લેસર જનરેશનનો સિદ્ધાંત

લેસરના સિદ્ધાંતને જાણવાની આપણને શા માટે જરૂર છે?

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

આ લેખ મુખ્યત્વે લોકપ્રિય વિજ્ઞાન પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે: લેસર જનરેશનના સિદ્ધાંત, લેસરોની મુખ્ય રચના અને કેટલાક સામાન્ય પ્રકારના લેસરોનો સંક્ષિપ્ત પરિચય.

સૌ પ્રથમ, લેસર જનરેશનનો સિદ્ધાંત

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

સૈદ્ધાંતિક આધાર ૧: બોહર મોડેલ

બોહર મોડેલ મુખ્યત્વે અણુઓની આંતરિક રચના પ્રદાન કરે છે, જેનાથી લેસર કેવી રીતે થાય છે તે સમજવું સરળ બને છે. એક અણુ એક ન્યુક્લિયસ અને ન્યુક્લિયસની બહાર ઇલેક્ટ્રોનથી બનેલું હોય છે, અને ઇલેક્ટ્રોનના ભ્રમણકક્ષા મનસ્વી હોતા નથી. ઇલેક્ટ્રોનમાં ફક્ત ચોક્કસ ભ્રમણકક્ષાઓ હોય છે, જેમાંથી સૌથી અંદરના ભ્રમણકક્ષાને ભૂમિ સ્થિતિ કહેવામાં આવે છે; જો ઇલેક્ટ્રોન ભૂમિ સ્થિતિમાં હોય, તો તેની ઊર્જા સૌથી ઓછી હોય છે. જો ઇલેક્ટ્રોન ભ્રમણકક્ષામાંથી કૂદી પડે છે, તો તેને પ્રથમ ઉત્તેજિત સ્થિતિ કહેવામાં આવે છે, અને પ્રથમ ઉત્તેજિત સ્થિતિની ઊર્જા ભૂમિ સ્થિતિ કરતા વધારે હશે; બીજી ભ્રમણકક્ષાને બીજી ઉત્તેજિત સ્થિતિ કહેવામાં આવે છે;

લેસર કેમ થઈ શકે છે તેનું કારણ એ છે કે આ મોડેલમાં ઇલેક્ટ્રોન અલગ અલગ ભ્રમણકક્ષામાં ફરશે. જો ઇલેક્ટ્રોન ઊર્જા શોષી લે છે, તો તે ભૂમિ અવસ્થાથી ઉત્તેજિત અવસ્થામાં દોડી શકે છે; જો ઇલેક્ટ્રોન ઉત્તેજિત અવસ્થાથી ભૂમિ અવસ્થામાં પાછો ફરે છે, તો તે ઊર્જા મુક્ત કરશે, જે ઘણીવાર લેસરના રૂપમાં મુક્ત થાય છે.

સૈદ્ધાંતિક આધાર 2: આઈન્સ્ટાઈનનો ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગ સિદ્ધાંત

૧૯૧૭ માં, આઈન્સ્ટાઈને ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગનો સિદ્ધાંત રજૂ કર્યો, જે લેસર અને લેસર ઉત્પાદન માટે સૈદ્ધાંતિક આધાર છે: પદાર્થનું શોષણ અથવા ઉત્સર્જન મૂળભૂત રીતે કિરણોત્સર્ગ ક્ષેત્ર અને પદાર્થ બનાવતા કણો વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનું પરિણામ છે, અને તેનો મુખ્ય સાર 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 સહઅસ્તિત્વ ધરાવે છે અને નજીકથી સંબંધિત છે.

સ્વયંભૂ ઉત્સર્જન:

આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે: ઉચ્ચ-ઊર્જા સ્તર E2 પરનો ઇલેક્ટ્રોન સ્વયંભૂ રીતે ઓછી-ઊર્જા સ્તર E1 પર સંક્રમણ કરે છે અને hv ની ઊર્જા સાથે ફોટોન ઉત્સર્જિત કરે છે, અને hv=E2-E1; આ સ્વયંભૂ અને અસંબંધિત સંક્રમણ પ્રક્રિયાને સ્વયંભૂ સંક્રમણ કહેવામાં આવે છે, અને સ્વયંભૂ સંક્રમણો દ્વારા ઉત્સર્જિત પ્રકાશ તરંગોને સ્વયંભૂ કિરણોત્સર્ગ કહેવામાં આવે છે.

