लेजर कार्रवाई के सिद्धांत: लेजर विकिरण की सुविधाओं

1917 में लेजर, जो प्लैंक के विकिरण नियम के भौतिकी पर आधारित है, सिद्धांत रूप में की कार्रवाई के पहले सिद्धांत, आइंस्टीन जायज़ थी। उन्होंने अवशोषण में वर्णित है, सहज और विद्युत चुम्बकीय विकिरण संभावना गुणांक (आइंस्टीन गुणांक) का उपयोग को प्रेरित किया।

अग्रणियों

टियोडोर मेमान पहली कार्रवाई के सिद्धांत प्रदर्शित भी एक लाल लेजर की, एक फ्लैश दीपक सिंथेटिक माणिक का उपयोग कर ऑप्टिकल पंप के आधार पर, 694 एनएम के तरंग दैर्ध्य के साथ संसक्त विकिरण उत्पन्न करता है।

1960 में, ईरानी वैज्ञानिकों जावन और बेनेट 1:10 के अनुपात में वह और Ne गैसों के मिश्रण का उपयोग करते हुए पहले गैस लेज़रों बनाया।

1962 में, आर एन हॉल पहली बार एक बनाता है डायोड लेजर 850 एनएम के तरंग दैर्ध्य में उत्सर्जन, गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) से बना। बाद में उसी वर्ष, निक Golonyak दृश्य प्रकाश का पहला अर्धचालक क्वांटम जनरेटर का विकास किया।

डिवाइस और लेज़रों के सिद्धांत

प्रत्येक लेजर प्रणाली एक सक्रिय मध्यम ऑप्टिकली समानांतर और अत्यधिक दर्शाती दर्पण की एक जोड़ी, जिनमें से एक पारदर्शी है के बीच रखा गया है, और यह पंप करने के लिए एक शक्ति के स्रोत भी शामिल है। लाभ माध्यम एक ठोस, तरल या गैस है, जो प्रकाश लहर बिजली या ऑप्टिकल पम्पिंग विकिरण के साथ आंतरिक रूप से यह माध्यम से गुजर के आयाम बढ़ाना करने की क्षमता है के रूप में कार्य कर सकते हैं। पदार्थ दर्पण की एक जोड़ी के बीच रखा गया ताकि प्रकाश उन पर हर बार परिलक्षित यह माध्यम से गुजरता है और, एक उल्लेखनीय वृद्धि पर पहुँच रहा है, आधा दर्पण प्रवेश कर रहा है।

द्वैध वातावरण

ई उत्साहित ई ₂ और आधार _1: एक सक्रिय मध्यम जिसका परमाणुओं केवल दो ऊर्जा के स्तर के साथ लेजर कार्रवाई के सिद्धांत पर विचार _{करें।} किसी भी पंप तंत्र (ऑप्टिकल, बिजली निर्वहन वर्तमान या संचरण इलेक्ट्रॉन बमबारी) के माध्यम से परमाणुओं एक राज्य ई ₂ के लिए उत्साहित कर रहे _हैं, कुछ नैनोसेकंड में वे बुनियादी स्थिति के लिए, ऊर्जा फोटॉनों radiating लौट hν = ई ₂ - ई _1। आइंस्टीन के सिद्धांत के अनुसार, उत्सर्जन दो अलग अलग तरीकों का उत्पादन किया है: या तो यह एक फोटोन से प्रेरित है, या यह अनायास होता है। पूर्व के मामले में, प्रेरित उत्सर्जन होता है और दूसरा - सहज। पर सौर संतुलन, प्रेरित उत्सर्जन की ^{संभावना,} सहज (1:10 ³³⁾ की तुलना में काफी कम है, इसलिए है कि अब तक की आम बेतुका प्रकाश स्रोतों, और lasing सौर संतुलन के अलावा अन्य परिस्थितियों में संभव है।

यहां तक कि एक बहुत मजबूत पम्पिंग जनसंख्या स्तर के तंत्र के साथ ही बराबर बनाया जा सकता है। इसलिए, जनसंख्या ह्रास या अन्य ऑप्टिकल पम्पिंग विधि प्राप्त करने के लिए एक तीन या चार-स्तरीय प्रणाली की आवश्यकता है।

