लेजर उत्पादन का सिद्धांत

हमें लेजर के सिद्धांत को जानना क्यों आवश्यक है?

सामान्य सेमीकंडक्टर लेजर, फाइबर, डिस्क और अन्य के बीच अंतर जाननावाईएजी लेजरइससे चयन प्रक्रिया के दौरान बेहतर समझ हासिल करने और अधिक चर्चाओं में शामिल होने में भी मदद मिल सकती है।

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

सर्वप्रथम, लेजर उत्पादन का सिद्धांत

प्रकाश और पदार्थ के बीच परस्पर क्रिया से लेजर उत्पन्न होता है, जिसे उत्तेजित विकिरण प्रवर्धन के रूप में जाना जाता है; उत्तेजित विकिरण प्रवर्धन को समझने के लिए आइंस्टीन की स्वतः उत्सर्जन, उत्तेजित अवशोषण और उत्तेजित विकिरण की अवधारणाओं के साथ-साथ कुछ आवश्यक सैद्धांतिक आधारों को समझना आवश्यक है।

सैद्धांतिक आधार 1: बोहर मॉडल

बोहर मॉडल मुख्य रूप से परमाणुओं की आंतरिक संरचना प्रदान करता है, जिससे लेज़रों की उत्पत्ति को समझना आसान हो जाता है। एक परमाणु नाभिक और नाभिक के बाहर इलेक्ट्रॉनों से बना होता है, और इलेक्ट्रॉनों की कक्षाएँ निश्चित होती हैं। इलेक्ट्रॉनों की केवल कुछ निश्चित कक्षाएँ होती हैं, जिनमें से सबसे भीतरी कक्षा को मूल अवस्था कहा जाता है; यदि कोई इलेक्ट्रॉन मूल अवस्था में है, तो उसकी ऊर्जा सबसे कम होती है। यदि कोई इलेक्ट्रॉन अपनी कक्षा से बाहर निकलता है, तो उसे पहली उत्तेजित अवस्था कहा जाता है, और पहली उत्तेजित अवस्था की ऊर्जा मूल अवस्था की ऊर्जा से अधिक होती है; दूसरी कक्षा को दूसरी उत्तेजित अवस्था कहा जाता है।

इस मॉडल में इलेक्ट्रॉनों के विभिन्न कक्षाओं में गति करने के कारण ही लेजर उत्पन्न हो पाता है। यदि इलेक्ट्रॉन ऊर्जा अवशोषित करते हैं, तो वे मूल अवस्था से उत्तेजित अवस्था में जा सकते हैं; यदि कोई इलेक्ट्रॉन उत्तेजित अवस्था से मूल अवस्था में लौटता है, तो वह ऊर्जा मुक्त करता है, जो अक्सर लेजर के रूप में उत्सर्जित होती है।

सैद्धांतिक आधार 2: आइंस्टीन का प्रेरित विकिरण सिद्धांत

1917 में, आइंस्टीन ने प्रेरित विकिरण का सिद्धांत प्रस्तावित किया, जो लेजर और लेजर उत्पादन का सैद्धांतिक आधार है: पदार्थ का अवशोषण या उत्सर्जन मूलतः विकिरण क्षेत्र और पदार्थ के कणों के बीच परस्पर क्रिया का परिणाम है, और इसका मूल तत्व कणों का विभिन्न ऊर्जा स्तरों के बीच संक्रमण है। प्रकाश और पदार्थ की परस्पर क्रिया में तीन अलग-अलग प्रक्रियाएं होती हैं: स्वतः उत्सर्जन, प्रेरित उत्सर्जन और प्रेरित अवशोषण। बड़ी संख्या में कणों वाले तंत्र के लिए, ये तीनों प्रक्रियाएं हमेशा साथ-साथ मौजूद होती हैं और एक दूसरे से घनिष्ठ रूप से संबंधित होती हैं।

स्वत: उत्सर्जन:

