लेजर का सिद्धांत और इसका अनुप्रयोग

लेजर से तात्पर्य उत्तेजित विकिरण प्रवर्धन और आवश्यक प्रतिक्रिया के माध्यम से संरेखित, एकरंगी, सुसंगत प्रकाश किरणें उत्पन्न करने की प्रक्रिया और उपकरण से है। मूल रूप से, लेजर उत्पादन के लिए तीन तत्वों की आवश्यकता होती है: एक "रेजोनेटर", एक "गेन मीडियम" और एक "पंपिंग सोर्स"।

ए. सिद्धांत

परमाणु की गतिज अवस्था को विभिन्न ऊर्जा स्तरों में विभाजित किया जा सकता है, और जब परमाणु उच्च ऊर्जा स्तर से निम्न ऊर्जा स्तर में संक्रमण करता है, तो यह संबंधित ऊर्जा के फोटॉन उत्सर्जित करता है (जिसे स्वतःस्फूर्त विकिरण कहते हैं)। इसी प्रकार, जब कोई फोटॉन किसी ऊर्जा स्तर प्रणाली पर आपतित होता है और उसके द्वारा अवशोषित हो जाता है, तो यह परमाणु को निम्न ऊर्जा स्तर से उच्च ऊर्जा स्तर में संक्रमण करने का कारण बनता है (जिसे उत्तेजित अवशोषण कहते हैं); फिर, उच्च ऊर्जा स्तरों में संक्रमण करने वाले कुछ परमाणु निम्न ऊर्जा स्तरों में संक्रमण करते हैं और फोटॉन उत्सर्जित करते हैं (जिसे प्रेरित विकिरण कहते हैं)। ये गतियाँ अलग-अलग नहीं होतीं, बल्कि अक्सर समानांतर होती हैं। जब हम उपयुक्त माध्यम, अनुनादक, पर्याप्त बाह्य विद्युत क्षेत्र जैसी परिस्थितियाँ बनाते हैं, तो प्रेरित विकिरण इतना प्रवर्धित हो जाता है कि यह प्रेरित अवशोषण से अधिक हो जाता है, तब सामान्यतः फोटॉन उत्सर्जित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप लेजर प्रकाश उत्पन्न होता है।

बी. वर्गीकरण

लेजर उत्पन्न करने वाले माध्यम के आधार पर, लेजर को तरल लेजर, गैस लेजर और ठोस लेजर में विभाजित किया जा सकता है। वर्तमान में सबसे आम अर्धचालक लेजर एक प्रकार का ठोस-अवस्था लेजर है।

सी. संरचना

अधिकांश लेज़र तीन भागों से मिलकर बने होते हैं: उत्तेजना प्रणाली, लेज़र पदार्थ और प्रकाशीय अनुनादक। उत्तेजना प्रणालियाँ वे उपकरण हैं जो प्रकाश, विद्युत या रासायनिक ऊर्जा उत्पन्न करते हैं। वर्तमान में, मुख्य रूप से प्रकाश, विद्युत या रासायनिक अभिक्रिया को उत्तेजना के साधन के रूप में उपयोग किया जाता है। लेज़र पदार्थ वे पदार्थ हैं जो लेज़र प्रकाश उत्पन्न कर सकते हैं, जैसे माणिक, बेरिलियम ग्लास, नियॉन गैस, अर्धचालक, कार्बनिक रंजक आदि। प्रकाशीय अनुनाद नियंत्रण का कार्य आउटपुट लेज़र की चमक को बढ़ाना, तरंगदैर्ध्य और लेज़र की दिशा को समायोजित और चयनित करना है।

डी. आवेदन

लेजर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, मुख्य रूप से फाइबर संचार, लेजर रेंजिंग, लेजर कटिंग, लेजर हथियार, लेजर डिस्क आदि में।

ई. इतिहास

1958 में, अमेरिकी वैज्ञानिकों ज़ियाओलू और टाउन्स ने एक अद्भुत घटना की खोज की: जब उन्होंने एक दुर्लभ पृथ्वी क्रिस्टल पर आंतरिक बल्ब से निकलने वाली रोशनी डाली, तो क्रिस्टल के अणु एक साथ मिलकर एक चमकदार प्रकाश उत्सर्जित करने लगे। इस घटना के आधार पर, उन्होंने "लेजर सिद्धांत" का प्रस्ताव रखा, यानी जब किसी पदार्थ को उसके अणुओं की प्राकृतिक दोलन आवृत्ति के बराबर ऊर्जा से उत्तेजित किया जाता है, तो वह एक ऐसा तीव्र प्रकाश उत्पन्न करता है जो फैलता नहीं है - लेजर। उन्होंने इस विषय पर महत्वपूर्ण शोध पत्र भी प्रकाशित किए।

स्किओलो और टाउन्स के शोध परिणामों के प्रकाशन के बाद, विभिन्न देशों के वैज्ञानिकों ने कई प्रायोगिक योजनाएँ प्रस्तावित कीं, लेकिन वे सफल नहीं हुईं। 15 मई, 1960 को, कैलिफोर्निया स्थित ह्यूजेस प्रयोगशाला के वैज्ञानिक मेमैन ने घोषणा की कि उन्होंने 0.6943 माइक्रोन तरंगदैर्ध्य वाला लेजर प्राप्त कर लिया है, जो मानव द्वारा प्राप्त किया गया पहला लेजर था। इस प्रकार, मेमैन लेजर को व्यावहारिक क्षेत्र में लाने वाले विश्व के पहले वैज्ञानिक बन गए।