बहु स्तरीय प्रणाली

तीन स्तरीय लेजर के सिद्धांत क्या है? ₀₂ ν आवृत्ति का तीव्र प्रकाश के विकिरण सबसे कम ऊर्जा स्तर ई ₀ और ऊपरी के ई ₂ से परमाणुओं की एक बड़ी संख्या तक पंप करता है। ई ₁ करने के लिए परमाणुओं ई ₂ के साथ radiationless संक्रमण ई ₁ और ई ₀ के बीच एक जनसंख्या _{ह्रास,} जो व्यवहार में ही संभव है जब परमाणुओं एक metastable राज्य ई ₁ में एक लंबे समय के _हैं, और ई के लिए ई ₁ से संक्रमण ₂ तेजी से होता है स्थापित करता है। ताकि ई ₀ और ई ₁ के _बीच, जनसंख्या ह्रास हासिल की है और बढता है फोटोन ऊर्जा ई ₁ -E ₀ प्रेरित उत्सर्जन एक तीन स्तरीय लेजर के ऑपरेटिंग सिद्धांत, इन परिस्थितियों में है। व्यापक स्तर ई _2, अवशोषण तरंगदैर्ध्य रेंज और अधिक कुशलता से पंप करने के लिए बढ़ सकते हैं प्रेरित उत्सर्जन की वृद्धि हो जाती है।

तीन स्तरीय प्रणाली निचले स्तर के बाद से एक बहुत ही उच्च पम्पिंग शक्ति की आवश्यकता है, उत्पादन में शामिल कर रहे हैं, यह एक आधार है। इस मामले में, जनसंख्या ह्रास के क्रम में राज्य ई ₁ लिए हुआ परमाणुओं की कुल संख्या के आधे से अधिक पंप किया जाना है। इस मामले में, ऊर्जा बर्बाद हो जाता है। पंप शक्ति काफी कम किया जा सकता है अगर कम lasing स्तर आधार है, जो कम से कम एक चार स्तर प्रणाली की आवश्यकता है नहीं है।

सक्रिय पदार्थ की प्रकृति के आधार पर पराबैंगनीकिरण तीन बुनियादी श्रेणियों, अर्थात् ठोस, द्रव और गैस में वर्गीकृत किया जाता। 1958 के बाद से, जब पहली पीढ़ी के एक गहरे लाल रंग का क्रिस्टल में मनाया गया, वैज्ञानिक और शोधकर्ता प्रत्येक श्रेणी में सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला का अध्ययन किया है।

ठोस राज्य लेजर

आपरेशन जो एक इंसुलेटिंग क्रिस्टल जालक संक्रमण धातु जोड़कर बनाई है एक सक्रिय माध्यम के उपयोग पर आधारित है (इतने पर ती ^+3, सीआर ^+3, वी ^2, सह ^2, नी ^{+ 2,} फे ^2, और। डी) , दुर्लभ पृथ्वी आयनों (Ce ^+3, पीआर ^+3, एन डी ^+3, पीएम ^+3, एस.एम. ^+2, ईयू ^{+ 2 + 3,} Tb ^+3, उप ^+3, हो ^+3, एर ^+3, Yb ⁺³ , एट अल।), और इस तरह यू ⁺³ के रूप में ^{एक्टिनाइड्स।} की ऊर्जा का स्तर आयनों केवल पीढ़ी के लिए जिम्मेदार। आधार सामग्री के भौतिक गुण, इस तरह के तापीय चालकता और के रूप में थर्मल विस्तार लेजर के कुशल संचालन के लिए महत्वपूर्ण हैं। एक doped आयन आसपास परमाणुओं के स्थान जाली अपनी ऊर्जा का स्तर बदल जाता है। सक्रिय माध्यम में लहर पीढ़ी के विभिन्न लंबाई एक ही आयन में विभिन्न सामग्रियों डोपिंग के द्वारा प्राप्त कर रहे हैं।

holmium लेजर

एक ठोस राज्य लेजर का एक उदाहरण एक क्वांटम जनरेटर, जिसमें होल्मियम परमाणु की जगह क्रिस्टल जालक के आधार सामग्री है। हो: YAG सबसे अच्छा lasing सामग्री में से एक है। होल्मियम लेजर के ऑपरेटिंग सिद्धांत है कि yttrium एल्यूमीनियम गार्नेट होल्मियम आयनों, ऑप्टिकली फ्लैश दीपक से पंप और अवरक्त रेंज में 2097 एनएम के तरंग दैर्ध्य में अच्छी तरह से ऊतकों द्वारा अवशोषित कर लेता है पर उत्सर्जन करता है के साथ doped है। कैंसर की कोशिकाओं, गुर्दे और पित्ताशय की पथरी को भाप बनाने जोड़ों, दंत चिकित्सा, पर कार्रवाई के लिए इस लेजर का प्रयोग करें।

