लेजर विकिरण में निम्नलिखित भौतिक गुण होते हैं:

1. उच्च स्थानिक और लौकिक सुसंगतता. इसका मतलब यह है कि व्यक्तिगत तरंगों के बीच कुछ चरण संबंध कुछ समय के लिए बने रहते हैं, न केवल अंतरिक्ष में किसी दिए गए बिंदु पर, बल्कि विभिन्न बिंदुओं पर होने वाले दोलनों के बीच भी। प्रक्रियाओं की यह स्थिरता लेजर विकिरण की किरण को इस विकिरण की तरंग दैर्ध्य के बराबर व्यास वाले स्थान पर केंद्रित करना संभव बनाती है। यह आपको लेजर बीम की पहले से ही उच्च तीव्रता को बढ़ाने की अनुमति देता है।

2. सख्त मोनोक्रोमैटिक विकिरण. लेजर द्वारा उत्सर्जित तरंग दैर्ध्य Δλ की सीमा ~ 10 -15 मीटर (औसतन Δλ) के मान तक पहुंच जाती है< 10 -11).

3. उच्च ऊर्जा प्रवाह घनत्व। उदाहरण के लिए, एक नियोडिमियम लेजर 3·10 -12 सेकेंड की अवधि और 75 जे की ऊर्जा के साथ दालें उत्पन्न करता है, जो 2.5·10 13 डब्ल्यू की शक्ति से मेल खाती है (क्रास्नोयार्स्क जलविद्युत स्टेशन की शक्ति 6·10 9 डब्ल्यू है) )! तुलना के लिए, हम यह भी ध्यान देते हैं कि पृथ्वी की सतह पर सूर्य के प्रकाश की तीव्रता केवल 10 3 W/m 2 है, जबकि लेजर सिस्टम 10 20 W/m 2 तक की तीव्रता उत्पन्न कर सकते हैं।

लेज़र विकिरण के असामान्य गुणों का व्यापक व्यावहारिक अनुप्रयोग होता है। उद्योग में, लेजर का उपयोग ठोस सामग्रियों के प्रसंस्करण, काटने और माइक्रो-वेल्डिंग (उदाहरण के लिए, हीरे में कैलिब्रेटेड छेद को छिद्रित करना), सतह प्रसंस्करण दोषों का उच्च गति और सटीक पता लगाने आदि के लिए किया जाता है। विज्ञान में, लेजर विकिरण का उपयोग अध्ययन के लिए किया जाता है रासायनिक प्रतिक्रियाओं का तंत्र और अति-शुद्ध पदार्थ प्राप्त करना; आइसोटोप को अलग करने और उच्च तापमान वाले प्लाज्मा का अध्ययन करने के लिए; विस्थापन, अपवर्तक सूचकांक, दबाव और तापमान (खगोल विज्ञान में) के अति-सटीक दूरस्थ माप के लिए। लेजर विकिरण की उच्च सुसंगतता ने तरंग हस्तक्षेप और विवर्तन के आधार पर रिकॉर्डिंग और छवि बहाली की एक मौलिक नई विधि को लागू करना संभव बना दिया। त्रि-आयामी छवि प्राप्त करने की इस विधि को होलोग्राफी कहा जाता था (ग्रीक शब्द होलोस से - सभी)। इसमें निम्नलिखित शामिल हैं (चित्र 7): एक वस्तु 2 को फोटोडिटेक्टर स्क्रीन (फोटोप्लेट) 3 के सामने रखा गया है। एक पारभासी दर्पण 4 लेजर बीम को संदर्भ 7 और सिग्नल 8 तरंग में विभाजित करता है। लेंस 5 द्वारा केंद्रित संदर्भ तरंग 7, दर्पण 6 द्वारा सीधे फोटोग्राफिक प्लेट पर प्रतिबिंबित होती है। सिग्नल तरंग 8 वस्तु 2 से परावर्तन के बाद फोटोडिटेक्टर से टकराती है तरंगें 7 और 8 सुसंगत हैं, फिर एक दूसरे को ओवरलैप करते हुए, वे फोटोग्राफिक प्लेट पर एक हस्तक्षेप पैटर्न बनाते हैं। फोटोडिटेक्टर विकसित करने के बाद, एक होलोग्राम प्राप्त होता है - दो सुसंगत प्रकाश तरंगों 7 और 8 के योग के हस्तक्षेप पैटर्न का एक "नकारात्मक"।

