लेज़र कैसे काम करते हैं

फोटो सौजन्य नासा नासा लैंगली रिसर्च सेंटर में ऑप्टिकल डैमेज थ्रेशोल्ड टेस्ट स्टेशन।

"स्टार वार्स," "स्टार ट्रेक," "बैटलस्टार गैलेक्टिका" - लेजर तकनीक विज्ञान कथा फिल्मों और किताबों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है । इसमें कोई संदेह नहीं है कि इस तरह की कहानियों के लिए धन्यवाद कि अब हम लेज़रों को भविष्य के युद्ध और चिकना अंतरिक्ष यान के साथ जोड़ते हैं ।

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लेकिन लेज़र हमारे दैनिक जीवन में भी एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। तथ्य यह है कि, वे उत्पादों और प्रौद्योगिकियों की एक अद्भुत श्रृंखला में दिखाई देते हैं। आप उन्हें सीडी प्लेयर से लेकर डेंटल ड्रिल से लेकर हाई-स्पीड मेटल कटिंग मशीन से लेकर मापने वाले सिस्टम तक हर चीज में पाएंगे । टैटू हटाना, बाल बदलना , आंखों की सर्जरी - ये सभी लेजर का उपयोग करते हैं। लेकिन लेजर क्या है? एक लेज़र बीम को टॉर्च की बीम से क्या अलग बनाता है ? विशेष रूप से, क्या एक लेज़र प्रकाश अन्य प्रकार के प्रकाश से भिन्न बनाता है? लेज़रों को कैसे वर्गीकृत किया जाता है?

इस लेख में, आप विभिन्न प्रकार के लेज़रों, उनकी विभिन्न तरंग दैर्ध्य और उनके उपयोग के बारे में जानेंगे। लेकिन पहले, आइए लेजर प्रौद्योगिकी के मूल सिद्धांतों से शुरू करें: परमाणु की मूल बातें जानने के लिए अगले पृष्ठ पर जाएं।

अंतर्वस्तु

1. एक परमाणु की मूल बातें
2. अवशोषित ऊर्जा
3. लेजर/परमाणु कनेक्शन
4. लेज़र प्रकाश
5. रूबी लेजर
6. तीन-स्तरीय लेजर
7. लेजर के प्रकार
8. आपकी तरंग दैर्ध्य क्या है?
9. लेजर वर्गीकरण

पूरे ब्रह्मांड में केवल लगभग 100 विभिन्न प्रकार के परमाणु हैं। हम जो कुछ भी देखते हैं वह असीमित संख्या में संयोजनों में इन 100 परमाणुओं से बना होता है। इन परमाणुओं को कैसे व्यवस्थित और एक साथ बांधा जाता है यह निर्धारित करता है कि परमाणु एक कप पानी, धातु का एक टुकड़ा, या आपके सोडा कैन से निकलने वाली फ़िज़ बनाते हैं!

परमाणु लगातार गति में हैं। वे लगातार कंपन करते हैं, चलते हैं और घूमते हैं। यहां तक ​​कि जिन कुर्सियों पर हम बैठते हैं, वे परमाणु भी घूम रहे हैं। ठोस वास्तव में गति में हैं! परमाणु उत्तेजना की विभिन्न अवस्थाओं में हो सकते हैं । दूसरे शब्दों में, उनके पास अलग-अलग ऊर्जा हो सकती है। यदि हम किसी परमाणु पर बहुत अधिक ऊर्जा लगाते हैं, तो वह भू-अवस्था ऊर्जा स्तर को छोड़ कर उत्तेजित स्तर तक जा सकता है। उत्तेजना का स्तर उस ऊर्जा की मात्रा पर निर्भर करता है जो परमाणु पर गर्मी, प्रकाश या बिजली के माध्यम से लागू होती है ।

ऊपर एक क्लासिक व्याख्या है कि परमाणु कैसा दिखता है।

इस साधारण परमाणु में एक नाभिक (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन युक्त) और एक इलेक्ट्रॉन बादल होता है। इस बादल में कई अलग-अलग कक्षाओं में नाभिक का चक्कर लगाने वाले इलेक्ट्रॉनों के बारे में सोचना मददगार है ।

