लेजर उत्पादन का सिद्धांत

हमें लेजर के सिद्धांत को जानने की आवश्यकता क्यों है?

सामान्य सेमीकंडक्टर लेजर, फाइबर, डिस्क और के बीच अंतर जाननाYAG लेजरचयन प्रक्रिया के दौरान बेहतर समझ हासिल करने और अधिक चर्चा में शामिल होने में भी मदद मिल सकती है।

लेख मुख्य रूप से लोकप्रिय विज्ञान पर केंद्रित है: लेजर पीढ़ी के सिद्धांत का संक्षिप्त परिचय, लेजर की मुख्य संरचना और कई सामान्य प्रकार के लेजर।

सबसे पहले, लेजर पीढ़ी का सिद्धांत

लेज़र प्रकाश और पदार्थ के बीच परस्पर क्रिया के माध्यम से उत्पन्न होता है, जिसे उत्तेजित विकिरण प्रवर्धन के रूप में जाना जाता है; उत्तेजित विकिरण प्रवर्धन को समझने के लिए आइंस्टीन की सहज उत्सर्जन, उत्तेजित अवशोषण और उत्तेजित विकिरण की अवधारणाओं के साथ-साथ कुछ आवश्यक सैद्धांतिक नींव को समझने की आवश्यकता है।

सैद्धांतिक आधार 1: बोह्र मॉडल

बोह्र मॉडल मुख्य रूप से परमाणुओं की आंतरिक संरचना प्रदान करता है, जिससे यह समझना आसान हो जाता है कि लेजर कैसे होते हैं। एक परमाणु एक नाभिक और नाभिक के बाहर इलेक्ट्रॉनों से बना होता है, और इलेक्ट्रॉनों की कक्षाएँ मनमानी नहीं होती हैं। इलेक्ट्रॉनों में केवल कुछ निश्चित कक्षाएँ होती हैं, जिनमें से सबसे भीतरी कक्षा को जमीनी अवस्था कहा जाता है; यदि कोई इलेक्ट्रॉन जमीनी अवस्था में है, तो उसकी ऊर्जा सबसे कम होती है। यदि कोई इलेक्ट्रॉन किसी कक्षा से बाहर निकलता है, तो इसे पहली उत्तेजित अवस्था कहा जाता है, और पहली उत्तेजित अवस्था की ऊर्जा जमीनी अवस्था की तुलना में अधिक होगी; एक अन्य कक्षा को दूसरी उत्तेजित अवस्था कहा जाता है;

लेजर क्यों हो सकता है इसका कारण यह है कि इस मॉडल में इलेक्ट्रॉन विभिन्न कक्षाओं में घूमेंगे। यदि इलेक्ट्रॉन ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, तो वे जमीनी अवस्था से उत्तेजित अवस्था तक चल सकते हैं; यदि कोई इलेक्ट्रॉन उत्तेजित अवस्था से जमीनी अवस्था में लौटता है, तो यह ऊर्जा छोड़ेगा, जिसे अक्सर लेजर के रूप में जारी किया जाता है।

सैद्धांतिक आधार 2: आइंस्टीन का उत्तेजित विकिरण सिद्धांत

1917 में, आइंस्टीन ने उत्तेजित विकिरण के सिद्धांत का प्रस्ताव रखा, जो लेजर और लेजर उत्पादन का सैद्धांतिक आधार है: पदार्थ का अवशोषण या उत्सर्जन अनिवार्य रूप से विकिरण क्षेत्र और पदार्थ बनाने वाले कणों और उसके मूल के बीच बातचीत का परिणाम है सार विभिन्न ऊर्जा स्तरों के बीच कणों का संक्रमण है। प्रकाश और पदार्थ के बीच परस्पर क्रिया में तीन अलग-अलग प्रक्रियाएँ होती हैं: सहज उत्सर्जन, उत्तेजित उत्सर्जन, और उत्तेजित अवशोषण। बड़ी संख्या में कणों वाले सिस्टम के लिए, ये तीन प्रक्रियाएं हमेशा सह-अस्तित्व में रहती हैं और निकट से संबंधित होती हैं।

स्वत: उत्सर्जन:

जैसा कि चित्र में दिखाया गया है: उच्च-ऊर्जा स्तर E2 पर एक इलेक्ट्रॉन स्वतः ही निम्न-ऊर्जा स्तर E1 में परिवर्तित हो जाता है और hv की ऊर्जा के साथ एक फोटॉन उत्सर्जित करता है, और hv=E2-E1; इस स्वतःस्फूर्त एवं असंबद्ध संक्रमण प्रक्रिया को स्वतःस्फूर्त संक्रमण कहा जाता है तथा स्वतःस्फूर्त संक्रमणों से निकलने वाली प्रकाश तरंगों को स्वतःस्फूर्त विकिरण कहा जाता है।

सहज उत्सर्जन की विशेषताएँ: प्रत्येक फोटॉन स्वतंत्र है, अलग-अलग दिशाओं और चरणों के साथ, और घटना का समय भी यादृच्छिक है। यह असंगत और अराजक प्रकाश से संबंधित है, जो लेजर के लिए आवश्यक प्रकाश नहीं है। इसलिए, लेजर उत्पादन प्रक्रिया को इस प्रकार की भटकती रोशनी को कम करने की आवश्यकता है। यह भी एक कारण है कि विभिन्न लेज़रों की तरंग दैर्ध्य में प्रकाश भटक जाता है। यदि अच्छी तरह से नियंत्रित किया जाए, तो लेजर में सहज उत्सर्जन के अनुपात को नजरअंदाज किया जा सकता है। लेज़र जितना शुद्ध होता है, जैसे कि 1060 एनएम, यह सभी 1060 एनएम होता है, इस प्रकार के लेज़र में अपेक्षाकृत स्थिर अवशोषण दर और शक्ति होती है।

उत्तेजित अवशोषण:

कम ऊर्जा स्तर (कम कक्षा) पर इलेक्ट्रॉन, फोटॉन को अवशोषित करने के बाद, उच्च ऊर्जा स्तर (उच्च कक्षा) में परिवर्तित हो जाते हैं, और इस प्रक्रिया को उत्तेजित अवशोषण कहा जाता है। उत्तेजित अवशोषण महत्वपूर्ण है और प्रमुख पंपिंग प्रक्रियाओं में से एक है। लेज़र का पंप स्रोत फोटॉन ऊर्जा प्रदान करता है जिससे लाभ माध्यम में कण संक्रमण के लिए प्रेरित होते हैं और लेज़र उत्सर्जित करते हुए उच्च ऊर्जा स्तरों पर उत्तेजित विकिरण की प्रतीक्षा करते हैं।

उत्तेजित विकिरण:

जब बाह्य ऊर्जा (hv=E2-E1) के प्रकाश से विकिरणित होता है, तो उच्च ऊर्जा स्तर पर इलेक्ट्रॉन बाहरी फोटॉन द्वारा उत्तेजित होता है और निम्न ऊर्जा स्तर पर कूद जाता है (उच्च कक्षा निम्न कक्षा की ओर चलती है)। साथ ही, यह एक फोटॉन उत्सर्जित करता है जो बिल्कुल बाहरी फोटॉन जैसा ही होता है। यह प्रक्रिया मूल उत्तेजना प्रकाश को अवशोषित नहीं करती है, इसलिए दो समान फोटॉन होंगे, जिसे समझा जा सकता है कि इलेक्ट्रॉन पहले अवशोषित फोटॉन को बाहर निकालता है, इस ल्यूमिनसेंस प्रक्रिया को उत्तेजित विकिरण कहा जाता है, जो उत्तेजित अवशोषण की विपरीत प्रक्रिया है।

सिद्धांत स्पष्ट होने के बाद, लेज़र का निर्माण करना बहुत सरल है, जैसा कि उपरोक्त चित्र में दिखाया गया है: सामग्री स्थिरता की सामान्य परिस्थितियों में, अधिकांश इलेक्ट्रॉन जमीनी अवस्था में होते हैं, इलेक्ट्रॉन जमीनी अवस्था में होते हैं, और लेज़र निर्भर करता है उत्तेजित विकिरण. इसलिए, लेजर की संरचना पहले उत्तेजित अवशोषण की अनुमति देती है, इलेक्ट्रॉनों को उच्च ऊर्जा स्तर पर लाती है, और फिर बड़ी संख्या में उच्च ऊर्जा स्तर के इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित विकिरण से गुजरने के लिए उत्तेजना प्रदान करती है, जिससे फोटॉन निकलते हैं, इससे, लेजर उत्पन्न किया जा सकता है। आगे, हम लेजर संरचना का परिचय देंगे।