जब होलोग्राम को उचित कोण पर संदर्भ तरंग के समान प्रकाश तरंग द्वारा प्रकाशित किया जाता है, तो इस "रीडिंग" तरंग का विवर्तन "विवर्तन झंझरी" पर होता है, जो होलोग्राम पर दर्ज एक हस्तक्षेप पैटर्न है। परिणामस्वरूप, होलोग्राम पर पंजीकृत वस्तु की छवि बहाल हो जाती है (अवलोकन योग्य हो जाती है)।

यदि फोटोडिटेक्टर में आसन्न हस्तक्षेप फ्रिंजों के बीच की दूरी के बराबर प्रकाश संवेदनशील परत की मोटाई होती है, तो एक पारंपरिक द्वि-आयामी, सपाट होलोग्राम प्राप्त होता है, लेकिन यदि परत की मोटाई फ्रिंजों के बीच की दूरी से बहुत अधिक है, तो एक त्रि-आयामी (वॉल्यूमेट्रिक) होलोग्राम प्राप्त होता है। छवि प्राप्त होती है.

सफेद रोशनी (सूरज की रोशनी या एक साधारण गरमागरम दीपक की रोशनी) में वॉल्यूमेट्रिक होलोग्राम से एक छवि को पुनर्स्थापित करना भी संभव है - होलोग्राम स्वयं निरंतर स्पेक्ट्रम से तरंग दैर्ध्य का "चयन" करता है जो होलोग्राम पर दर्ज की गई छवि को पुनर्स्थापित कर सकता है।

आइए पदार्थ और जैविक वस्तुओं के साथ लेजर विकिरण की परस्पर क्रिया के मुख्य प्रभावों पर विचार करें।

ऊष्मीय प्रभाव. जब लेजर विकिरण को पदार्थ, मानव ऊतक, जानवरों और पौधों द्वारा अवशोषित किया जाता है, तो विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा गर्मी में बदल जाता है। जैविक ऊतकों में, अवशोषण चयनात्मक रूप से होता है, क्योंकि कपड़ों में शामिल संरचनात्मक तत्वों में अलग-अलग अवशोषण और प्रतिबिंब सूचकांक होते हैं। लेजर विकिरण का थर्मल प्रभाव प्रकाश प्रवाह की तीव्रता और ऊतक द्वारा इसके अवशोषण की डिग्री से निर्धारित होता है। इस मामले में, ऊतकों में होने वाले परिवर्तन जलने के समान होते हैं। हालाँकि, जलने के विपरीत, स्थानीय तापमान वृद्धि के क्षेत्र की सीमाएँ स्पष्ट रूप से परिभाषित होती हैं। यह लेजर बीम के बहुत छोटे क्रॉस-सेक्शन, एक्सपोज़र की छोटी अवधि और जैविक ऊतकों की खराब तापीय चालकता के कारण है। तापमान बढ़ने के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील एंजाइम होते हैं, जो गर्म होने पर सबसे पहले नष्ट हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कोशिकाओं में जैव रासायनिक प्रतिक्रियाएं धीमी हो जाती हैं। लेजर विकिरण की पर्याप्त तीव्रता के साथ, प्रोटीन का जमावट (अपरिवर्तनीय विकृतीकरण) और ऊतक का पूर्ण विनाश हो सकता है।

प्रभाव प्रभाव. लेज़र बीम से प्रभावित क्षेत्र में ऊष्मा का उत्पादन एक सेकंड के दस लाखवें और यहां तक ​​कि सौ मिलियनवें हिस्से में होता है। ऊतक कणों के तात्कालिक वाष्पीकरण और उनके तीव्र वॉल्यूमेट्रिक विस्तार से ताप क्षेत्र में दबाव में तेज वृद्धि होती है। परिणामस्वरूप, कोशिकाओं और ऊतकों के तरल घटकों में एक शॉक वेव दिखाई देती है, जो सुपरसोनिक गति (~1500 मीटर/सेकेंड) से फैलती है और नुकसान पहुंचा सकती है।

विद्युत घटनाएँ. लेजर विकिरण अपनी प्रकृति से एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र है। यदि इस क्षेत्र का विद्युत घटक पर्याप्त रूप से बड़ा है, तो लेजर बीम की क्रिया परमाणुओं और अणुओं के आयनीकरण और उत्तेजना का कारण बनेगी। जैविक ऊतकों में, इससे अणुओं में रासायनिक बंधों का चयनात्मक विनाश हो सकता है, मुक्त कणों का निर्माण हो सकता है और, परिणामस्वरूप, जानवरों और मनुष्यों में विभिन्न रोग प्रक्रियाएं हो सकती हैं। यह माना जाता है कि वे रासायनिक उत्परिवर्तन, कैंसर की घटना और जैविक उम्र बढ़ने का कारण बनते हैं।

