લેસર જનરેશનનો સિદ્ધાંત

શા માટે આપણે લેસરોના સિદ્ધાંતને જાણવાની જરૂર છે?

સામાન્ય સેમિકન્ડક્ટર લેસરો, ફાઇબર, ડિસ્ક અને વચ્ચેના તફાવતોને જાણવુંYAG લેસરપસંદગી પ્રક્રિયા દરમિયાન વધુ સારી સમજણ મેળવવા અને વધુ ચર્ચાઓમાં જોડાવવામાં પણ મદદ કરી શકે છે.

લેખ મુખ્યત્વે લોકપ્રિય વિજ્ઞાન પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે: લેસર જનરેશનના સિદ્ધાંતનો સંક્ષિપ્ત પરિચય, લેસરોની મુખ્ય રચના અને લેસરના કેટલાક સામાન્ય પ્રકારો.

પ્રથમ, લેસર જનરેશનનો સિદ્ધાંત

લેસર પ્રકાશ અને પદાર્થ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે, જેને ઉત્તેજિત રેડિયેશન એમ્પ્લીફિકેશન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે; ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગ એમ્પ્લીફિકેશનને સમજવા માટે આઈન્સ્ટાઈનના સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જન, ઉત્તેજિત શોષણ અને ઉત્તેજિત રેડિયેશનની વિભાવનાઓ તેમજ કેટલાક જરૂરી સૈદ્ધાંતિક પાયાને સમજવાની જરૂર છે.

સૈદ્ધાંતિક આધાર 1: બોહર મોડલ

બોહર મોડેલ મુખ્યત્વે અણુઓની આંતરિક રચના પ્રદાન કરે છે, જે લેસર કેવી રીતે થાય છે તે સમજવું સરળ બનાવે છે. અણુ ન્યુક્લિયસ અને ન્યુક્લિયસની બહારના ઇલેક્ટ્રોનથી બનેલું હોય છે, અને ઇલેક્ટ્રોનની ભ્રમણકક્ષાઓ મનસ્વી નથી. ઇલેક્ટ્રોન પાસે માત્ર ચોક્કસ ભ્રમણકક્ષા હોય છે, જેમાંથી સૌથી અંદરની ભ્રમણકક્ષાને ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટ કહેવામાં આવે છે; જો ઇલેક્ટ્રોન જમીનની સ્થિતિમાં હોય, તો તેની ઊર્જા સૌથી ઓછી હોય છે. જો કોઈ ઈલેક્ટ્રોન ભ્રમણકક્ષામાંથી બહાર નીકળી જાય, તો તેને પ્રથમ ઉત્તેજિત અવસ્થા કહેવામાં આવે છે, અને પ્રથમ ઉત્તેજિત અવસ્થાની ઉર્જા જમીનની સ્થિતિ કરતા વધારે હશે; બીજી ભ્રમણકક્ષાને બીજી ઉત્તેજિત અવસ્થા કહેવામાં આવે છે;

લેસર શા માટે થઈ શકે છે તેનું કારણ એ છે કે આ મોડેલમાં ઇલેક્ટ્રોન વિવિધ ભ્રમણકક્ષામાં ફરશે. જો ઈલેક્ટ્રોન ઊર્જાને શોષી લે છે, તો તેઓ જમીનની સ્થિતિથી ઉત્તેજિત સ્થિતિમાં દોડી શકે છે; જો ઈલેક્ટ્રોન ઉત્તેજિત અવસ્થામાંથી જમીનની સ્થિતિમાં પરત આવે છે, તો તે ઊર્જા મુક્ત કરશે, જે ઘણી વખત લેસરના રૂપમાં મુક્ત થાય છે.

