लेजर बीम कैसे बनाएं

लेजर के माध्यम से प्रकाश की शक्ति का उपयोग करके, आप विभिन्न उद्देश्यों के लिए लेजर का उपयोग कर सकते हैं और अंतर्निहित भौतिकी और रसायन शास्त्र का अध्ययन करके उन्हें बेहतर ढंग से समझ सकते हैं जो उन्हें काम करता है।

आम तौर पर, एक लेज़र एक लेज़र सामग्री द्वारा निर्मित होता है, चाहे वह ठोस, तरल या गैस हो, जो प्रकाश के रूप में विकिरण देता है। "विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन" के लिए एक संक्षिप्त शब्द के रूप में, उत्तेजित उत्सर्जन की विधि से पता चलता है कि लेजर विद्युत चुम्बकीय विकिरण के अन्य स्रोतों से कैसे भिन्न होते हैं। यह जानकर कि प्रकाश की ये आवृत्तियाँ कैसे निकलती हैं, आप विभिन्न उपयोगों के लिए उनकी क्षमता का दोहन कर सकते हैं।

लेजर को एक उपकरण के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो विद्युत चुम्बकीय विकिरण उत्सर्जित करने के लिए इलेक्ट्रॉनों को सक्रिय करता है। इस लेजर परिभाषा का अर्थ है कि विकिरण विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम पर रेडियो तरंगों से लेकर गामा किरणों तक किसी भी प्रकार का रूप ले सकता है।

आम तौर पर लेज़रों का प्रकाश एक संकीर्ण पथ के साथ यात्रा करता है, लेकिन उत्सर्जित तरंगों की एक विस्तृत श्रृंखला वाले लेज़र भी संभव हैं। लेज़रों की इन धारणाओं के माध्यम से, आप उन्हें समुद्र के किनारे समुद्र की लहरों की तरह लहरों के रूप में सोच सकते हैं।

वैज्ञानिकों ने लेज़रों को उनके सुसंगतता के संदर्भ में वर्णित किया है, एक विशेषता जो यह बताती है कि क्या दो संकेतों के बीच चरण अंतर चरण में है और उनकी आवृत्ति और तरंग समान हैं। यदि आप लेज़रों को चोटियों, घाटियों और गर्तों वाली तरंगों के रूप में कल्पना करते हैं, तो चरण अंतर होगा कि कैसे एक लहर दूसरे के साथ काफी तालमेल में नहीं है या दो तरंगें कितनी दूर होंगी अतिव्यापी।

प्रकाश की आवृत्ति यह है कि एक सेकंड में दिए गए बिंदु से कितने तरंग शिखर गुजरते हैं, और तरंगदैर्घ्य गर्त से गर्त तक या शिखर से शिखर तक एकल तरंग की पूरी लंबाई है।

फोटॉन, व्यक्ति ऊर्जा के क्वांटम कण, लेजर के विद्युत चुम्बकीय विकिरण बनाते हैं। इन परिमाणित पैकेटों का अर्थ है कि एक लेज़र के प्रकाश में हमेशा a की ऊर्जा के गुणज के रूप में ऊर्जा होती है एकल फोटॉन और यह इन क्वांटम "पैकेट" में आता है। यह वही है जो विद्युत चुम्बकीय तरंगें बनाता है कण के समान।

कई प्रकार के उपकरण लेज़रों का उत्सर्जन करते हैं, जैसे कि ऑप्टिकल कैविटी। ये ऐसे कक्ष हैं जो एक ऐसी सामग्री से प्रकाश को परावर्तित करते हैं जो विद्युत चुम्बकीय विकिरण को वापस अपने आप में उत्सर्जित करती है। वे आम तौर पर दो दर्पणों से बने होते हैं, सामग्री के प्रत्येक छोर पर एक ऐसा होता है कि जब वे प्रकाश को प्रतिबिंबित करते हैं, तो प्रकाश की किरणें मजबूत हो जाती हैं। ये प्रवर्धित संकेत लेजर गुहा के अंत में एक पारदर्शी लेंस के माध्यम से बाहर निकलते हैं।