ऊपर सूचीबद्ध लेजर विकिरण के गुण और जैविक ऊतकों के साथ इसकी बातचीत के प्रभाव प्रायोगिक जीव विज्ञान और चिकित्सा में लेजर के उपयोग की अनूठी संभावनाओं को निर्धारित करते हैं।

केवल कुछ माइक्रोन के व्यास पर केंद्रित, लेजर बीम सेलुलर स्तर पर एक अनुसंधान और माइक्रोसर्जिकल उपकरण बन जाता है। गुणसूत्रों के कुछ भागों को विकिरणित करके, आप आनुवंशिकता में परिवर्तन ला सकते हैं। इस तरह की लेजर किरण एक मैक्रोमोलेक्यूल से अलग-अलग टुकड़ों को अलग करना और उनके स्थान पर नए टुकड़ों को "सिलना" संभव बनाती है। लेज़रों के उपयोग ने कोशिका विज्ञान, साइटोजेनेटिक्स, भ्रूणविज्ञान और जैविक विज्ञान के अन्य क्षेत्रों में कई समस्याओं को हल करना तकनीकी रूप से संभव बना दिया है।

चिकित्सा में लेज़रों के अनुप्रयोग के मुख्य क्षेत्र सर्जरी, नेत्र विज्ञान और ऑन्कोलॉजी हैं।

सर्जरी में, निरंतर मोड में काम करने वाले 30 ÷ 100 डब्ल्यू की शक्ति वाले सीओ 2 लेजर का उपयोग किया जाता है। जैविक ऊतक को नष्ट करने के लिए लेजर बीम के गुण, प्रोटीन जमावट के साथ मिलकर, रक्तहीन विच्छेदन की अनुमति देते हैं। पारंपरिक स्केलपेल की तुलना में लेज़र स्केलपेल के कई फायदे हैं। सर्जरी की मुख्य समस्याएँ दर्द, रक्तस्राव और बाँझपन हैं। लेज़र का उपयोग करते समय इन समस्याओं को बहुत सरलता से हल किया जा सकता है: लेज़र विकिरण, एक पारंपरिक स्केलपेल के विपरीत, संक्रमण नहीं ला सकता है; यह विच्छेदित ऊतक को निष्फल कर देता है, भले ही वह पहले से ही दमन से संक्रमित हो; कोई रक्त हानि नहीं होती है, क्योंकि रक्त वाहिकाएं तुरंत खून के थक्के से भर जाती हैं; लेजर स्केलपेल ऊतक पर यांत्रिक दबाव नहीं डालता है, जिससे दर्द की अनुभूति कम हो जाती है। इसके अलावा, आधुनिक एंडोस्कोप और लचीले प्रकाश गाइड (फाइबर ऑप्टिक्स) की मदद से, लेजर विकिरण को आंतरिक गुहाओं में पेश किया जा सकता है, जिससे आंतरिक रक्तस्राव को रोकना और अंगों को खोले बिना दमन को वाष्पित करना संभव हो जाता है। सर्जिकल उद्देश्यों के लिए, हमारे देश ने "स्केलपेल -1" (पी = 30 डब्ल्यू) और "रोमाश्का -1" (पी = 100 डब्ल्यू) इंस्टॉलेशन बनाए हैं।

नेत्र विज्ञान में, स्पंदित रूबी लेजर का उपयोग किया जाता है (पल्स अवधि 30 ÷ 70 एनएस; ई = 0.1 ÷ 0.3 जे), जो आंख की अखंडता से समझौता किए बिना कई जटिल ऑपरेशन करना संभव बनाता है: अलग रेटिना को वेल्डिंग करना कोरॉइड (ऑप्थाल्मोकोगुलेटर) के लिए; इंट्राओकुलर दबाव को कम करने के लिए तरल पदार्थ निकालने के लिए लेजर बीम के साथ 50-100 एनएम के व्यास वाले छेद को छेदकर मोतियाबिंद का उपचार; कुछ प्रकार के मोतियाबिंद और अन्य आईरिस दोषों का उपचार। ग्लूकोमा के इलाज के लिए यतागन-1 इंस्टालेशन बनाया गया।