लेजर संरचना:

लेज़र संरचना का मिलान पहले बताई गई लेज़र उत्पादन स्थितियों से एक-एक करके करें:

घटना की स्थिति और संबंधित संरचना:

1. एक लाभ माध्यम है जो लेजर कार्यशील माध्यम के रूप में प्रवर्धन प्रभाव प्रदान करता है, और इसके सक्रिय कणों में उत्तेजित विकिरण उत्पन्न करने के लिए उपयुक्त ऊर्जा स्तर की संरचना होती है (मुख्य रूप से उच्च-ऊर्जा कक्षाओं में इलेक्ट्रॉनों को पंप करने में सक्षम और एक निश्चित अवधि के लिए मौजूद रहती है) , और फिर उत्तेजित विकिरण के माध्यम से एक सांस में फोटॉन जारी करें);

2. एक बाहरी उत्तेजना स्रोत (पंप स्रोत) है जो निचले स्तर से ऊपरी स्तर तक इलेक्ट्रॉनों को पंप कर सकता है, जिससे लेजर के ऊपरी और निचले स्तर के बीच कण संख्या उलट जाती है (यानी, जब अधिक उच्च-ऊर्जा कण होते हैं) कम ऊर्जा वाले कण), जैसे कि YAG लेजर में क्सीनन लैंप;

3. एक गुंजयमान गुहा है जो लेजर दोलन प्राप्त कर सकती है, लेजर कार्यशील सामग्री की कार्यशील लंबाई बढ़ा सकती है, प्रकाश तरंग मोड को स्क्रीन कर सकती है, बीम के प्रसार दिशा को नियंत्रित कर सकती है, मोनोक्रोमैटिकिटी में सुधार करने के लिए उत्तेजित विकिरण आवृत्ति को चुनिंदा रूप से बढ़ा सकती है (सुनिश्चित करें कि लेजर एक निश्चित ऊर्जा पर आउटपुट होता है)।

संबंधित संरचना उपरोक्त चित्र में दिखाई गई है, जो YAG लेजर की एक सरल संरचना है। अन्य संरचनाएँ अधिक जटिल हो सकती हैं, लेकिन मूल यही है। लेजर उत्पादन प्रक्रिया को चित्र में दिखाया गया है:

लेजर वर्गीकरण: आम तौर पर लाभ माध्यम या लेजर ऊर्जा रूप द्वारा वर्गीकृत किया जाता है

लाभ मध्यम वर्गीकरण:

कार्बन डाइऑक्साइड लेजर: कार्बन डाइऑक्साइड लेजर का लाभ माध्यम हीलियम है औरCO2 लेजर,10.6um की लेजर तरंग दैर्ध्य के साथ, जो लॉन्च होने वाले सबसे पहले लेजर उत्पादों में से एक है। प्रारंभिक लेजर वेल्डिंग मुख्य रूप से कार्बन डाइऑक्साइड लेजर पर आधारित थी, जिसका उपयोग वर्तमान में मुख्य रूप से वेल्डिंग और गैर-धातु सामग्री (कपड़े, प्लास्टिक, लकड़ी, आदि) को काटने के लिए किया जाता है। इसके अलावा, इसका उपयोग लिथोग्राफी मशीनों पर भी किया जाता है। कार्बन डाइऑक्साइड लेजर को ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से प्रसारित नहीं किया जा सकता है और स्थानिक ऑप्टिकल पथों के माध्यम से यात्रा करता है, सबसे पहले टोंगकुई अपेक्षाकृत अच्छी तरह से किया गया था, और बहुत सारे काटने वाले उपकरण का उपयोग किया गया था;