जब एक ऊर्जा स्रोत की उपस्थिति में, जैसे कि एक बाहरी बैटरी जो करंट की आपूर्ति करती है, विद्युत चुम्बकीय विकिरण का उत्सर्जन करने वाली सामग्री विभिन्न ऊर्जा अवस्थाओं में लेजर के प्रकाश का उत्सर्जन करती है। ये ऊर्जा स्तर, या क्वांटम स्तर, स्रोत सामग्री पर ही निर्भर करते हैं। सामग्री में इलेक्ट्रॉनों की उच्च ऊर्जा अवस्थाओं के अस्थिर होने या उत्तेजित अवस्था में होने की अधिक संभावना होती है, और लेज़र अपने प्रकाश के माध्यम से इनका उत्सर्जन करेगा।

अन्य रोशनी के विपरीत, जैसे कि टॉर्च से प्रकाश, लेज़र अपने साथ आवधिक चरणों में प्रकाश देते हैं। इसका मतलब है कि लेजर लाइन की प्रत्येक लहर की शिखा और गर्त उन तरंगों के साथ होती है जो पहले और बाद में आती हैं, जिससे उनका प्रकाश सुसंगत हो जाता है।

लेज़रों को इस तरह से डिज़ाइन किया गया है कि वे विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम की विशिष्ट आवृत्तियों का प्रकाश देते हैं। कई मामलों में, यह प्रकाश संकीर्ण, असतत बीम का रूप ले लेता है जो कि लेज़र सटीक आवृत्तियों पर उत्सर्जित करते हैं, लेकिन कुछ लेज़र प्रकाश की व्यापक, निरंतर रेंज देते हैं।

एक बाहरी ऊर्जा स्रोत द्वारा संचालित लेजर की एक विशेषता जो हो सकती है वह जनसंख्या उलटा है। यह उत्तेजित उत्सर्जन का एक रूप है, और यह तब होता है जब एक उत्तेजित अवस्था में कणों की संख्या निचले स्तर की ऊर्जा अवस्था में कणों की संख्या से अधिक हो जाती है।

जब लेज़र जनसंख्या व्युत्क्रमण प्राप्त करता है, तो इस उत्तेजित उत्सर्जन की मात्रा जो प्रकाश पैदा कर सकती है, दर्पण से अवशोषण की मात्रा से अधिक होगी। यह एक ऑप्टिकल एम्पलीफायर बनाता है, और, यदि आप एक गुंजयमान ऑप्टिकल गुहा के अंदर रखते हैं, तो आपने एक लेजर थरथरानवाला बनाया है।

रोमांचक और उत्सर्जक इलेक्ट्रॉनों की ये विधियाँ लेज़रों को ऊर्जा का स्रोत होने का आधार बनाती हैं, एक लेज़र सिद्धांत जो कई उपयोगों में पाया जाता है। मात्राबद्ध स्तर जो इलेक्ट्रॉनों पर कब्जा कर सकते हैं वे कम ऊर्जा वाले होते हैं जिन्हें जारी करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता नहीं होती है और उच्च ऊर्जा कण जो नाभिक के करीब और तंग रहते हैं। जब सही दिशा और ऊर्जा स्तर में परमाणुओं के आपस में टकराने के कारण इलेक्ट्रॉन निकलता है, तो यह स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन होता है।

जब स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन होता है, तो परमाणु द्वारा उत्सर्जित फोटॉन की एक यादृच्छिक प्रावस्था और दिशा होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि अनिश्चितता का सिद्धांत वैज्ञानिकों को एक कण की स्थिति और गति दोनों को पूर्ण सटीकता के साथ जानने से रोकता है। जितना अधिक आप किसी कण की स्थिति के बारे में जानते हैं, उतना ही कम आप उसकी गति के बारे में जानते हैं, और इसके विपरीत।