સૈદ્ધાંતિક આધાર 2: આઈન્સ્ટાઈનની ઉત્તેજિત રેડિયેશન થિયરી

1917 માં, આઈન્સ્ટાઈને ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગના સિદ્ધાંતની દરખાસ્ત કરી હતી, જે લેસર અને લેસર ઉત્પાદન માટેનો સૈદ્ધાંતિક આધાર છે: પદાર્થનું શોષણ અથવા ઉત્સર્જન આવશ્યકપણે કિરણોત્સર્ગ ક્ષેત્ર અને દ્રવ્ય બનાવે છે તે કણો વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનું પરિણામ છે, અને તેના મૂળ સાર એ વિવિધ ઊર્જા સ્તરો વચ્ચે કણોનું સંક્રમણ છે. પ્રકાશ અને પદાર્થ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયામાં ત્રણ અલગ અલગ પ્રક્રિયાઓ છે: સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જન, ઉત્તેજિત ઉત્સર્જન અને ઉત્તેજિત શોષણ. મોટી સંખ્યામાં કણો ધરાવતી સિસ્ટમ માટે, આ ત્રણ પ્રક્રિયાઓ હંમેશા સાથે રહે છે અને નજીકથી સંબંધિત છે.

સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જન:

આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે: ઉચ્ચ-ઊર્જા સ્તર E2 પર એક ઇલેક્ટ્રોન સ્વયંભૂ રીતે નીચા-ઊર્જા સ્તર E1 પર સંક્રમણ કરે છે અને hv, અને hv=E2-E1 ઊર્જા સાથે ફોટોન ઉત્સર્જન કરે છે; આ સ્વયંસ્ફુરિત અને અસંબંધિત સંક્રમણ પ્રક્રિયાને સ્વયંસ્ફુરિત સંક્રમણ કહેવામાં આવે છે, અને સ્વયંસ્ફુરિત સંક્રમણો દ્વારા ઉત્સર્જિત પ્રકાશ તરંગોને સ્વયંસ્ફુરિત રેડિયેશન કહેવામાં આવે છે.

સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જનની લાક્ષણિકતાઓ: દરેક ફોટોન સ્વતંત્ર છે, વિવિધ દિશાઓ અને તબક્કાઓ સાથે, અને ઘટનાનો સમય પણ રેન્ડમ છે. તે અસંગત અને અસ્તવ્યસ્ત પ્રકાશથી સંબંધિત છે, જે લેસર દ્વારા જરૂરી પ્રકાશ નથી. તેથી, લેસર જનરેશન પ્રક્રિયાને આ પ્રકારની છૂટાછવાયા પ્રકાશને ઘટાડવાની જરૂર છે. વિવિધ લેસરોની તરંગલંબાઇમાં છૂટાછવાયા પ્રકાશનું આ પણ એક કારણ છે. જો સારી રીતે નિયંત્રિત કરવામાં આવે તો, લેસરમાં સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જનના પ્રમાણને અવગણી શકાય છે. લેસર જેટલું શુદ્ધ છે, જેમ કે 1060 nm, તે બધું 1060 nm છે, આ પ્રકારના લેસરમાં પ્રમાણમાં સ્થિર શોષણ દર અને શક્તિ હોય છે.

ઉત્તેજિત શોષણ:

ઇલેક્ટ્રોન નીચા ઉર્જા સ્તરે (નીચા ભ્રમણકક્ષામાં), ફોટોનનું શોષણ કર્યા પછી, ઉચ્ચ ઉર્જા સ્તરો (ઉચ્ચ ભ્રમણકક્ષા) પર સંક્રમણ કરે છે અને આ પ્રક્રિયાને ઉત્તેજિત શોષણ કહેવામાં આવે છે. ઉત્તેજિત શોષણ નિર્ણાયક છે અને મુખ્ય પમ્પિંગ પ્રક્રિયાઓમાંની એક છે. લેસરનો પંપ સ્ત્રોત ફોટોન ઉર્જા પ્રદાન કરે છે જેથી તે કણોને સંક્રમણ તરફ દોરી જાય અને ઉચ્ચ ઉર્જા સ્તરે ઉત્તેજિત રેડિયેશનની રાહ જુએ, જે લેસરનું ઉત્સર્જન કરે છે.

