जनसंख्या व्युत्क्रमण की मेटास्टेबल अवस्था में पहला परमाणु या अणु डिस्चार्ज हो जाता है, तो उत्तेजित उत्सर्जन के कारण, यह मेटास्टेबल अवस्था में अन्य परमाणुओं या अणुओं का डिस्चार्ज शुरू कर देता है। यदि फोटॉन लेजर पदार्थ की दीवारों की ओर बढ़ते हैं, आमतौर पर एक रॉड या ट्यूब, तो वे खो जाते हैं और प्रवर्धन प्रक्रिया बाधित हो जाती है। यद्यपि वे रॉड या पाइप की दीवारों से प्रतिबिंबित हो सकते हैं, देर-सबेर वे सिस्टम से गायब हो जाएंगे और बीम के निर्माण में योगदान नहीं देंगे।
दूसरी ओर, यदि नष्ट हुए परमाणुओं या अणुओं में से एक लेजर पदार्थ की धुरी के समानांतर एक फोटॉन छोड़ता है, तो यह दूसरे फोटॉन की रिहाई शुरू कर सकता है, और वे दोनों उत्पन्न करने वाली छड़ के अंत में एक दर्पण द्वारा प्रतिबिंबित होंगे। या ट्यूब. परावर्तित फोटॉन फिर पदार्थ के माध्यम से वापस गुजरते हैं, ठीक उसी पथ पर आगे विकिरण शुरू करते हैं, जो फिर से लेजर पदार्थ के सिरों पर दर्पणों द्वारा परिलक्षित होता है। जब तक यह प्रवर्धन प्रक्रिया जारी रहती है, कुछ प्रवर्धन हमेशा आंशिक रूप से परावर्तक दर्पण के माध्यम से बाहर निकलता रहेगा। जैसे ही इस प्रक्रिया का लाभ या लाभ कैविटी से होने वाले नुकसान से अधिक हो जाता है, लेज़िंग शुरू हो जाती है। इस प्रकार, सुसंगत प्रकाश की एक संकीर्ण, केंद्रित किरण बनती है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रकाश किरणें अक्ष के समानांतर हैं, लेजर ऑप्टिकल कैविटी में दर्पणों को सटीक रूप से समायोजित किया जाना चाहिए। स्वयं ऑप्टिकल गुंजयमान यंत्र, अर्थात्। माध्यम के पदार्थ को प्रकाश ऊर्जा को दृढ़ता से अवशोषित नहीं करना चाहिए।
लेज़र माध्यम (लेज़िंग सामग्री) - लेज़रों को आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले लेज़र पदार्थ के प्रकार द्वारा निर्दिष्ट किया जाता है। ऐसे चार प्रकार हैं:
ठोस,
डाई,
अर्धचालक.
सॉलिड-स्टेट लेजर एक ठोस मैट्रिक्स में वितरित लेजर सामग्री का उपयोग करते हैं। सॉलिड-स्टेट लेजर लेजर विकास में एक अद्वितीय स्थान रखते हैं। पहला कार्यशील लेज़र माध्यम एक गुलाबी रूबी क्रिस्टल (क्रोमियम से डोप किया गया नीलम क्रिस्टल) था; तब से, "सॉलिड-स्टेट लेज़र" शब्द का उपयोग आम तौर पर एक लेज़र का वर्णन करने के लिए किया जाता है जिसका सक्रिय माध्यम आयन अशुद्धियों से डोप किया गया एक क्रिस्टल होता है। सॉलिड-स्टेट लेजर बड़े, आसानी से बनाए रखने वाले उपकरण हैं जो उच्च शक्ति ऊर्जा उत्पन्न करने में सक्षम हैं। सॉलिड स्टेट लेजर के बारे में सबसे उल्लेखनीय बात यह है कि आउटपुट पावर आमतौर पर स्थिर नहीं होती है, बल्कि इसमें शामिल होती है बड़ी संख्याव्यक्तिगत शक्ति शिखर.