સ્વયંભૂ ઉત્સર્જનની લાક્ષણિકતાઓ: દરેક ફોટોન સ્વતંત્ર હોય છે, તેની દિશાઓ અને તબક્કાઓ અલગ અલગ હોય છે, અને ઘટનાનો સમય પણ રેન્ડમ હોય છે. તે અસંગત અને અસ્તવ્યસ્ત પ્રકાશનો છે, જે લેસર દ્વારા જરૂરી પ્રકાશ નથી. તેથી, લેસર ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં આ પ્રકારના ભટકતા પ્રકાશને ઘટાડવાની જરૂર છે. વિવિધ લેસરોની તરંગલંબાઇમાં ભટકતા પ્રકાશનું આ પણ એક કારણ છે. જો સારી રીતે નિયંત્રિત કરવામાં આવે તો, લેસરમાં સ્વયંભૂ ઉત્સર્જનનું પ્રમાણ અવગણી શકાય છે. લેસર જેટલું શુદ્ધ હોય છે, જેમ કે 1060 nm, તે બધું 1060 nm હોય છે. આ પ્રકારના લેસરમાં પ્રમાણમાં સ્થિર શોષણ દર અને શક્તિ હોય છે.

ઉત્તેજિત શોષણ:

ઓછી ઉર્જા સ્તરો (નીચા ઓર્બિટલ્સ) પર ઇલેક્ટ્રોન, ફોટોન શોષ્યા પછી, ઉચ્ચ ઉર્જા સ્તરો (ઉચ્ચ ઓર્બિટલ્સ) માં સંક્રમણ કરે છે, અને આ પ્રક્રિયાને ઉત્તેજિત શોષણ કહેવામાં આવે છે. ઉત્તેજિત શોષણ મહત્વપૂર્ણ છે અને મુખ્ય પમ્પિંગ પ્રક્રિયાઓમાંની એક છે. લેસરનો પંપ સ્ત્રોત ફોટોન ઊર્જા પૂરી પાડે છે જેથી ગેઇન માધ્યમમાં કણોને સંક્રમણ થાય અને ઉચ્ચ ઉર્જા સ્તરો પર ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગની રાહ જોવામાં આવે, જેનાથી લેસર ઉત્સર્જિત થાય.

ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગ:

જ્યારે બાહ્ય ઉર્જા (hv=E2-E1) ના પ્રકાશ દ્વારા ઇરેડિયેશન થાય છે, ત્યારે ઉચ્ચ ઉર્જા સ્તર પરનો ઇલેક્ટ્રોન બાહ્ય ફોટોન દ્વારા ઉત્તેજિત થાય છે અને નીચા ઉર્જા સ્તર પર કૂદી જાય છે (ઉચ્ચ ભ્રમણકક્ષા નીચા ભ્રમણકક્ષામાં દોડે છે). તે જ સમયે, તે એક ફોટોન ઉત્સર્જન કરે છે જે બાહ્ય ફોટોન જેવો જ છે. આ પ્રક્રિયા મૂળ ઉત્તેજના પ્રકાશને શોષી લેતી નથી, તેથી બે સરખા ફોટોન હશે, જે 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, ઉપરોક્ત આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, લેસર બનાવવું ખૂબ જ સરળ છે: ભૌતિક સ્થિરતાની સામાન્ય સ્થિતિમાં, મોટાભાગના ઇલેક્ટ્રોન જમીનની સ્થિતિમાં હોય છે, ઇલેક્ટ્રોન જમીનની સ્થિતિમાં હોય છે, અને લેસર ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગ પર આધાર રાખે છે. તેથી, લેસરની રચના એ છે કે પહેલા ઉત્તેજિત શોષણ થાય, ઇલેક્ટ્રોનને ઉચ્ચ ઉર્જા સ્તર પર લાવે, અને પછી ઉત્તેજના પૂરી પાડે જેથી મોટી સંખ્યામાં ઉચ્ચ ઉર્જા સ્તરના ઇલેક્ટ્રોન ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગમાંથી પસાર થાય, ફોટોન મુક્ત થાય, આમાંથી, લેસર ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. આગળ, આપણે લેસર રચનાનો પરિચય આપીશું.