ऑन्कोलॉजी में, लेजर विकिरण का उपयोग घातक ट्यूमर की कोशिकाओं को एक्साइज़ और नेक्रोटाइज़ करने के लिए किया जाता है। घातक ट्यूमर को नेक्रोटाइज़ करते समय, विभिन्न ऊतकों द्वारा लेजर विकिरण के अवशोषण की चयनात्मकता का उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, कुछ रंजित ट्यूमर (मेलेनोमा, हेमांगीओमा) आसपास के ऊतकों की तुलना में लेजर विकिरण को अधिक तीव्रता से अवशोषित करते हैं। उसी समय, शॉक वेव के गठन के साथ ऊतक की सूक्ष्म मात्रा में बिजली की गति से गर्मी निकलती है। ये कारक घातक कोशिकाओं के विनाश का कारण बनते हैं। स्पंदित एक्सपोज़र के साथ, 4-5 मिमी की गहराई पर ऊतक का तापमान 55-60 0 C तक बढ़ जाता है। निरंतर मोड में काम करने वाले लेजर का उपयोग करते समय, तापमान 100 0 C तक बढ़ाया जा सकता है। फोकस्ड लेजर विकिरण का उपयोग ट्यूमर को प्रभावित करने के लिए किया जाता है (डी = वस्तु की सतह पर 1.5 ÷3 मिमी) तीव्रता I = 200 ÷ 900 डब्लू/सेमी 2 के साथ।

यह स्थापित किया गया है कि त्वचा कैंसर के इलाज के लिए उपयोग की जाने वाली एक्स-रे थेरेपी की तुलना में लेजर विकिरण के कई फायदे हैं: विकिरण भार काफी कम हो जाता है और लागत कई गुना कम हो जाती है। कम तीव्र विकिरण का उपयोग करके, कैंसर कोशिकाओं (लेजर थेरेपी) की वृद्धि को रोकना संभव है। इस प्रयोजन के लिए, एक विशेष लेजर इंस्टॉलेशन "पल्सेटर -1" या 1 डब्ल्यू तक की शक्ति वाले आर्गन लेजर का उपयोग किया जाता है। 97% मामलों में त्वचा कैंसर को लेजर से ठीक किया जा सकता है।

अन्य प्रकाश स्रोतों की तुलना में, लेज़र में इसके विकिरण की सुसंगतता और उच्च प्रत्यक्षता से संबंधित कई अद्वितीय गुण होते हैं। "गैर-लेजर" प्रकाश स्रोतों के विकिरण में ये विशेषताएं नहीं होती हैं। किसी गर्म पिंड द्वारा उत्सर्जित शक्ति उसके तापमान T से निर्धारित होती है। बिल्कुल काले पिंड के लिए प्राप्त विकिरण प्रवाह का उच्चतम संभव मान W = 5.7 × 10-12xT 4 W/cm 2 है। बढ़ते टी के साथ विकिरण शक्ति तेजी से बढ़ती है और उच्च टी के लिए बहुत बड़े मूल्यों तक पहुंच जाती है। इस प्रकार, सूर्य की सतह का प्रत्येक 1 सेमी 2 (T = 5800 K) W = 6.4 × 10 3 वाट की शक्ति उत्सर्जित करता है। हालाँकि, थर्मल स्रोत से विकिरण स्रोत से सभी दिशाओं में फैलता है। ऐसे स्रोत से निर्देशित किरण का निर्माण, डायाफ्राम की एक प्रणाली या लेंस और दर्पण से युक्त ऑप्टिकल सिस्टम का उपयोग करके किया जाता है, हमेशा ऊर्जा की हानि के साथ होता है। कोई भी ऑप्टिकल सिस्टम किसी प्रबुद्ध वस्तु की सतह पर प्रकाश स्रोत की तुलना में अधिक विकिरण शक्ति प्राप्त करना संभव नहीं बनाता है।

यदि लेजर विकिरण की तीव्रता की तुलना समान वर्णक्रमीय और कोणीय अंतराल में बिल्कुल काले शरीर की विकिरण तीव्रता से की जाती है, तो काल्पनिक रूप से उच्च तापमान प्राप्त होता है, थर्मल प्रकाश स्रोतों के वास्तव में प्राप्त तापमान से अरबों या अधिक गुना अधिक। इसके अलावा, विकिरण का कम विचलन, पारंपरिक ऑप्टिकल सिस्टम का उपयोग करके, नगण्य रूप से छोटी मात्रा में प्रकाश ऊर्जा को केंद्रित करना संभव बनाता है, जिससे भारी ऊर्जा घनत्व पैदा होता है। विकिरण की सुसंगतता और दिशात्मकता प्रकाश किरणों के उपयोग के लिए मौलिक रूप से नई संभावनाओं को खोलती है जहां गैर-लेजर प्रकाश स्रोत लागू नहीं होते हैं।