ઉત્તેજિત રેડિયેશન:

જ્યારે બાહ્ય ઉર્જા (hv=E2-E1) ના પ્રકાશ દ્વારા ઇરેડિયેટ થાય છે, ત્યારે ઉચ્ચ ઉર્જા સ્તર પરનું ઇલેક્ટ્રોન બાહ્ય ફોટોન દ્વારા ઉત્તેજિત થાય છે અને નીચા ઉર્જા સ્તર પર કૂદકો મારે છે (ઉચ્ચ ભ્રમણકક્ષા નીચી ભ્રમણકક્ષા સુધી ચાલે છે). તે જ સમયે, તે એક ફોટોન ઉત્સર્જન કરે છે જે બાહ્ય ફોટોન જેવો જ છે. આ પ્રક્રિયા મૂળ ઉત્તેજના પ્રકાશને શોષી શકતી નથી, તેથી બે સરખા ફોટોન હશે, જેને સમજી શકાય છે કારણ કે ઇલેક્ટ્રોન અગાઉ શોષાયેલા ફોટોનને બહાર કાઢે છે, આ લ્યુમિનેસેન્સ પ્રક્રિયાને ઉત્તેજિત રેડિયેશન કહેવામાં આવે છે, જે ઉત્તેજિત શોષણની વિપરીત પ્રક્રિયા છે.

સિદ્ધાંત સ્પષ્ટ થયા પછી, ઉપરની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, લેસર બનાવવું ખૂબ જ સરળ છે: ભૌતિક સ્થિરતાની સામાન્ય સ્થિતિમાં, મોટા ભાગના ઇલેક્ટ્રોન જમીનની સ્થિતિમાં હોય છે, ઇલેક્ટ્રોન જમીનની સ્થિતિમાં હોય છે અને લેસર તેના પર આધાર રાખે છે. ઉત્તેજિત રેડિયેશન. તેથી, લેસરનું માળખું એ છે કે પ્રથમ ઉત્તેજિત શોષણ થવા દે છે, ઇલેક્ટ્રોનને ઉચ્ચ ઉર્જા સ્તર પર લાવે છે, અને પછી ઉત્તેજના પ્રદાન કરે છે જેથી મોટી સંખ્યામાં ઉચ્ચ ઉર્જા સ્તરના ઇલેક્ટ્રોન ઉત્તેજિત રેડિયેશનમાંથી પસાર થાય, ફોટોન મુક્ત કરે, આમાંથી, લેસર જનરેટ કરી શકાય છે. આગળ, અમે લેસર માળખું રજૂ કરીશું.

લેસર માળખું:

લેસર સ્ટ્રક્ચરને લેસર જનરેશનની શરતો સાથે મેચ કરો જે અગાઉ એક પછી એક ઉલ્લેખિત છે:

ઘટનાની સ્થિતિ અને અનુરૂપ બંધારણ:

1. એક ગેઇન માધ્યમ છે જે લેસર કાર્યકારી માધ્યમ તરીકે એમ્પ્લીફિકેશન અસર પ્રદાન કરે છે, અને તેના સક્રિય કણો ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગ પેદા કરવા માટે યોગ્ય ઉર્જા સ્તરનું માળખું ધરાવે છે (મુખ્યત્વે ઇલેક્ટ્રોનને ઉચ્ચ-ઊર્જા ભ્રમણકક્ષામાં પંપ કરવામાં સક્ષમ છે અને ચોક્કસ સમયગાળા માટે અસ્તિત્વ ધરાવે છે. , અને પછી ઉત્તેજિત રેડિયેશન દ્વારા એક શ્વાસમાં ફોટોન છોડો);

2. એક બાહ્ય ઉત્તેજના સ્ત્રોત (પંપ સ્ત્રોત) છે જે ઇલેક્ટ્રોનને નીચલા સ્તરથી ઉપલા સ્તર સુધી પમ્પ કરી શકે છે, જેના કારણે લેસરના ઉપલા અને નીચલા સ્તરો વચ્ચે કણોની સંખ્યા વ્યુત્ક્રમ થાય છે (એટલે ​​​​કે, જ્યારે ત્યાં વધુ ઉચ્ચ-ઊર્જા કણો હોય છે. ઓછી ઉર્જાવાળા કણો), જેમ કે YAG લેસરોમાં ઝેનોન લેમ્પ;

3. એક રેઝોનન્ટ કેવિટી છે જે લેસર ઓસિલેશન હાંસલ કરી શકે છે, લેસર વર્કિંગ મટિરિયલની કાર્યકારી લંબાઈ વધારી શકે છે, લાઇટ વેવ મોડને સ્ક્રીન કરી શકે છે, બીમની પ્રસરણ દિશાને નિયંત્રિત કરી શકે છે, મોનોક્રોમેટિકિટીને સુધારવા માટે ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગ આવર્તનને પસંદગીયુક્ત રીતે વિસ્તૃત કરી શકે છે (ખાતરી કરે છે કે લેસર ચોક્કસ ઊર્જા પર આઉટપુટ થાય છે).