एक अर्धचालक क्वांटम जनरेटर

क्वांटम अच्छी तरह से लेज़रों सस्ती, बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए अनुमति देते हैं और आसानी से स्केलेबल हैं। के ऑपरेटिंग सिद्धांत लेजर अर्धचालक PN-डायोड जंक्शन है, जो एक सकारात्मक पूर्वाग्रह पर वाहक के पुनर्संयोजन द्वारा एक निश्चित तरंगदैर्ध्य के प्रकाश पैदा करता है, एल ई डी की तरह के उपयोग पर आधारित। एलईडी अनायास और लेज़र डायोड फेंकना - बलपूर्वक। हालत जनसंख्या ह्रास को पूरा करने के लिए, ऑपरेटिंग वर्तमान एक सीमा से अधिक होना चाहिए। एक अर्धचालक डायोड में सक्रिय माध्यम दो आयामी परतों के संबंध क्षेत्र के एक दृश्य है।

लेजर के इस प्रकार के आपरेशन के सिद्धांत है कि दोलनों कोई बाहरी दर्पण की आवश्यकता है बनाए रखना है। चिंतनशील क्षमता, कारण बनाया अपवर्तनांक को परतों और सक्रिय माध्यम के आंतरिक प्रतिबिंब, इस उद्देश्य के लिए पर्याप्त है। अंत सतहों डायोड समानांतर परावर्तक सतह प्रदान करता है कि तोड़ना।

एक ही प्रकार के अर्धचालक पदार्थ द्वारा गठित यौगिक एक homojunction कहा जाता है, के रूप में दो अलग-अलग जोड़ने के द्वारा स्थापित किया गया - heterojunction।

पी और एन वाहकों के एक उच्च घनत्व के साथ प्रकार के अर्धचालक एक बहुत पतली (≈1 मिमी) समाप्त हो परत के साथ एक पी-एन-जंक्शन के रूप में।

गैस लेजर

संचालन और लेजर के इस प्रकार के उपयोग के सिद्धांत यह संभव (पराबैंगनी से अवरक्त के लिए) और तरंग दैर्ध्य (मेगावाट करने के लिए milliwatts से) वास्तव में किसी भी क्षमता के उपकरणों को बनाने की और स्पंदित और सतत रूपों में काम कर सकते हैं बनाता है। सक्रिय मीडिया की प्रकृति के आधार पर, वहाँ गैस लेज़रों, अर्थात्, परमाणु ईओण और आणविक के तीन प्रकार हैं।

अधिकांश गैस लेज़रों बिजली निर्वहन से पंप। निकास नली में इलेक्ट्रॉनों इलेक्ट्रोड के बीच बिजली के क्षेत्र द्वारा त्वरित रहे हैं। वे परमाणुओं, आयनों या एक सक्रिय माध्यम के अणुओं के साथ टकराने और उच्च ऊर्जा स्तर के लिए संक्रमण के लिए प्रेरित जनसंख्या ह्रास और प्रेरित उत्सर्जन के एक राज्य को प्राप्त करने के।

आणविक लेजर

लेजर कार्रवाई के सिद्धांत तथ्य यह है कि, अलग परमाणुओं और परमाणु और आयन लेसरों में आयनों के विपरीत अणुओं असतत ऊर्जा के स्तर के व्यापक ऊर्जा बैंड के अधिकारी पर आधारित है। कुछ घूर्णी - इसके अलावा, प्रत्येक इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तर कंपन के स्तर की एक बड़ी संख्या है, और बदले में उन है।