आप प्लैंक समीकरण का उपयोग करके इन उत्सर्जन की ऊर्जा की गणना कर सकते हैं

एक ऊर्जा के लिएइजूल में, आवृत्तिνs. में इलेक्ट्रॉन का^-1 और प्लैंक स्थिरांकएच​ = ​6.63 × 10^-34 म² किग्रा / एस।एक परमाणु से उत्सर्जित होने पर एक फोटॉन की ऊर्जा की गणना ऊर्जा में परिवर्तन के रूप में भी की जा सकती है। ऊर्जा में इस परिवर्तन के साथ संबद्ध आवृत्ति को खोजने के लिए, गणना करेंνइस उत्सर्जन के ऊर्जा मूल्यों का उपयोग करना।

लेज़रों के लिए व्यापक उपयोगों को देखते हुए, लेज़रों को उद्देश्य, प्रकाश के प्रकार या यहाँ तक कि स्वयं लेज़रों की सामग्री के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है। उन्हें वर्गीकृत करने के तरीके के साथ आने के लिए लेज़रों के इन सभी आयामों को ध्यान में रखना होगा। उन्हें समूहबद्ध करने का एक तरीका उनके द्वारा उपयोग किए जाने वाले प्रकाश की तरंग दैर्ध्य है।

एक लेजर के विद्युत चुम्बकीय विकिरण की तरंग दैर्ध्य उनके द्वारा उपयोग की जाने वाली ऊर्जा की आवृत्ति और शक्ति को निर्धारित करती है। एक बड़ी तरंग दैर्ध्य ऊर्जा की एक छोटी मात्रा और एक छोटी आवृत्ति के साथ सहसंबद्ध होती है। इसके विपरीत, प्रकाश की किरण की अधिक आवृत्ति का अर्थ है कि इसमें अधिक ऊर्जा है।

आप लेज़रों को लेज़र सामग्री की प्रकृति के अनुसार समूहित भी कर सकते हैं। सॉलिड स्टेट लेज़र परमाणुओं के एक ठोस मैट्रिक्स का उपयोग करते हैं जैसे कि क्रिस्टल येट्रियम एल्युमिनियम गार्नेट में प्रयुक्त नियोडिमियम जिसमें इस प्रकार के लेज़र के लिए नियोडिमियम आयन होते हैं। गैस लेज़र हीलियम और नियॉन जैसी ट्यूब में गैसों के मिश्रण का उपयोग करते हैं जो लाल रंग का निर्माण करते हैं। डाई लेज़र कार्बनिक डाई सामग्री द्वारा तरल समाधान या निलंबन में बनाए जाते हैं

डाई लेज़र एक लेज़र माध्यम का उपयोग करते हैं जो आमतौर पर तरल घोल या निलंबन में एक जटिल कार्बनिक डाई होता है। सेमीकंडक्टर लेज़र सेमीकंडक्टर सामग्री की दो परतों का उपयोग करते हैं जिन्हें बड़े सरणियों में बनाया जा सकता है। अर्धचालक ऐसी सामग्री है जो एक इन्सुलेटर और एक कंडक्टर के बीच की ताकत का उपयोग करके बिजली का संचालन करती है जो कम मात्रा में अशुद्धियों का उपयोग करते हैं, या रसायन पेश किए गए रसायनों या परिवर्तनों के कारण पेश किए गए हैं तापमान।

अपने सभी अलग-अलग उपयोगों के लिए, सभी लेज़र प्रकाश के स्रोत के इन दो घटकों का उपयोग ठोस, तरल या गैस के रूप में करते हैं जो इलेक्ट्रॉनों को छोड़ते हैं और इस स्रोत को उत्तेजित करने के लिए कुछ करते हैं। यह एक और लेज़र या लेज़र सामग्री का स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन हो सकता है।