पिछले पृष्ठ के दृष्टांत पर विचार करें। यद्यपि परमाणु के अधिक आधुनिक विचार इलेक्ट्रॉनों के लिए असतत कक्षाओं का चित्रण नहीं करते हैं , इन कक्षाओं को परमाणु के विभिन्न ऊर्जा स्तरों के रूप में सोचना उपयोगी हो सकता है। दूसरे शब्दों में, यदि हम किसी परमाणु पर कुछ ऊष्मा लागू करते हैं, तो हम उम्मीद कर सकते हैं कि निम्न-ऊर्जा कक्षकों में से कुछ इलेक्ट्रॉन नाभिक से दूर उच्च-ऊर्जा कक्षकों में संक्रमण करेंगे।

यह चीजों का एक अत्यधिक सरलीकृत दृष्टिकोण है, लेकिन यह वास्तव में मूल विचार को दर्शाता है कि लेजर के संदर्भ में परमाणु कैसे काम करते हैं।

एक बार जब कोई इलेक्ट्रॉन उच्च-ऊर्जा कक्षा में चला जाता है, तो वह अंततः जमीनी अवस्था में लौटना चाहता है। जब ऐसा होता है, तो यह अपनी ऊर्जा को एक फोटॉन के रूप में छोड़ता है - प्रकाश का एक कण । आप परमाणुओं को हर समय फोटॉन के रूप में ऊर्जा छोड़ते हुए देखते हैं। उदाहरण के लिए, जब एक टोस्टर में हीटिंग तत्व चमकदार लाल हो जाता है, तो लाल रंग परमाणुओं के कारण होता है, जो गर्मी से उत्तेजित होता है, लाल फोटॉन जारी करता है। जब आप टीवी स्क्रीन पर एक तस्वीर देखते हैं , तो आप जो देख रहे हैं, वह फॉस्फोर परमाणु है, जो उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्तेजित होता है, जो प्रकाश के विभिन्न रंगों का उत्सर्जन करता है। कुछ भी जो प्रकाश उत्पन्न करता है -- फ्लोरोसेंट रोशनी , गैस लालटेन , गरमागरम बल्ब - यह इलेक्ट्रॉनों की कक्षाओं को बदलने और फोटॉन जारी करने की क्रिया के माध्यम से करता है।

एक लेज़र एक ऐसा उपकरण है जो उस तरीके को नियंत्रित करता है जिस तरह से सक्रिय परमाणु फोटॉन को छोड़ते हैं। "लेजर" विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन के लिए एक संक्षिप्त रूप है, जो बहुत ही संक्षेप में वर्णन करता है कि लेजर कैसे काम करता है।

हालांकि लेज़र कई प्रकार के होते हैं, लेकिन सभी में कुछ आवश्यक विशेषताएं होती हैं। एक लेज़र में, परमाणुओं को उत्तेजित अवस्था में लाने के लिए लेज़िंग माध्यम को "पंप" किया जाता है। आमतौर पर, प्रकाश या विद्युत निर्वहन की बहुत तीव्र चमक लेसिंग माध्यम को पंप करती है और उत्तेजित-अवस्था वाले परमाणुओं (उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों वाले परमाणु) का एक बड़ा संग्रह बनाती है। लेजर के कुशलता से काम करने के लिए उत्तेजित अवस्था में परमाणुओं का एक बड़ा संग्रह होना आवश्यक है। सामान्य तौर पर, परमाणु उस स्तर तक उत्साहित होते हैं जो जमीनी अवस्था से दो या तीन स्तर ऊपर होता है। इससे जनसंख्या व्युत्क्रमण की डिग्री बढ़ जाती है । जनसंख्या उलटा उत्तेजित अवस्था में परमाणुओं की संख्या बनाम जमीनी अवस्था में संख्या है।

एक बार लेसिंग माध्यम को पंप करने के बाद, इसमें परमाणुओं का एक संग्रह होता है, जिसमें कुछ इलेक्ट्रॉन उत्तेजित स्तरों में बैठे होते हैं। उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों में अधिक आराम वाले इलेक्ट्रॉनों की तुलना में अधिक ऊर्जा होती है। जिस तरह इलेक्ट्रॉन इस उत्तेजित स्तर तक पहुँचने के लिए कुछ मात्रा में ऊर्जा को अवशोषित करता है, उसी तरह वह इस ऊर्जा को भी छोड़ सकता है। जैसा कि नीचे दिया गया चित्र दिखाता है, इलेक्ट्रॉन बस आराम कर सकता है, और बदले में कुछ ऊर्जा से खुद को मुक्त कर सकता है। यह उत्सर्जित ऊर्जा फोटॉन (प्रकाश ऊर्जा) के रूप में आती है । उत्सर्जित फोटॉन में एक बहुत विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (रंग) होता है जो कि फोटॉन जारी होने पर इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा की स्थिति पर निर्भर करता है। समान अवस्थाओं में इलेक्ट्रॉनों वाले दो समान परमाणु समान तरंग दैर्ध्य वाले फोटॉन जारी करेंगे।