जैसा कि चित्र में दिखाया गया है: उच्च ऊर्जा स्तर E2 पर स्थित एक इलेक्ट्रॉन स्वतः ही निम्न ऊर्जा स्तर E1 पर स्थानांतरित हो जाता है और hv ऊर्जा वाला एक फोटॉन उत्सर्जित करता है, जहाँ hv = E2 - E1 है। इस स्वतः और असंबद्ध संक्रमण प्रक्रिया को स्वतः संक्रमण कहा जाता है, और स्वतः संक्रमण द्वारा उत्सर्जित प्रकाश तरंगों को स्वतः विकिरण कहा जाता है।

स्वतः उत्सर्जन की विशेषताएँ: प्रत्येक फोटॉन स्वतंत्र होता है, जिसकी दिशाएँ और अवस्थाएँ भिन्न-भिन्न होती हैं, और इसका घटित होना भी अनियमित होता है। यह असंगत और अव्यवस्थित प्रकाश की श्रेणी में आता है, जो लेज़र के लिए आवश्यक प्रकाश नहीं है। इसलिए, लेज़र उत्पादन प्रक्रिया में इस प्रकार के आवारा प्रकाश को कम करना आवश्यक है। यही कारण है कि विभिन्न लेज़रों की तरंगदैर्ध्य में आवारा प्रकाश होता है। यदि इसे अच्छी तरह से नियंत्रित किया जाए, तो लेज़र में स्वतः उत्सर्जन के अनुपात को नगण्य माना जा सकता है। लेज़र जितना शुद्ध होता है, जैसे कि 1060 एनएम, उतना ही शुद्ध होता है। इस प्रकार के लेज़र में अवशोषण दर और शक्ति अपेक्षाकृत स्थिर होती है।

उत्तेजित अवशोषण:

निम्न ऊर्जा स्तरों (निम्न कक्षीय) पर स्थित इलेक्ट्रॉन, फोटॉन अवशोषित करने के बाद, उच्च ऊर्जा स्तरों (उच्च कक्षीय) में स्थानांतरित हो जाते हैं, और इस प्रक्रिया को उत्तेजित अवशोषण कहा जाता है। उत्तेजित अवशोषण महत्वपूर्ण है और प्रमुख पंपिंग प्रक्रियाओं में से एक है। लेजर का पंप स्रोत, फोटॉन ऊर्जा प्रदान करता है जिससे लाभ माध्यम में कण स्थानांतरित होते हैं और उच्च ऊर्जा स्तरों पर उत्तेजित विकिरण की प्रतीक्षा करते हैं, जिससे लेजर उत्सर्जित होता है।

उत्तेजित विकिरण:

जब बाह्य ऊर्जा (hv=E2-E1) के प्रकाश से विकिरणित किया जाता है, तो उच्च ऊर्जा स्तर पर स्थित इलेक्ट्रॉन बाह्य फोटॉन द्वारा उत्तेजित होकर निम्न ऊर्जा स्तर पर चला जाता है (उच्च कक्षा निम्न कक्षा में चली जाती है)। साथ ही, यह एक ऐसा फोटॉन उत्सर्जित करता है जो बिल्कुल बाह्य फोटॉन के समान होता है। इस प्रक्रिया में मूल उत्तेजना प्रकाश अवशोषित नहीं होता है, इसलिए दो समान फोटॉन उत्पन्न होते हैं, जिसे इलेक्ट्रॉन द्वारा पहले अवशोषित फोटॉन को बाहर निकालने के रूप में समझा जा सकता है। इस प्रकाश-प्रकाशन प्रक्रिया को उत्तेजित विकिरण कहा जाता है, जो उत्तेजित अवशोषण की विपरीत प्रक्रिया है।