कुछ लेज़र पंपिंग सिस्टम, लेज़र माध्यम में कणों की ऊर्जा बढ़ाने के तरीकों का उपयोग करते हैं जो उन्हें जनसंख्या को उलटने के लिए उनके उत्तेजित अवस्था तक पहुँचने देते हैं। एक गैस फ्लैश लैंप का उपयोग ऑप्टिकल पंपिंग में किया जा सकता है जो लेजर सामग्री को ऊर्जा प्रदान करता है। ऐसे मामलों में जहां लेजर सामग्री की ऊर्जा सामग्री के भीतर परमाणुओं के टकराव पर निर्भर करती है, सिस्टम को टक्कर पंपिंग के रूप में जाना जाता है।

एक लेज़र बीम के घटक इस बात में भी भिन्न होते हैं कि उन्हें ऊर्जा देने में कितना समय लगता है। निरंतर तरंग लेजर एक स्थिर औसत बीम शक्ति का उपयोग करते हैं। उच्च शक्ति प्रणालियों के साथ, आप आम तौर पर शक्ति को समायोजित कर सकते हैं, लेकिन, हीलियम-नियॉन लेजर जैसे कम शक्ति वाले गैस लेजर के साथ, गैस की सामग्री के आधार पर बिजली का स्तर तय किया जाता है।

हीलियम-नियॉन लेजर पहली निरंतर तरंग प्रणाली थी और इसे लाल बत्ती देने के लिए जाना जाता है। ऐतिहासिक रूप से, उन्होंने अपनी सामग्री को उत्तेजित करने के लिए रेडियो आवृत्ति संकेतों का उपयोग किया, लेकिन आजकल वे लेजर की ट्यूब में इलेक्ट्रोड के बीच एक छोटे से प्रत्यक्ष वर्तमान निर्वहन का उपयोग करते हैं।

जब हीलियम में इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होते हैं, तो वे टकरावों के माध्यम से नियॉन परमाणुओं को ऊर्जा देते हैं जो नियॉन परमाणुओं के बीच जनसंख्या व्युत्क्रमण पैदा करते हैं। हीलियम-नियॉन लेजर उच्च आवृत्तियों पर भी स्थिर तरीके से कार्य कर सकता है। इसका उपयोग पाइपलाइनों को संरेखित करने, सर्वेक्षण करने और एक्स-रे में किया जाता है।

तीन महान गैसों, आर्गन, क्रिप्टन और क्सीनन, ने लेजर अनुप्रयोगों में दर्जनों लेजर आवृत्तियों में उपयोग दिखाया है जो पराबैंगनी से अवरक्त तक फैले हुए हैं। विशिष्ट आवृत्तियों और उत्सर्जन का उत्पादन करने के लिए आप इन तीन गैसों को एक दूसरे के साथ मिला सकते हैं। अपने आयनिक रूपों में ये गैसें अपने इलेक्ट्रॉनों को एक दूसरे से टकराकर तब तक उत्तेजित होने देती हैं जब तक कि वे जनसंख्या व्युत्क्रम प्राप्त नहीं कर लेते।

इस प्रकार के लेज़रों के कई डिज़ाइन आपको वांछित आवृत्तियों को प्राप्त करने के लिए कैविटी को उत्सर्जित करने के लिए एक निश्चित तरंग दैर्ध्य का चयन करने देंगे। गुहा के भीतर दर्पणों की जोड़ी में हेरफेर करने से आप प्रकाश की एकवचन आवृत्तियों को अलग कर सकते हैं। तीन गैसें, आर्गन, क्रिप्टन और क्सीनन, आपको प्रकाश आवृत्तियों के कई संयोजनों में से चुनने की अनुमति देती हैं।