लेजर लाइट सामान्य रोशनी से बहुत अलग होती है । लेजर लाइट में निम्नलिखित गुण होते हैं:

• जारी किया गया प्रकाश मोनोक्रोमैटिक है। इसमें प्रकाश की एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (एक विशिष्ट रंग) होती है। प्रकाश की तरंग दैर्ध्य का निर्धारण ऊर्जा की मात्रा से होता है जब इलेक्ट्रॉन निचली कक्षा में गिरता है।
• जारी किया गया प्रकाश सुसंगत है । यह "संगठित" है - प्रत्येक फोटॉन दूसरों के साथ कदम से कदम मिलाकर चलता है। इसका मतलब है कि सभी फोटॉनों में तरंग मोर्चे होते हैं जो एकसमान में लॉन्च होते हैं।
• प्रकाश बहुत दिशात्मक है । एक लेज़र लाइट में बहुत तंग बीम होती है और यह बहुत मजबूत और केंद्रित होती है। दूसरी ओर, एक टॉर्च कई दिशाओं में प्रकाश छोड़ती है, और प्रकाश बहुत कमजोर और फैला हुआ होता है।

इन तीन गुणों को उत्पन्न करने के लिए उत्तेजित उत्सर्जन नामक एक चीज की आवश्यकता होती है । यह आपकी साधारण टॉर्च में नहीं होता है - एक टॉर्च में, सभी परमाणु अपने फोटॉन को बेतरतीब ढंग से छोड़ते हैं। उत्तेजित उत्सर्जन में, फोटॉन उत्सर्जन का आयोजन किया जाता है।

किसी भी परमाणु द्वारा छोड़े जाने वाले फोटॉन में एक निश्चित तरंग दैर्ध्य होता है जो उत्तेजित अवस्था और जमीनी अवस्था के बीच ऊर्जा अंतर पर निर्भर होता है। यदि इस फोटॉन (एक निश्चित ऊर्जा और चरण वाले) को एक और परमाणु का सामना करना चाहिए जिसमें समान उत्तेजित अवस्था में एक इलेक्ट्रॉन होता है, तो उत्तेजित उत्सर्जन हो सकता है। पहला फोटॉन परमाणु उत्सर्जन को उत्तेजित या प्रेरित कर सकता है जैसे कि बाद में उत्सर्जित फोटॉन (दूसरे परमाणु से) आने वाले फोटॉन के समान आवृत्ति और दिशा के साथ कंपन करता है।

लेज़र की दूसरी कुंजी दर्पणों की एक जोड़ी है , जो लेज़िंग माध्यम के प्रत्येक छोर पर एक है। बहुत विशिष्ट तरंग दैर्ध्य और चरण के साथ फोटॉन, लेज़िंग माध्यम के माध्यम से आगे और पीछे यात्रा करने के लिए दर्पणों को प्रतिबिंबित करते हैं। इस प्रक्रिया में, वे अन्य इलेक्ट्रॉनों को नीचे की ओर ऊर्जा कूदने के लिए उत्तेजित करते हैं और समान तरंग दैर्ध्य और चरण के अधिक फोटॉनों के उत्सर्जन का कारण बन सकते हैं। एक कैस्केड प्रभाव होता है, और जल्द ही हमने एक ही तरंग दैर्ध्य और चरण के कई, कई फोटॉन का प्रचार किया है। लेज़र के एक छोर पर दर्पण "आधा-चांदी" है, जिसका अर्थ है कि यह कुछ प्रकाश को दर्शाता है और कुछ प्रकाश को अंदर आने देता है। जो प्रकाश इसे बनाता है वह लेजर लाइट है।

आप इन सभी घटकों को निम्नलिखित पृष्ठ पर दिए गए आंकड़ों में देख सकते हैं, जो बताते हैं कि एक साधारण रूबी लेजर कैसे काम करता है।

एक रूबी लेजर में एक फ्लैश ट्यूब ( जैसे आपके पास एक कैमरा होता है ), एक रूबी रॉड और दो दर्पण (एक आधा चांदी) होता है। रूबी रॉड लेज़िंग माध्यम है और फ्लैश ट्यूब इसे पंप करती है।

1. लेज़र अपनी गैर-लेज़िंग अवस्था में

 