एक उदाहरण नियोडिमियम-YAG लेजर है। YAG शब्द क्रिस्टल के लिए संक्षिप्त है: येट्रियम एल्यूमीनियम गार्नेट, जो नियोडिमियम आयनों के लिए वाहक के रूप में कार्य करता है। यह लेजर 1,064 माइक्रोमीटर की तरंग दैर्ध्य के साथ एक अवरक्त किरण उत्सर्जित करता है। इसके अलावा, अन्य डोपिंग तत्वों का उपयोग किया जा सकता है, जैसे कि एरबियम (ईआर: वाईएजी लेजर)।
गैस लेजर एक ट्यूब में गैस या गैसों के मिश्रण का उपयोग करते हैं। अधिकांश गैस लेजर हीलियम और नियॉन (HeNe) के मिश्रण का उपयोग करते हैं, जिसका प्राथमिक आउटपुट सिग्नल 6,328 एनएम (एनएम = 10-9 मीटर) होता है, जो लाल दिखाई देता है। यह लेज़र पहली बार 1961 में विकसित किया गया था और गैस लेज़रों के पूरे परिवार का अग्रदूत बन गया।
सभी गैस लेज़र डिज़ाइन और गुणों में काफी समान हैं। उदाहरण के लिए, एक CO2 गैस लेजर स्पेक्ट्रम के सुदूर अवरक्त क्षेत्र में 10.6 माइक्रोमीटर की तरंग दैर्ध्य उत्सर्जित करता है। आर्गन और क्रिप्टन गैस लेजर कई आवृत्तियों पर काम करते हैं, जो मुख्य रूप से स्पेक्ट्रम के दृश्य भाग में उत्सर्जित होते हैं। आर्गन लेजर विकिरण की मुख्य तरंग दैर्ध्य 488 और 514 एनएम हैं।
डाई लेज़र एक लेज़र माध्यम का उपयोग करते हैं जो एक तरल समाधान या निलंबन में एक जटिल कार्बनिक डाई है।
इन लेज़रों की सबसे महत्वपूर्ण विशेषता उनकी "अनुकूलनशीलता" है। सही चुनावडाई और इसकी सांद्रता दृश्यमान स्पेक्ट्रम में या उसके निकट तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला में लेजर प्रकाश उत्पन्न करने की अनुमति देती है। डाई लेजर आमतौर पर एक ऑप्टिकल उत्तेजना प्रणाली का उपयोग करते हैं, हालांकि कुछ प्रकार के डाई लेजर रासायनिक उत्तेजना का उपयोग करते हैं।
सेमीकंडक्टर (डायोड) लेजर - सेमीकंडक्टर सामग्री की दो परतें एक साथ खड़ी होती हैं। लेज़र डायोड एक प्रकाश उत्सर्जक डायोड है जिसमें सेमीकंडक्टर रॉड में बैकलैश से उत्सर्जित प्रकाश को बढ़ाने के लिए एक ऑप्टिकल कैपेसिटेंस होता है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। लागू धारा, तापमान या चुंबकीय क्षेत्र को बदलकर उन्हें ट्यून किया जा सकता है।
लेजर ऑपरेशन के विभिन्न समय मोड उस आवृत्ति से निर्धारित होते हैं जिस पर ऊर्जा की आपूर्ति की जाती है।
सतत तरंग (सीडब्ल्यू) लेजर स्थिर गति से काम करते हैं औसत शक्तिखुशी से उछलना।
एकल-पल्स लेजर में आमतौर पर पल्स अवधि कई सौ माइक्रोसेकंड से लेकर कई मिलीसेकंड तक होती है। ऑपरेशन के इस तरीके को आमतौर पर लंबी पल्स या सामान्य मोड कहा जाता है।
सिंगल-पल्स क्यू-स्विच्ड लेजर इंट्राकैविटी डिले (क्यू-स्विच्ड सेल) का परिणाम है, जो लेजर माध्यम को अधिकतम संभावित ऊर्जा बनाए रखने की अनुमति देता है। फिर, अधिकतम अनुकूल परिस्थितियाँ, एकल पल्स उत्सर्जित होते हैं, आमतौर पर 10-8 सेकंड के समय अंतराल के साथ। इन दालों में उच्च शिखर शक्ति होती है, जो अक्सर 106 से 109 वाट की सीमा में होती है।
स्पंदित स्पंदित लेजर या स्कैनिंग लेजर सैद्धांतिक रूप से स्पंदित लेजर की तरह ही काम करते हैं, लेकिन एक निश्चित (या परिवर्तनीय) पल्स आवृत्ति के साथ, जो प्रति सेकंड कुछ पल्स से भिन्न हो सकती है। बहुत महत्व काजैसे प्रति सेकंड 20,000 पल्स।