અનુરૂપ માળખું ઉપરની આકૃતિમાં બતાવવામાં આવ્યું છે, જે YAG લેસરનું સરળ માળખું છે. અન્ય રચનાઓ વધુ જટિલ હોઈ શકે છે, પરંતુ મુખ્ય આ છે. લેસર જનરેશન પ્રક્રિયા આકૃતિમાં બતાવવામાં આવી છે:

લેસર વર્ગીકરણ: સામાન્ય રીતે ગેઇન માધ્યમ દ્વારા અથવા લેસર ઊર્જા સ્વરૂપ દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે

મધ્યમ વર્ગીકરણ મેળવો:

કાર્બન ડાયોક્સાઇડ લેસર: કાર્બન ડાયોક્સાઇડ લેસરનું ગેઇન માધ્યમ હિલીયમ છે અનેCO2 લેસર,10.6um ની લેસર તરંગલંબાઇ સાથે, જે લોન્ચ થનારી સૌથી પહેલા લેસર પ્રોડક્ટ્સમાંની એક છે. પ્રારંભિક લેસર વેલ્ડીંગ મુખ્યત્વે કાર્બન ડાયોક્સાઇડ લેસર પર આધારિત હતું, જે હાલમાં મુખ્યત્વે બિન-ધાતુ સામગ્રી (કાપડ, પ્લાસ્ટિક, લાકડું, વગેરે) ને વેલ્ડીંગ અને કાપવા માટે વપરાય છે. વધુમાં, તેનો ઉપયોગ લિથોગ્રાફી મશીનો પર પણ થાય છે. કાર્બન ડાયોક્સાઇડ લેસર ઓપ્ટિકલ ફાઇબર દ્વારા પ્રસારિત કરી શકાતું નથી અને અવકાશી ઓપ્ટિકલ પાથ દ્વારા મુસાફરી કરી શકાતું નથી, પ્રારંભિક ટોંગકુઇ પ્રમાણમાં સારી રીતે કરવામાં આવ્યું હતું, અને ઘણાં કટીંગ સાધનોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો;

YAG (યટ્રીયમ એલ્યુમિનિયમ ગાર્નેટ) લેસર: 1.06um ની ઉત્સર્જન તરંગલંબાઇ સાથે, નિયોડીમિયમ (Nd) અથવા yttrium (Yb) મેટલ આયનો સાથે ડોપેડ YAG સ્ફટિકો લેસર ગેઇન માધ્યમ તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે. YAG લેસર ઉચ્ચ કઠોળનું ઉત્પાદન કરી શકે છે, પરંતુ સરેરાશ શક્તિ ઓછી છે, અને ટોચની શક્તિ સરેરાશ શક્તિના 15 ગણા સુધી પહોંચી શકે છે. જો તે મુખ્યત્વે પલ્સ લેસર હોય, તો સતત આઉટપુટ મેળવી શકાતું નથી; પરંતુ તે ઓપ્ટિકલ ફાઇબર દ્વારા પ્રસારિત કરી શકાય છે, અને તે જ સમયે, ધાતુની સામગ્રીનો શોષણ દર વધે છે, અને તે ઉચ્ચ પરાવર્તકતા સામગ્રીમાં લાગુ થવાનું શરૂ થયું છે, જે પ્રથમ 3C ક્ષેત્રમાં લાગુ થાય છે;

ફાઇબર લેસર: બજારમાં વર્તમાન મુખ્ય પ્રવાહ 1060nm ની તરંગલંબાઇ સાથે, ગેઇન માધ્યમ તરીકે ytterbium ડોપ્ડ ફાઇબરનો ઉપયોગ કરે છે. તેને માધ્યમના આકારના આધારે ફાઇબર અને ડિસ્ક લેસરમાં વધુ વિભાજિત કરવામાં આવે છે; ફાઈબર ઓપ્ટિક આઈપીજીનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, જ્યારે ડિસ્ક ટોંગકુઈનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે.