2. फ्लैश ट्यूब जलती है और रूबी रॉड में प्रकाश डालती है। माणिक में प्रकाश परमाणुओं को उत्तेजित करता है।

 

3. इनमें से कुछ परमाणु फोटॉन उत्सर्जित करते हैं।

 

4. इनमें से कुछ फोटॉन रूबी की धुरी के समानांतर एक दिशा में चलते हैं, इसलिए वे दर्पणों से आगे-पीछे उछलते हैं। जैसे ही वे क्रिस्टल से गुजरते हैं, वे अन्य परमाणुओं में उत्सर्जन को उत्तेजित करते हैं।

 

5. मोनोक्रोमैटिक, एकल-चरण, स्तंभित प्रकाश माणिक को अर्ध-चांदी के दर्पण के माध्यम से छोड़ देता है - लेजर प्रकाश!

यहाँ एक वास्तविक जीवन, तीन-स्तरीय लेज़र में क्या होता है।

अगले भाग में, आप विभिन्न प्रकार के लेज़रों के बारे में जानेंगे।

कई अलग-अलग प्रकार के लेजर हैं। लेजर माध्यम ठोस, गैस, तरल या अर्धचालक हो सकता है । लेज़रों को आमतौर पर नियोजित लेज़िंग सामग्री के प्रकार द्वारा निर्दिष्ट किया जाता है:

• सॉलिड-स्टेट लेज़रों में एक ठोस मैट्रिक्स (जैसे रूबी या नियोडिमियम: येट्रियम-एल्यूमीनियम गार्नेट "याग" लेज़र) में वितरित लेज़िंग सामग्री होती है। नियोडिमियम-याग लेजर 1,064 नैनोमीटर (एनएम) पर अवरक्त प्रकाश का उत्सर्जन करता है । एक नैनोमीटर 1x10 ^-9 मीटर का होता है।

• गैस लेजर (हीलियम और हीलियम-नियॉन, हेने, सबसे आम गैस लेजर हैं) में दृश्यमान लाल रोशनी का प्राथमिक उत्पादन होता है। CO2 पराबैंगनीकिरण दूर-अवरक्त में ऊर्जा का उत्सर्जन करता है, और कठोर सामग्री को काटने के लिए उपयोग किया जाता है।

• एक्सीमर लेज़र (नाम उत्तेजित और डिमर शब्दों से लिया गया है ) प्रतिक्रियाशील गैसों का उपयोग करते हैं, जैसे क्लोरीन और फ्लोरीन, अक्रिय गैसों जैसे कि आर्गन, क्रिप्टन या क्सीनन के साथ मिश्रित। जब विद्युत रूप से उत्तेजित किया जाता है, तो एक छद्म अणु (डिमर) उत्पन्न होता है। जब लेज़ किया जाता है, तो डिमर पराबैंगनी श्रेणी में प्रकाश उत्पन्न करता है।

• डाई लेज़र तरल घोल या निलंबन में लेज़िंग मीडिया के रूप में जटिल कार्बनिक रंगों, जैसे रोडामाइन 6G का उपयोग करते हैं। वे तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला पर ट्यून करने योग्य हैं।

• सेमीकंडक्टर लेज़र , जिसे कभी-कभी डायोड लेज़र कहा जाता है, सॉलिड-स्टेट लेज़र नहीं होते हैं। ये इलेक्ट्रॉनिक उपकरण आमतौर पर बहुत छोटे होते हैं और कम बिजली का उपयोग करते हैं। उन्हें बड़े सरणियों में बनाया जा सकता है, जैसे कि कुछ लेज़र प्रिंटर या सीडी प्लेयर में लेखन स्रोत ।

एक लाल लेजर (पहले दिखाया गया) एक ठोस राज्य लेजर और 694 एनएम के तरंग दैर्ध्य में उत्सर्जन करता है। अन्य लेज़िंग माध्यमों को वांछित उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य (नीचे तालिका देखें), आवश्यक शक्ति और पल्स अवधि के आधार पर चुना जा सकता है। कुछ लेज़र बहुत शक्तिशाली होते हैं, जैसे कि CO2 लेज़र, जो स्टील से कट सकता है । CO2 लेजर इतना खतरनाक होने का कारण यह है कि यह स्पेक्ट्रम के इन्फ्रारेड और माइक्रोवेव क्षेत्र में लेजर लाइट का उत्सर्जन करता है। इन्फ्रारेड विकिरण गर्मी है, और यह लेजर मूल रूप से जिस चीज पर केंद्रित है, उसमें पिघल जाता है।