लेजर संचालन सिद्धांत
लेजर ऑपरेशन का भौतिक आधार मजबूर (प्रेरित) विकिरण की घटना है। घटना का सार यह है कि एक उत्तेजित परमाणु किसी अन्य फोटॉन के प्रभाव में उसके अवशोषण के बिना एक फोटॉन उत्सर्जित करने में सक्षम है, यदि बाद की ऊर्जा पहले और बाद में परमाणु के स्तर की ऊर्जा में अंतर के बराबर है विकिरण. इस मामले में, उत्सर्जित फोटॉन उस फोटॉन के साथ सुसंगत है जो विकिरण का कारण बना (यह इसकी "सटीक प्रति" है)। इस प्रकार प्रकाश प्रवर्धित होता है। यह घटना स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन से भिन्न होती है, जिसमें उत्सर्जित फोटॉनों में यादृच्छिक प्रसार दिशाएँ, ध्रुवीकरण और चरण होते हैं।
यह संभावना कि एक यादृच्छिक फोटॉन एक उत्तेजित परमाणु से उत्तेजित उत्सर्जन का कारण बनेगा, एक अउत्तेजित अवस्था में एक परमाणु द्वारा इस फोटॉन के अवशोषण की संभावना के बराबर है। इसलिए, प्रकाश को बढ़ाने के लिए, यह आवश्यक है कि माध्यम में अउत्तेजित परमाणुओं (तथाकथित जनसंख्या व्युत्क्रम) की तुलना में अधिक उत्तेजित परमाणु हों। थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में, यह स्थिति पूरी नहीं होती है, इसलिए लेजर सक्रिय माध्यम (ऑप्टिकल, इलेक्ट्रिकल, रासायनिक, आदि) को पंप करने के लिए विभिन्न प्रणालियों का उपयोग किया जाता है।
पीढ़ी का प्राथमिक स्रोत सहज उत्सर्जन की प्रक्रिया है, इसलिए, फोटॉन की पीढ़ियों की निरंतरता सुनिश्चित करने के लिए, एक सकारात्मक का अस्तित्व प्रतिक्रिया, जिसके कारण उत्सर्जित फोटॉन प्रेरित उत्सर्जन के बाद के कार्यों का कारण बनते हैं। ऐसा करने के लिए, लेजर सक्रिय माध्यम को एक ऑप्टिकल गुहा में रखा जाता है। सबसे सरल मामले में, इसमें दो दर्पण होते हैं, जिनमें से एक पारभासी होता है - इसके माध्यम से लेजर किरण आंशिक रूप से अनुनादक से बाहर निकलती है। दर्पणों से परावर्तित होकर, विकिरण किरण अनुनादक से बार-बार गुजरती है, जिससे इसमें प्रेरित संक्रमण होता है। विकिरण या तो निरंतर या स्पंदित हो सकता है। साथ ही, प्रतिक्रिया को तुरंत बंद करने और चालू करने के लिए विभिन्न उपकरणों (घूर्णन प्रिज्म, केर सेल इत्यादि) का उपयोग करके और इस प्रकार पल्स की अवधि को कम करने के लिए, विकिरण की पीढ़ी के लिए स्थितियां बनाना संभव है उच्च शक्ति(तथाकथित विशाल आवेग)। लेजर ऑपरेशन के इस मोड को क्यू-स्विच्ड मोड कहा जाता है।
लेज़र द्वारा उत्पन्न विकिरण मोनोक्रोमैटिक (तरंग दैर्ध्य का एक या अलग सेट) होता है, क्योंकि एक निश्चित तरंग दैर्ध्य के फोटॉन के उत्सर्जन की संभावना वर्णक्रमीय रेखा के विस्तार से जुड़े निकट स्थित फोटॉन की तुलना में अधिक होती है, और तदनुसार, इस आवृत्ति पर प्रेरित संक्रमण की संभावना भी अधिकतम है। इसलिए, धीरे-धीरे पीढ़ी प्रक्रिया के दौरान, किसी दिए गए तरंग दैर्ध्य के फोटॉन अन्य सभी फोटॉनों पर हावी हो जाएंगे। इसके अलावा, दर्पणों की विशेष व्यवस्था के कारण, केवल वे फोटॉन जो रेज़ोनेटर के ऑप्टिकल अक्ष के समानांतर दिशा में थोड़ी दूरी पर फैलते हैं, लेजर बीम में बने रहते हैं; शेष फोटॉन रेज़ोनेटर वॉल्यूम को तुरंत छोड़ देते हैं; इस प्रकार, लेज़र बीम का विचलन कोण बहुत छोटा होता है। अंत में, लेजर बीम में कड़ाई से परिभाषित ध्रुवीकरण होता है। ऐसा करने के लिए, विभिन्न पोलेरॉइड को रेज़ोनेटर में पेश किया जाता है, उदाहरण के लिए, वे लेजर बीम के प्रसार की दिशा में ब्रूस्टर कोण पर स्थापित फ्लैट ग्लास प्लेट हो सकते हैं;