લેસર માળખું:

લેસર રચનાને અગાઉ ઉલ્લેખિત લેસર જનરેશન પરિસ્થિતિઓ સાથે એક પછી એક મેચ કરો:

ઘટનાની સ્થિતિ અને અનુરૂપ રચના:

1. લેસર કાર્યકારી માધ્યમ તરીકે એક ગેઇન માધ્યમ છે જે એમ્પ્લીફિકેશન અસર પ્રદાન કરે છે, અને તેના સક્રિય કણોમાં ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગ ઉત્પન્ન કરવા માટે યોગ્ય ઉર્જા સ્તરનું માળખું હોય છે (મુખ્યત્વે ઇલેક્ટ્રોનને ઉચ્ચ-ઊર્જા ભ્રમણકક્ષામાં પમ્પ કરવામાં અને ચોક્કસ સમયગાળા માટે અસ્તિત્વમાં રહેવા માટે સક્ષમ હોય છે, અને પછી ઉત્તેજિત કિરણોત્સર્ગ દ્વારા એક શ્વાસમાં ફોટોન મુક્ત કરે છે);

2. એક બાહ્ય ઉત્તેજના સ્ત્રોત (પંપ સ્ત્રોત) છે જે ઇલેક્ટ્રોનને નીચલા સ્તરથી ઉપલા સ્તર સુધી પંપ કરી શકે છે, જેના કારણે લેસરના ઉપલા અને નીચલા સ્તરો વચ્ચે કણ સંખ્યા વ્યુત્ક્રમ થાય છે (એટલે ​​\u200b\u200bકે, જ્યારે ઓછી-ઊર્જાવાળા કણો કરતાં વધુ ઉચ્ચ-ઊર્જાવાળા કણો હોય છે), જેમ કે YAG લેસરોમાં ઝેનોન લેમ્પ;

3. એક રેઝોનન્ટ કેવિટી છે જે લેસર ઓસિલેશન પ્રાપ્ત કરી શકે છે, લેસર કાર્યકારી સામગ્રીની કાર્યકારી લંબાઈ વધારી શકે છે, પ્રકાશ તરંગ મોડને સ્ક્રીન કરી શકે છે, બીમના પ્રચાર દિશાને નિયંત્રિત કરી શકે છે, મોનોક્રોમેટિકિટી સુધારવા માટે ઉત્તેજિત રેડિયેશન આવર્તનને પસંદગીયુક્ત રીતે વિસ્તૃત કરી શકે છે (ખાતરી કરે છે કે લેસર ચોક્કસ ઊર્જા પર આઉટપુટ થાય છે).

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

લેસર વર્ગીકરણ: સામાન્ય રીતે ગેઇન માધ્યમ અથવા લેસર ઉર્જા 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 કરવામાં આવેલા સૌથી પહેલા લેસર ઉત્પાદનોમાંનું એક છે. પ્રારંભિક લેસર વેલ્ડીંગ મુખ્યત્વે કાર્બન ડાયોક્સાઇડ લેસર પર આધારિત હતું, જે હાલમાં મુખ્યત્વે વેલ્ડીંગ અને બિન-ધાતુ સામગ્રી (કાપડ, પ્લાસ્ટિક, લાકડું, વગેરે) કાપવા માટે વપરાય છે. વધુમાં, તેનો ઉપયોગ લિથોગ્રાફી મશીનો પર પણ થાય છે. કાર્બન ડાયોક્સાઇડ લેસર ઓપ્ટિકલ ફાઇબર દ્વારા પ્રસારિત થઈ શકતું નથી અને અવકાશી ઓપ્ટિકલ પાથ દ્વારા મુસાફરી કરે છે. સૌથી પહેલા ટોંગકુઆઈ પ્રમાણમાં સારી રીતે કરવામાં આવ્યું હતું, અને ઘણા બધા કટીંગ સાધનોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો;

YAG (યટ્રીયમ એલ્યુમિનિયમ ગાર્નેટ) લેસર: નિયોડીમિયમ (Nd) અથવા યટ્રીયમ (Yb) ધાતુ આયનોથી ભરેલા YAG સ્ફટિકોનો ઉપયોગ લેસર ગેઇન માધ્યમ તરીકે થાય છે, જેની ઉત્સર્જન તરંગલંબાઇ 1.06um છે. YAG લેસર વધુ પલ્સ આઉટપુટ કરી શકે છે, પરંતુ સરેરાશ શક્તિ ઓછી છે, અને ટોચની શક્તિ સરેરાશ શક્તિ કરતા 15 ગણી સુધી પહોંચી શકે છે. જો તે મુખ્યત્વે પલ્સ લેસર હોય, તો સતત આઉટપુટ પ્રાપ્ત કરી શકાતો નથી; પરંતુ તે ઓપ્ટિકલ ફાઇબર દ્વારા પ્રસારિત થઈ શકે છે, અને તે જ સમયે, ધાતુ સામગ્રીનો શોષણ દર વધે છે, અને તે ઉચ્ચ પ્રતિબિંબીતતા સામગ્રીમાં લાગુ થવાનું શરૂ થઈ રહ્યું છે, જે પહેલા 3C ક્ષેત્રમાં લાગુ કરવામાં આવે છે;