सिद्धांत स्पष्ट हो जाने के बाद, लेज़र बनाना बहुत सरल है, जैसा कि ऊपर दिए गए चित्र में दिखाया गया है: पदार्थ की स्थिरता की सामान्य परिस्थितियों में, अधिकांश इलेक्ट्रॉन ग्राउंड स्टेट में होते हैं, और लेज़र उत्तेजित विकिरण पर निर्भर करता है। इसलिए, लेज़र की संरचना इस प्रकार बनाई जाती है कि पहले उत्तेजित अवशोषण हो, जिससे इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा स्तर पर आ जाएं, और फिर उत्तेजना प्रदान की जाए जिससे बड़ी संख्या में उच्च ऊर्जा स्तर के इलेक्ट्रॉन उत्तेजित विकिरण से गुजरें, जिससे फोटॉन उत्सर्जित हों, और इस प्रकार लेज़र उत्पन्न हो सके। आगे हम लेज़र की संरचना का परिचय देंगे।

लेजर संरचना:

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

घटित होने की स्थिति और उससे 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 संरचना होती है (मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉनों को उच्च-ऊर्जा कक्षीयों में पंप करने और एक निश्चित अवधि के लिए मौजूद रहने में सक्षम, और फिर उत्तेजित विकिरण के माध्यम से एक ही सांस में फोटॉन जारी करना);

2. एक बाहरी उत्तेजना स्रोत (पंप स्रोत) होता है जो इलेक्ट्रॉनों को निचले स्तर से ऊपरी स्तर तक पंप कर सकता है, जिससे लेजर के ऊपरी और निचले स्तरों के बीच कण संख्या व्युत्क्रमण होता है (अर्थात, जब निम्न-ऊर्जा कणों की तुलना में उच्च-ऊर्जा कण अधिक होते हैं), जैसे कि YAG लेजर में ज़ेनॉन लैंप;

3. इसमें एक अनुनादी गुहा होती 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, किरण की प्रसार दिशा को नियंत्रित कर सकती है, मोनोक्रोमैटिसिटी में सुधार के लिए उत्तेजित विकिरण आवृत्ति को चुनिंदा रूप से बढ़ा सकती है (यह सुनिश्चित करते हुए कि लेजर एक निश्चित ऊर्जा पर आउटपुट हो)।

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

लेजर का वर्गीकरण: आमतौर पर इसे गेन मीडियम या लेजर ऊर्जा के रूप के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है।

मध्यम श्रेणी का लाभ प्राप्त करें:

कार्बन डाइऑक्साइड लेजरकार्बन डाइऑक्साइड लेजर का गेन माध्यम हीलियम है औरसीओ2 लेजर,10.6um की लेजर तरंगदैर्ध्य के साथ, यह लॉन्च किए गए शुरुआती 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 गैर-धातु सामग्री (कपड़े, प्लास्टिक, लकड़ी, आदि) की वेल्डिंग और कटिंग के लिए किया जाता है। इसके अलावा, इसका उपयोग लिथोग्राफी मशीनों पर भी किया जाता है। कार्बन डाइऑक्साइड लेजर ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से संचारित नहीं हो सकता है और स्थानिक ऑप्टिकल पथों के माध्यम से यात्रा करता है। शुरुआती टोंगकुआई अपेक्षाकृत अच्छी तरह से किया गया था, और बहुत सारे कटिंग उपकरणों का उपयोग किया गया था।

YAG (यट्रियम एल्युमिनियम गार्नेट) लेजर: नियोडिमियम (Nd) या यट्रियम (Yb) धातु आयनों से डोप किए गए YAG क्रिस्टल का उपयोग लेजर गेन माध्यम के रूप में किया जाता है, जिसकी उत्सर्जन तरंगदैर्ध्य 1.06um होती है। YAG लेजर उच्च पल्स उत्पन्न कर सकता है, लेकिन औसत शक्ति कम होती है, और शिखर शक्ति औसत शक्ति से 15 गुना तक पहुंच सकती है। यदि यह मुख्य रूप से पल्स लेजर है, तो निरंतर आउटपुट प्राप्त नहीं किया जा सकता है; लेकिन इसे ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से प्रसारित किया जा सकता है, और साथ ही, धातु पदार्थों की अवशोषण दर बढ़ जाती है, और इसका उपयोग उच्च परावर्तकता वाली सामग्रियों में किया जाने लगा है, सबसे पहले 3C क्षेत्र में इसका प्रयोग किया गया।