लेजर के अनुप्रयोग
लेजर क्वांटम जनरेटर विकिरण
अपने आविष्कार के बाद से, लेज़रों ने खुद को साबित कर दिया है " तैयार समाधानसमस्याएँ अभी तक ज्ञात नहीं हैं।" लेज़र विकिरण के अनूठे गुणों के कारण, इनका व्यापक रूप से विज्ञान और प्रौद्योगिकी की कई शाखाओं के साथ-साथ रोजमर्रा की जिंदगी (सीडी प्लेयर, लेज़र प्रिंटर, बारकोड रीडर, लेज़र पॉइंटर्स, आदि) में उपयोग किया जाता है। उद्योग में, लेजर का उपयोग इससे बने हिस्सों को काटने, वेल्डिंग और टांका लगाने के लिए किया जाता है विभिन्न सामग्रियां. उच्च तापमानविकिरण आपको उन सामग्रियों को वेल्ड करने की अनुमति देता है जिन्हें पारंपरिक तरीकों (उदाहरण के लिए, सिरेमिक और धातु) द्वारा वेल्ड नहीं किया जा सकता है। लेजर बीम को एक माइक्रोन के क्रम के व्यास वाले एक बिंदु पर केंद्रित किया जा सकता है, जिससे इसे माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स (तथाकथित लेजर स्क्रिबिंग) में उपयोग करना संभव हो जाता है। लेजर का उपयोग सामग्री की सतह कोटिंग (लेजर मिश्र धातु, लेजर सरफेसिंग, वैक्यूम लेजर जमाव) प्राप्त करने के लिए किया जाता है ताकि उनके पहनने के प्रतिरोध को बढ़ाया जा सके। औद्योगिक डिजाइनों की लेजर अंकन और विभिन्न सामग्रियों से बने उत्पादों की उत्कीर्णन का भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। सामग्रियों के लेजर प्रसंस्करण के दौरान, उन पर कोई यांत्रिक प्रभाव नहीं पड़ता है, इसलिए केवल मामूली विकृतियाँ होती हैं। इसके अलावा, सभी प्रक्रियापूर्णतः स्वचालित किया जा सकता है। इसलिए लेजर प्रसंस्करण को उच्च परिशुद्धता और उत्पादकता की विशेषता है।
हेवलेट-पैकार्ड प्रिंटर की छवि निर्माण इकाई में उपयोग किया जाने वाला एक अर्धचालक लेजर।
लेज़रों का उपयोग होलोग्राफी में स्वयं होलोग्राम बनाने और एक होलोग्राफिक त्रि-आयामी छवि प्राप्त करने के लिए किया जाता है। कुछ लेज़र, जैसे डाई लेज़र, लगभग किसी भी तरंग दैर्ध्य का मोनोक्रोमैटिक प्रकाश उत्पन्न करने में सक्षम हैं, और विकिरण दालें 10−16 सेकेंड तक पहुंच सकती हैं, और इसलिए भारी शक्तियां (तथाकथित विशाल दालें) तक पहुंच सकती हैं। इन गुणों का उपयोग स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ-साथ नॉनलाइनियर ऑप्टिकल प्रभावों के अध्ययन में भी किया जाता है। लेजर का उपयोग करके, कई सेंटीमीटर की सटीकता के साथ चंद्रमा की दूरी को मापना संभव था। अंतरिक्ष पिंडों की लेजर रेंजिंग ने खगोलीय स्थिरांक के मूल्य को स्पष्ट किया और अंतरिक्ष नेविगेशन प्रणालियों के शोधन में योगदान दिया, वायुमंडल की संरचना और ग्रहों की सतह के बारे में विचारों का विस्तार किया। सौर परिवार. वायुमंडलीय विकृतियों को ठीक करने के लिए एक अनुकूली ऑप्टिकल प्रणाली से सुसज्जित खगोलीय दूरबीनों में, वायुमंडल की ऊपरी परतों में कृत्रिम मार्गदर्शक तारे बनाने के लिए लेजर का उपयोग किया जाता है।