7 जुलाई, 1960 को, मेमैन ने दुनिया के पहले लेजर के जन्म की घोषणा की। मेमैन की योजना रूबी क्रिस्टल में क्रोमियम परमाणुओं को उत्तेजित करने के लिए एक उच्च-तीव्रता वाली फ्लैश ट्यूब का उपयोग करना है, जिससे एक बहुत ही केंद्रित पतली लाल प्रकाश स्तंभ उत्पन्न होती है, जब इसे एक निश्चित बिंदु पर दागा जाता है, तो यह सूर्य की सतह से अधिक तापमान तक पहुंच सकती है।

सोवियत वैज्ञानिक एच.जी. बासोव ने 1960 में सेमीकंडक्टर लेजर का आविष्कार किया। सेमीकंडक्टर लेजर की संरचना आमतौर पर पी परत, एन परत और सक्रिय परत से बनी होती है जो डबल हेटरोजंक्शन का निर्माण करती हैं। इसकी विशेषताएं हैं: छोटा आकार, उच्च युग्मन दक्षता, तीव्र प्रतिक्रिया गति, तरंगदैर्ध्य और आकार ऑप्टिकल फाइबर के आकार के अनुरूप, प्रत्यक्ष रूप से मॉड्यूलेट किया जा सकता है और अच्छी सुसंगतता।

छठा, लेजर के कुछ मुख्य अनुप्रयोग दिशाएँ

एफ. लेजर संचार

आजकल सूचना संचारित करने के लिए प्रकाश का उपयोग बहुत आम है। उदाहरण के लिए, जहाज संचार के लिए प्रकाश का उपयोग करते हैं, और ट्रैफिक लाइट लाल, पीली और हरी बत्तियों का उपयोग करती हैं। लेकिन साधारण प्रकाश का उपयोग करके सूचना संचारित करने के ये सभी तरीके केवल सीमित दूरी तक ही काम कर सकते हैं। यदि आप प्रकाश के माध्यम से दूरस्थ स्थानों तक सीधे सूचना संचारित करना चाहते हैं, तो आप साधारण प्रकाश का उपयोग नहीं कर सकते, बल्कि केवल लेजर का उपयोग कर सकते हैं।

तो लेज़र कैसे पहुँचाया जाता है? हम जानते हैं कि बिजली तांबे के तारों से होकर गुजर सकती है, लेकिन प्रकाश साधारण धातु के तारों से होकर नहीं गुजर सकता। इसी उद्देश्य से वैज्ञानिकों ने प्रकाश संचारित करने वाला एक तंतु विकसित किया है, जिसे ऑप्टिकल फाइबर कहते हैं। ऑप्टिकल फाइबर विशेष प्रकार के कांच से बना होता है, इसका व्यास मानव बाल से भी पतला होता है, आमतौर पर 50 से 150 माइक्रोन, और यह बहुत नरम होता है।

दरअसल, फाइबर का भीतरी भाग उच्च अपवर्तनांक वाले पारदर्शी ऑप्टिकल ग्लास का बना होता है, और बाहरी परत कम अपवर्तनांक वाले ग्लास या प्लास्टिक की होती है। ऐसी संरचना एक ओर तो प्रकाश को भीतरी भाग के अनुदिश अपवर्तित होने देती है, ठीक वैसे ही जैसे पानी पाइप में आगे की ओर बहता है, जिससे तार में विद्युत आगे की ओर संचारित होती है, भले ही उसमें हजारों मोड़ हों। दूसरी ओर, कम अपवर्तनांक वाली परत प्रकाश को बाहर निकलने से रोकती है, ठीक वैसे ही जैसे पानी पाइप से रिसाव नहीं होता और तार की इन्सुलेशन परत विद्युत का संचालन नहीं करती।

ऑप्टिकल फाइबर के आविष्कार ने प्रकाश संचरण की समस्या को हल कर दिया है, लेकिन इसका यह अर्थ नहीं है कि इसके द्वारा किसी भी प्रकार के प्रकाश को बहुत दूर तक प्रेषित किया जा सकता है। उच्च चमक, शुद्ध रंग और अच्छी दिशात्मकता वाला लेजर ही सूचना संचरण के लिए सबसे आदर्श प्रकाश स्रोत है। इसे फाइबर के एक सिरे से इनपुट किया जाता है, जिसमें लगभग कोई हानि नहीं होती और दूसरे सिरे से आउटपुट होता है। इसलिए, ऑप्टिकल संचार मूलतः लेजर संचार ही है, जिसमें उच्च क्षमता, उच्च गुणवत्ता, विभिन्न सामग्रियों की उपलब्धता, उच्च गोपनीयता, स्थायित्व आदि के लाभ हैं। वैज्ञानिकों द्वारा इसे संचार के क्षेत्र में एक क्रांति माना जाता है और यह तकनीकी क्रांति की सबसे शानदार उपलब्धियों में से एक है।