इलेक्ट्रॉन ऊर्जा के स्तर के बीच ऊर्जा स्पेक्ट्रम के यूवी और दृश्य क्षेत्रों में है, जबकि कंपन-घूर्णी स्तरों के बीच - दूर और पास अवरक्त क्षेत्रों में। इस प्रकार, आणविक लेज़रों के सबसे एक दूर या निकट अवरक्त क्षेत्रों में काम कर रहे।

excimer लेसरों

Excimers आसियान क्षेत्रीय मंच, KRF, XeCl के रूप में इस तरह के अणु, जो स्थिर जमीन राज्य और प्रथम स्तर विभाजित कर रहे हैं। लेजर अगले के आपरेशन के सिद्धांत। आमतौर पर, अणुओं की जमीन राज्य में संख्या कम है, इसलिए जमीन राज्य से प्रत्यक्ष पम्पिंग संभव नहीं है। अणुओं एक यौगिक अक्रिय गैसों के साथ एक उच्च ऊर्जा halides होने से पहले उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक राज्य में गठन किया था। जनसंख्या ह्रास आसानी से हासिल की है के बाद से एक बुनियादी स्तर पर अणुओं की संख्या उत्साहित के साथ तुलना में बहुत कम है,। लेजर कार्रवाई के सिद्धांत, संक्षेप में, एक जमीन राज्य अलग करनेवाला करने के लिए एक के लिए बाध्य उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक राज्य से संक्रमण के लिए है। जमीन राज्य की जनसंख्या क्योंकि इस समय तक अणु परमाणुओं में अलग कर देना, एक निम्न स्तर पर हमेशा होता है।

उपकरण और लेज़रों सिद्धांत रूप में होते हैं कि निकास नली एक (एफ ₂₎ halide के मिश्रण और दुर्लभ गैस (Ar) से भरा है। यह इलेक्ट्रॉनों अलग कर देना और halide अणुओं को आयनीकृत और ऋणात्मक आयन पैदा करते हैं। सकारात्मक आयनों अर ⁺ और नकारात्मक एफ ^- प्रतिक्रिया और आधार राज्य repelling और संसक्त विकिरण की पीढ़ी के लिए बाद में संक्रमण के साथ जुड़े पहले उत्तेजित अवस्था में आसियान क्षेत्रीय मंच अणुओं का उत्पादन। Excimer लेजर, कार्रवाई के सिद्धांत और प्रयोग जिनमें से अब हम विचार कर रहे हैं, डाई के सक्रिय माध्यम के पंप के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

तरल लेजर

ठोस के साथ तुलना में, तरल पदार्थ अधिक सजातीय हैं और गैसों के साथ तुलना में, सक्रिय परमाणुओं के एक उच्च घनत्व है। इस के अलावा, वे, उत्पादन करने के लिए आसान गर्मी अपव्यय की अनुमति देने के लिए मुश्किल नहीं कर रहे हैं और आसानी से बदला जा सकता है। लेजर की कार्रवाई के सिद्धांत ऐसे डीसीएम के रूप में कार्बनिक डाई का एक लाभ माध्यम के रूप में प्रयोग किया जाता है (4-dicyanomethylene-2-मिथाइल-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, एलडीएस, coumarin, stilbene, और की तरह। डी ।, एक उपयुक्त विलायक में भंग कर दिया। डाई अणुओं का एक समाधान विकिरण जिसका तरंग दैर्ध्य एक अच्छा अवशोषण गुणांक है से उत्साहित है। लेजर कार्रवाई के सिद्धांत, संक्षेप में, एक लंबे समय तक तरंगदैर्ध्य, प्रतिदीप्ति कहा जाता है पर उत्पन्न करने के लिए है। ऊर्जा के बीच का अंतर अवशोषित और उत्सर्जित फोटॉनों nonradiative ऊर्जा संक्रमण का इस्तेमाल किया और प्रणाली गर्म करती है।

तरंगदैर्ध्य ट्यूनिंग - व्यापक बैंड प्रतिदीप्ति तरल पराबैंगनीकिरण एक अद्वितीय विशेषता है। संचालन और इस प्रकार एक ट्यूनेबल लेजर और सुसंगत प्रकाश स्रोत के रूप में के उपयोग के सिद्धांत, स्पेक्ट्रोस्कोपी, होलोग्रफ़ी में तेजी से महत्वपूर्ण है, और जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों में हो रहा है।

हाल ही में, लेज़रों आइसोटोप अलग होने के लिए डाई करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। इस मामले में, लेजर चुनिंदा उनमें से एक को उत्तेजित, उत्साह एक रासायनिक प्रतिक्रिया शुरू करते हैं।