रासायनिक प्रतिक्रियाओं को ट्रिगर करने और उनका विश्लेषण करने के लिए लेजर रसायन विज्ञान में अल्ट्राशॉर्ट लेजर पल्स का उपयोग किया जाता है। यहां, लेजर विकिरण सिस्टम में सटीक स्थानीयकरण, खुराक, पूर्ण बाँझपन और ऊर्जा इनपुट की उच्च गति सुनिश्चित करना संभव बनाता है। वर्तमान में, विभिन्न लेजर कूलिंग सिस्टम विकसित किए जा रहे हैं, और लेजर का उपयोग करके नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन को लागू करने की संभावनाओं पर विचार किया जा रहा है (थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के क्षेत्र में अनुसंधान के लिए सबसे उपयुक्त लेजर दृश्यमान स्पेक्ट्रम के नीले हिस्से में तरंग दैर्ध्य का उपयोग करने वाला लेजर होगा) ). लेज़रों का उपयोग सैन्य उद्देश्यों के लिए भी किया जाता है, उदाहरण के लिए, मार्गदर्शन और लक्ष्य साधने में सहायता के रूप में। उच्च शक्ति वाले लेजर पर आधारित वायु, समुद्र और जमीन आधारित लड़ाकू रक्षा प्रणाली बनाने के विकल्पों पर विचार किया जा रहा है।
चिकित्सा में, लेजर का उपयोग रक्तहीन स्केलपेल के रूप में किया जाता है और नेत्र रोगों (मोतियाबिंद, रेटिना टुकड़ी, लेजर दृष्टि सुधार, आदि) के उपचार में किया जाता है। कॉस्मेटोलॉजी (लेजर बालों को हटाने, संवहनी और रंजित त्वचा दोषों का उपचार, लेजर छीलने, टैटू और उम्र के धब्बे हटाने) में भी इनका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। वर्तमान में, तथाकथित लेजर संचार तेजी से विकसित हो रहा है। यह ज्ञात है कि संचार चैनल की वाहक आवृत्ति जितनी अधिक होगी THROUGHPUT. इसलिए, रेडियो संचार हमेशा छोटी तरंग दैर्ध्य की ओर बढ़ता है। प्रकाश की तरंग दैर्ध्य रेडियो रेंज की तरंग दैर्ध्य से औसतन छह ऑर्डर कम होती है, इसलिए लेजर विकिरण बहुत अधिक मात्रा में जानकारी प्रसारित कर सकता है। लेजर संचार खुले और बंद दोनों प्रकाश-गाइड संरचनाओं के माध्यम से किया जाता है, उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल फाइबर। पूर्ण आंतरिक परावर्तन की घटना के कारण, प्रकाश इसके माध्यम से लंबी दूरी तक फैल सकता है, व्यावहारिक रूप से कमजोर हुए बिना।
प्रतिदिन उत्पादन और वैज्ञानिक गतिविधि. इन वर्षों में, यह "उपकरण" अधिक से अधिक बेहतर होता जाएगा, और साथ ही लेज़रों का दायरा लगातार विस्तारित होता जाएगा। लेज़र प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में अनुसंधान की बढ़ती गति से उल्लेखनीय रूप से बेहतर विशेषताओं के साथ नए प्रकार के लेज़र बनाने की संभावना खुल रही है, जिससे उन्हें अपने अनुप्रयोग के क्षेत्रों का विस्तार करने की अनुमति मिल रही है...
न केवल विशेष रूप से कठोर सामग्रियों के लिए, बल्कि बढ़ी हुई नाजुकता वाली सामग्रियों के लिए भी। लेज़र ड्रिल न केवल एक शक्तिशाली, बल्कि एक बहुत ही नाजुक "उपकरण" साबित हुई। उदाहरण: एल्यूमिना सिरेमिक से बने चिप सब्सट्रेट में छेद करते समय लेजर का उपयोग। चीनी मिट्टी की चीज़ें असामान्य रूप से नाजुक होती हैं। इस कारण से, चिप सब्सट्रेट में छेद की यांत्रिक ड्रिलिंग...