ફાઇબર લેસર: બજારમાં હાલનો મુખ્ય પ્રવાહ 1060nm ની તરંગલંબાઇ સાથે ગેઇન માધ્યમ તરીકે યટરબિયમ ડોપેડ ફાઇબરનો ઉપયોગ કરે છે. તે માધ્યમના આકારના આધારે ફાઇબર અને ડિસ્ક લેસરમાં વધુ વિભાજિત થાય છે; ફાઇબર ઓપ્ટિક IPGનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, જ્યારે ડિસ્ક ટોંગકુઆઈનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે.

સેમિકન્ડક્ટર લેસર: ગેઇન માધ્યમ એ સેમિકન્ડક્ટર PN જંકશન છે, અને સેમિકન્ડક્ટર લેસરની તરંગલંબાઇ મુખ્યત્વે 976nm છે. હાલમાં, સેમિકન્ડક્ટર નજીકના-ઇન્ફ્રારેડ લેસરનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે ક્લેડીંગ માટે થાય છે, જેમાં 600um થી ઉપરના પ્રકાશના ફોલ્લીઓ હોય છે. લેસરલાઇન એ સેમિકન્ડક્ટર લેસરોનું પ્રતિનિધિત્વ કરતું સાહસ છે.

ઉર્જા ક્રિયાના સ્વરૂપ દ્વારા વર્ગીકૃત: પલ્સ લેસર (PULSE), ક્વાસી કન્ટીન્યુઅસ લેસર (QCW), કન્ટીન્યુઅસ લેસર (CW)

પલ્સ લેસર: નેનોસેકન્ડ, પિકોસેકન્ડ, ફેમટોસેકન્ડ, આ ઉચ્ચ-આવર્તન પલ્સ લેસર (ns, પલ્સ પહોળાઈ) ઘણીવાર ઉચ્ચ શિખર ઊર્જા, ઉચ્ચ આવર્તન (MHZ) પ્રક્રિયા પ્રાપ્ત કરી શકે છે, જેનો ઉપયોગ પાતળા તાંબા અને એલ્યુમિનિયમ ભિન્ન સામગ્રીને પ્રક્રિયા કરવા માટે તેમજ મોટાભાગે સફાઈ માટે થાય છે. ઉચ્ચ શિખર ઊર્જાનો ઉપયોગ કરીને, તે ઓછી ક્રિયા સમય અને નાના ગરમીથી પ્રભાવિત ઝોન સાથે, બેઝ સામગ્રીને ઝડપથી ઓગાળી શકે છે. અતિ-પાતળા સામગ્રી (0.5mm થી નીચે) ની પ્રક્રિયામાં તેના ફાયદા છે;

ક્વાસી કન્ટીન્યુઅસ લેસર (QCW): ઉચ્ચ પુનરાવર્તન દર અને ઓછા ડ્યુટી ચક્ર (50% થી નીચે) ને કારણે, પલ્સ પહોળાઈQCW લેસરકિલોવોટ લેવલ કન્ટીન્યુઅસ ફાઇબર લેસર અને ક્યુ-સ્વિચ્ડ પલ્સ લેસર વચ્ચેના અંતરને ભરીને, ૫૦ યુએસ-૫૦ એમએસ સુધી પહોંચે છે; ક્વાસી કન્ટીન્યુઅસ ફાઇબર લેસરની પીક પાવર સતત મોડ ઓપરેશન હેઠળ સરેરાશ પાવર કરતાં ૧૦ ગણી સુધી પહોંચી શકે છે. QCW લેસરોમાં સામાન્ય રીતે બે મોડ હોય છે, એક ઓછી પાવર પર કન્ટીન્યુઅસ વેલ્ડીંગ હોય છે, અને બીજું પલ્સ્ડ લેસર વેલ્ડીંગ હોય છે જેમાં સરેરાશ પાવર કરતાં ૧૦ ગણી પીક પાવર હોય છે, જે જાડા મટિરિયલ અને વધુ હીટ વેલ્ડીંગ પ્રાપ્ત કરી શકે છે, જ્યારે ખૂબ જ નાની રેન્જમાં ગરમીને પણ નિયંત્રિત કરી શકે છે;

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