ये लेज़र ऐसे आउटपुट उत्पन्न करते हैं जो अत्यधिक स्थिर होते हैं और अधिक ऊष्मा उत्पन्न नहीं करते हैं। ये लेज़र उन्हीं रासायनिक और भौतिक सिद्धांतों को दिखाते हैं जिनका उपयोग प्रकाशस्तंभों के साथ-साथ स्ट्रोबोस्कोप जैसे उज्ज्वल, विद्युत लैंप में किया जाता है।

कार्बन डाइऑक्साइड लेज़र निरंतर तरंग लेज़रों में सबसे कुशल और प्रभावी हैं। वे एक प्लाज्मा ट्यूब में विद्युत प्रवाह का उपयोग करके कार्य करते हैं जिसमें कार्बन डाइऑक्साइड गैस होती है। इलेक्ट्रॉन टकराव इन गैस अणुओं को उत्तेजित करते हैं जो तब ऊर्जा छोड़ते हैं। आप विभिन्न लेजर आवृत्तियों का उत्पादन करने के लिए नाइट्रोजन, हीलियम, क्सीनन, कार्बन डाइऑक्साइड और पानी भी जोड़ सकते हैं।

विभिन्न क्षेत्रों में उपयोग किए जा सकने वाले लेजर के प्रकारों को देखते हुए, आप यह निर्धारित कर सकते हैं कि कौन सी बड़ी मात्रा में शक्ति पैदा कर सकते हैं क्योंकि उनके पास एक उच्च दक्षता दर है जैसे कि वे उन्हें दी गई ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण अनुपात बिना ज्यादा खर्च किए उपयोग करते हैं बेकार। जबकि हीलियम-नियॉन लेज़रों की दक्षता दर .1% से कम है, कार्बन डाइऑक्साइड लेज़रों की दर हीलियम-नियॉन लेज़रों की तुलना में लगभग 30 प्रतिशत, 300 गुना है। इसके बावजूद, कार्बन डाइऑक्साइड लेज़रों को हीलियम-नियॉन लेज़रों के विपरीत, उनकी उपयुक्त आवृत्तियों को प्रतिबिंबित करने या प्रसारित करने के लिए विशेष कोटिंग की आवश्यकता होती है।

एक्सीमर लेज़र पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश का उपयोग करते हैं, जब पहली बार 1975 में आविष्कार किया गया था, जिसमें माइक्रोसर्जरी और औद्योगिक माइक्रोलिथोग्राफी में सटीकता के लिए लेज़रों का एक केंद्रित बीम बनाने का प्रयास किया गया था। उनका नाम "एक्साइटेड डिमर" शब्द से आया है जिसमें एक डिमर गैस संयोजनों का उत्पाद है जो विद्युत रूप से होते हैं एक ऊर्जा स्तर विन्यास से उत्साहित है जो विद्युत चुम्बकीय की यूवी रेंज में प्रकाश की विशिष्ट आवृत्तियों का निर्माण करता है स्पेक्ट्रम।

ये लेजर क्लोरीन और फ्लोरीन जैसी प्रतिक्रियाशील गैसों के साथ-साथ महान गैसों आर्गन, क्रिप्टन और क्सीनन की मात्रा का उपयोग करते हैं। नेत्र शल्य चिकित्सा लेजर अनुप्रयोगों के लिए उनका कितना शक्तिशाली और प्रभावी उपयोग किया जा सकता है, यह देखते हुए चिकित्सक और शोधकर्ता अभी भी शल्य चिकित्सा अनुप्रयोगों में उनके उपयोग की खोज कर रहे हैं। एक्सीमर लेजर कॉर्निया में गर्मी उत्पन्न नहीं करते हैं, लेकिन उनकी ऊर्जा इंटरमॉलिक्युलर बॉन्ड को तोड़ सकती है कॉर्नियल ऊतक को अनावश्यक क्षति पहुंचाए बिना "फोटोब्लेटिव अपघटन" नामक प्रक्रिया में आँख।