अन्य लेज़र, जैसे डायोड लेज़र, बहुत कमज़ोर होते हैं और आज के पॉकेट लेज़र पॉइंटर्स में उपयोग किए जाते हैं। ये लेज़र आमतौर पर प्रकाश की एक लाल किरण का उत्सर्जन करते हैं जिसकी तरंग दैर्ध्य 630 एनएम और 680 एनएम के बीच होती है। लेजर का उपयोग उद्योग और अनुसंधान में कई काम करने के लिए किया जाता है, जिसमें अन्य अणुओं को उत्तेजित करने के लिए तीव्र लेजर प्रकाश का उपयोग करना शामिल है ताकि यह देखा जा सके कि उनके साथ क्या होता है।

यहाँ कुछ विशिष्ट लेज़र और उनके उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य हैं:

लेजर प्रकार	तरंग दैर्ध्य (एनएम)
आर्गन फ्लोराइड (यूवी)	१९३
क्रिप्टन फ्लोराइड (यूवी)	248
क्सीनन क्लोराइड (यूवी)	३०८
नाइट्रोजन (यूवी)	337
आर्गन (नीला)	488
आर्गन (हरा)	514
हीलियम नियॉन (हरा)	543
हीलियम नियॉन (लाल)	६३३
रोडामाइन 6G डाई (ट्यून करने योग्य)	570-650
रूबी (CrAlO 3 ) (लाल)	694
एन डी: याग (एनआईआर)	१०६४
कार्बन डाइऑक्साइड (एफआईआर)	10600

लेजर चेतावनी संकेत

जैविक क्षति की संभावना के आधार पर लेजर को चार व्यापक क्षेत्रों में वर्गीकृत किया जाता है । जब आप एक लेज़र देखते हैं, तो उसे इन चार वर्ग पदनामों में से एक के साथ लेबल किया जाना चाहिए:

• कक्षा I - ये लेजर ज्ञात खतरे के स्तर पर लेजर विकिरण का उत्सर्जन नहीं कर सकते हैं।
• कक्षा IA - यह एक विशेष पदनाम है जो केवल उन लेज़रों पर लागू होता है जो "देखने के लिए अभिप्रेत नहीं हैं", जैसे कि सुपरमार्केट लेज़र स्कैनर। कक्षा IA की ऊपरी शक्ति सीमा 4.0 mW है।
• कक्षा II - ये कम-शक्ति वाले दृश्यमान लेज़र हैं जो कक्षा I के स्तर से ऊपर उत्सर्जित होते हैं लेकिन एक उज्ज्वल शक्ति पर 1 mW से ऊपर नहीं होते हैं। अवधारणा यह है कि उज्ज्वल प्रकाश के प्रति मानव घृणा प्रतिक्रिया व्यक्ति की रक्षा करेगी।
• क्लास IIIA - ये इंटरमीडिएट-पावर लेज़र (cw: 1-5 mW) हैं, जो केवल इंट्राबीम देखने के लिए खतरनाक हैं। अधिकांश पेन-जैसे पॉइंटिंग लेज़र इसी वर्ग में हैं।
• कक्षा IIIB - ये मध्यम-शक्ति वाले लेजर हैं।
• चतुर्थ श्रेणी - ये उच्च शक्ति वाले लेजर हैं (सीडब्ल्यू: 500 मेगावाट, स्पंदित: 10 जे/सेमी ² या फैलाना प्रतिबिंब सीमा), जो किसी भी स्थिति में देखने के लिए खतरनाक हैं (सीधे या व्यापक रूप से बिखरे हुए), और संभावित आग खतरे हैं और एक त्वचा खतरा। चतुर्थ श्रेणी की लेजर सुविधाओं के लिए महत्वपूर्ण नियंत्रणों की आवश्यकता होती है।

लेज़रों और संबंधित विषयों के बारे में अधिक जानकारी के लिए, अगले पृष्ठ पर दिए गए लिंक देखें।

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लेखक के बारे में
Matthew Weschler के पास फ़्लोरिडा स्टेट यूनिवर्सिटी से फिजिकल ऑर्गेनिक केमिस्ट्री में MS की डिग्री है। उनका थीसिस विषय पिकोसेकंड लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी था, और उन्होंने अध्ययन किया कि कैसे अणु लेजर प्रकाश द्वारा बमबारी के बाद पिकोसेकंड पर प्रतिक्रिया करते हैं।