फाइबर लेजर: वर्तमान में बाजार में प्रचलित फाइबर लेजर में गेन मीडियम के रूप में यटरबियम डोप्ड फाइबर का उपयोग किया जाता है, जिसकी तरंगदैर्ध्य 1060 एनएम होती है। इसे मीडियम के आकार के आधार पर फाइबर और डिस्क लेजर में विभाजित किया गया है; फाइबर ऑप्टिक को आईपीजी (IPG) और डिस्क को टोंगकुआई (Tongkuai) कहा जाता है।

सेमीकंडक्टर लेज़र: इसका गेन मीडियम एक सेमीकंडक्टर पीएन जंक्शन है, और सेमीकंडक्टर लेज़र की तरंगदैर्ध्य मुख्य रूप से 976 एनएम होती है। वर्तमान में, सेमीकंडक्टर नियर-इन्फ्रारेड लेज़र मुख्य रूप से क्लैडिंग के लिए उपयोग किए जाते हैं, जिनमें प्रकाश स्पॉट 600 यूएम से अधिक होते हैं। लेज़रलाइन सेमीकंडक्टर लेज़रों की एक प्रतिनिधि कंपनी है।

ऊर्जा क्रिया के प्रकार के आधार पर वर्गीकृत: पल्स लेजर (PULSE), अर्ध-निरंतर लेजर (QCW), निरंतर लेजर (CW)

पल्स लेजर: नैनोसेकंड, पिकोसेकंड, फेम्टोसेकंड, यह उच्च आवृत्ति पल्स लेजर (ns, पल्स चौड़ाई) अक्सर उच्च शिखर ऊर्जा और उच्च आवृत्ति (MHZ) प्रसंस्करण प्राप्त कर सकता है, जिसका उपयोग पतली तांबे और एल्यूमीनियम जैसी असमान सामग्रियों के प्रसंस्करण के साथ-साथ सफाई के लिए किया जाता है। उच्च शिखर ऊर्जा का उपयोग करके, यह कम क्रिया समय और छोटे ऊष्मा प्रभावित क्षेत्र के साथ आधार सामग्री को तेजी से पिघला सकता है। इसमें अति-पतली सामग्रियों (0.5 मिमी से कम) के प्रसंस्करण में लाभ हैं;

क्वासी कंटीन्यूअस लेजर (क्यूसीडब्ल्यू): उच्च पुनरावृति दर और कम ड्यूटी साइकिल (50% से कम) के कारण, पल्स की चौड़ाईक्यूसीडब्ल्यू लेजरयह 50 us-50 ms तक पहुंचता है, किलोवाट स्तर के निरंतर फाइबर लेजर और क्यू-स्विच्ड पल्स लेजर के बीच के अंतर को भरता है; निरंतर मोड संचालन के तहत एक अर्ध-निरंतर फाइबर लेजर की चरम शक्ति औसत शक्ति से 10 गुना तक पहुंच सकती है। क्यूसीडब्ल्यू लेजर में आम तौर पर दो मोड होते हैं, एक कम शक्ति पर निरंतर वेल्डिंग और दूसरा औसत शक्ति से 10 गुना चरम शक्ति के साथ स्पंदित लेजर वेल्डिंग, जो मोटी सामग्री और अधिक ऊष्मा वेल्डिंग को प्राप्त कर सकता है, साथ ही ऊष्मा को बहुत छोटे दायरे में नियंत्रित कर सकता है;

निरंतर लेजर (सीडब्ल्यू): यह सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला लेजर है, और बाजार में उपलब्ध अधिकांश लेजर सीडब्ल्यू लेजर हैं जो वेल्डिंग प्रक्रिया के लिए निरंतर लेजर आउटपुट प्रदान करते हैं। फाइबर लेजर को कोर व्यास और बीम गुणवत्ता के आधार पर सिंगल-मोड और मल्टी-मोड लेजर में विभाजित किया जाता है, और इन्हें विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों के अनुकूल बनाया जा सकता है।