YAG (yttrium एल्यूमीनियम गार्नेट) लेजर: नियोडिमियम (Nd) या yttrium (Yb) धातु आयनों के साथ डोप किए गए YAG क्रिस्टल को 1.06um की उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य के साथ लेजर लाभ माध्यम के रूप में उपयोग किया जाता है। YAG लेजर उच्च दालों का उत्पादन कर सकता है, लेकिन औसत शक्ति कम है, और चरम शक्ति औसत शक्ति से 15 गुना तक पहुंच सकती है। यदि यह मुख्य रूप से एक पल्स लेजर है, तो निरंतर आउटपुट प्राप्त नहीं किया जा सकता है; लेकिन इसे ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से प्रेषित किया जा सकता है, और साथ ही, धातु सामग्री की अवशोषण दर बढ़ जाती है, और इसे उच्च परावर्तन सामग्री में लागू किया जाना शुरू हो गया है, पहले 3 सी क्षेत्र में लागू किया गया है;

फाइबर लेजर: बाजार में वर्तमान मुख्यधारा 1060 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ लाभ माध्यम के रूप में यटरबियम डोप्ड फाइबर का उपयोग करती है। इसे माध्यम के आकार के आधार पर फाइबर और डिस्क लेजर में विभाजित किया गया है; फाइबर ऑप्टिक आईपीजी का प्रतिनिधित्व करता है, जबकि डिस्क टोंगकुई का प्रतिनिधित्व करता है।

सेमीकंडक्टर लेजर: लाभ माध्यम एक सेमीकंडक्टर पीएन जंक्शन है, और सेमीकंडक्टर लेजर की तरंग दैर्ध्य मुख्य रूप से 976 एनएम है। वर्तमान में, सेमीकंडक्टर निकट-अवरक्त लेजर का उपयोग मुख्य रूप से 600um से ऊपर के हल्के धब्बों के साथ क्लैडिंग के लिए किया जाता है। लेजरलाइन सेमीकंडक्टर लेजर का एक प्रतिनिधि उद्यम है।

ऊर्जा क्रिया के रूप द्वारा वर्गीकृत: पल्स लेजर (PULSE), अर्ध निरंतर लेजर (QCW), निरंतर लेजर (CW)

पल्स लेजर: नैनोसेकंड, पिकोसेकंड, फेमटोसेकंड, यह उच्च-आवृत्ति पल्स लेजर (एनएस, पल्स चौड़ाई) अक्सर उच्च शिखर ऊर्जा, उच्च आवृत्ति (एमएचजेड) प्रसंस्करण प्राप्त कर सकता है, जिसका उपयोग पतली तांबे और एल्यूमीनियम असमान सामग्री के प्रसंस्करण के साथ-साथ ज्यादातर सफाई के लिए किया जाता है। . उच्च शिखर ऊर्जा का उपयोग करके, यह कम क्रिया समय और छोटे ताप प्रभावित क्षेत्र के साथ आधार सामग्री को जल्दी से पिघला सकता है। अति पतली सामग्री (0.5 मिमी से नीचे) के प्रसंस्करण में इसके फायदे हैं;

अर्ध निरंतर लेजर (QCW): उच्च पुनरावृत्ति दर और कम कर्तव्य चक्र (50% से नीचे) के कारण, की पल्स चौड़ाईQCW लेजर50 यूएस-50 एमएस तक पहुंचता है, किलोवाट स्तर के निरंतर फाइबर लेजर और क्यू-स्विच्ड पल्स लेजर के बीच के अंतर को भरता है; एक अर्ध निरंतर फाइबर लेजर की चरम शक्ति निरंतर मोड ऑपरेशन के तहत औसत शक्ति से 10 गुना तक पहुंच सकती है। QCW लेजर में आम तौर पर दो मोड होते हैं, एक कम शक्ति पर निरंतर वेल्डिंग है, और दूसरा औसत शक्ति से 10 गुना की चरम शक्ति के साथ स्पंदित लेजर वेल्डिंग है, जो मोटी सामग्री और अधिक गर्मी वेल्डिंग प्राप्त कर सकता है, साथ ही साथ गर्मी को नियंत्रित भी कर सकता है। बहुत छोटी सीमा;

सतत लेजर (सीडब्ल्यू): यह सबसे अधिक उपयोग किया जाता है, और बाजार में देखे जाने वाले अधिकांश लेजर सीडब्ल्यू लेजर हैं जो वेल्डिंग प्रसंस्करण के लिए लगातार लेजर आउटपुट करते हैं। फाइबर लेजर को अलग-अलग कोर व्यास और बीम गुणों के अनुसार सिंगल-मोड और मल्टी-मोड लेजर में विभाजित किया जाता है, और विभिन्न एप्लिकेशन परिदृश्यों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।