સેમિકન્ડક્ટર લેસર: ગેઇન માધ્યમ એ સેમિકન્ડક્ટર PN જંકશન છે, અને સેમિકન્ડક્ટર લેસરની તરંગલંબાઇ મુખ્યત્વે 976nm છે. હાલમાં, સેમિકન્ડક્ટર નજીકના-ઇન્ફ્રારેડ લેસરોનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે ક્લેડીંગ માટે થાય છે, જેમાં 600um થી ઉપરના પ્રકાશ સ્થળો છે. લેસરલાઇન એ સેમિકન્ડક્ટર લેસરોનું પ્રતિનિધિત્વ કરતી સંસ્થા છે.

ઊર્જા ક્રિયાના સ્વરૂપ દ્વારા વર્ગીકૃત: પલ્સ લેસર (PULSE), અર્ધ સતત લેસર (QCW), સતત લેસર (CW)

પલ્સ લેસર: નેનોસેકન્ડ, પિકોસેકન્ડ, ફેમટોસેકન્ડ, આ ઉચ્ચ-આવર્તન પલ્સ લેસર (એનએસ, પલ્સ પહોળાઈ) ઘણીવાર ઉચ્ચ શિખર ઊર્જા, ઉચ્ચ આવર્તન (MHZ) પ્રોસેસિંગ પ્રાપ્ત કરી શકે છે, જેનો ઉપયોગ પાતળા તાંબા અને એલ્યુમિનિયમની ભિન્ન સામગ્રીની પ્રક્રિયા કરવા માટે થાય છે, તેમજ મોટે ભાગે સફાઈ કરવામાં આવે છે. . ઉચ્ચ શિખર ઉર્જાનો ઉપયોગ કરીને, તે નીચા ક્રિયા સમય અને નાના ગરમીથી પ્રભાવિત ઝોન સાથે, પાયાની સામગ્રીને ઝડપથી ઓગળી શકે છે. તે અતિ-પાતળી સામગ્રી (0.5mm નીચે) પર પ્રક્રિયા કરવામાં ફાયદા ધરાવે છે;

અર્ધ સતત લેસર (QCW): ઉચ્ચ પુનરાવર્તન દર અને ઓછી ડ્યુટી સાયકલ (50% થી નીચે), નાડીની પહોળાઈQCW લેસર50 us-50 ms સુધી પહોંચે છે, કિલોવોટ સ્તરના સતત ફાઇબર લેસર અને Q-સ્વિચ્ડ પલ્સ લેસર વચ્ચેના અંતરને ભરીને; સતત મોડ ઓપરેશન હેઠળ અર્ધ સતત ફાઇબર લેસરની ટોચની શક્તિ સરેરાશ શક્તિના 10 ગણા સુધી પહોંચી શકે છે. ક્યુસીડબ્લ્યુ લેસરોમાં સામાન્ય રીતે બે મોડ હોય છે, એક નીચા પાવર પર સતત વેલ્ડીંગ, અને બીજું એવરેજ પાવરના 10 ગણા પીક પાવર સાથે પલ્સ્ડ લેસર વેલ્ડીંગ છે, જે ગાઢ સામગ્રી અને વધુ હીટ વેલ્ડીંગ હાંસલ કરી શકે છે, જ્યારે અંદર ગરમીને નિયંત્રિત કરી શકે છે. ખૂબ નાની શ્રેણી;

સતત લેસર (CW): આ સૌથી સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાય છે, અને બજારમાં જોવા મળતા મોટાભાગના લેસરો CW લેસર છે જે વેલ્ડીંગ પ્રક્રિયા માટે સતત લેસર આઉટપુટ કરે છે. ફાઇબર લેસરોને વિવિધ કોર ડાયામીટર અને બીમના ગુણો અનુસાર સિંગલ-મોડ અને મલ્ટી-મોડ લેસરોમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે, અને વિવિધ એપ્લિકેશન દૃશ્યોને અનુકૂલિત કરી શકાય છે.