लेजर विकिरण की दिशात्मकता काफी हद तक इस तथ्य से निर्धारित होती है कि एक खुले अनुनादक में केवल वे तरंगें ही उत्तेजित हो सकती हैं जो अनुनादक की धुरी के साथ या उससे बहुत छोटे कोण पर निर्देशित होती हैं। उच्च स्तर की स्थानिक सुसंगतता के साथ, लेजर बीम के विचलन कोण को विवर्तन द्वारा निर्धारित सीमा के करीब बनाया जा सकता है। विशिष्ट मान हैं: गैस लेज़रों के लिए (0.5-5)x10 -3 रेडियन, ठोस-अवस्था लेज़रों के लिए (2-20)x10 -3 रेडियन, अर्धचालक लेज़रों के लिए (5-50)x10 -2 रेडियन।

इसके अलावा, एक थर्मल स्रोत का विकिरण गैर-मोनोक्रोमैटिक होता है; यह तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला को भरता है। उदाहरण के लिए, सूर्य का विकिरण स्पेक्ट्रम पराबैंगनी, दृश्यमान और अवरक्त तरंग दैर्ध्य श्रेणियों तक फैला हुआ है। विकिरण की मोनोक्रोमैटिकिटी को बढ़ाने के लिए, मोनोक्रोमेटर्स का उपयोग किया जाता है, जो निरंतर स्पेक्ट्रम से अपेक्षाकृत संकीर्ण क्षेत्र को अलग करना संभव बनाता है, या कम दबाव वाले गैस-डिस्चार्ज प्रकाश स्रोतों का उपयोग किया जाता है, जो असतत परमाणु या आणविक संकीर्ण वर्णक्रमीय रेखाएं उत्पन्न करते हैं। हालाँकि, वर्णक्रमीय रेखाओं में विकिरण की तीव्रता बिल्कुल काले शरीर के विकिरण की तीव्रता से अधिक नहीं हो सकती, जिसका तापमान परमाणुओं और अणुओं के उत्तेजना तापमान के बराबर है। इस प्रकार, दोनों ही मामलों में, विकिरण का मोनोक्रोमैटाइजेशन भारी ऊर्जा हानि की कीमत पर प्राप्त किया जाता है। वर्णक्रमीय रेखा जितनी संकरी होगी, ऊर्जा उतनी ही कम उत्सर्जित होगी।

लेज़रों और अन्य सभी प्रकाश स्रोतों के बीच मूलभूत अंतर, जो अनिवार्य रूप से ऑप्टिकल शोर के स्रोत हैं, लेज़र विकिरण की उच्च स्तर की सुसंगतता है। ऑप्टिकल रेंज में लेजर के निर्माण के साथ, रेडियो रेंज में परिचित सुसंगत सिग्नल जेनरेटर के समान विकिरण स्रोत दिखाई दिए, जो संचार और सूचना हस्तांतरण उद्देश्यों के लिए सफलतापूर्वक उपयोग किए जाने में सक्षम हैं, और उनके कई गुणों में - विकिरण प्रत्यक्षता, प्रेषित आवृत्ति बैंड, कम शोर स्तर, समय के साथ ऊर्जा एकाग्रता और आदि। - क्लासिक रेडियो उपकरणों से बेहतर।

मल्टीमोड मोड में काम करने वाले लेजर के मामले में, मोनोक्रोमैटिकिटी उत्पन्न मोड की संख्या से संबंधित है और कई गीगाहर्ट्ज़ हो सकती है। स्पंदित ऑपरेटिंग मोड में, न्यूनतम लाइन चौड़ाई पल्स अवधि के व्युत्क्रम द्वारा सीमित होती है।

लेजर विकिरण की मोनोक्रोमैटिकिटी की उच्च डिग्री उच्च वर्णक्रमीय ऊर्जा घनत्व को निर्धारित करती है - बहुत छोटी वर्णक्रमीय सीमा में प्रकाश ऊर्जा की एकाग्रता की उच्च डिग्री। उच्च मोनोक्रोमैटिकिटी लेजर विकिरण पर ध्यान केंद्रित करना आसान बनाती है, क्योंकि लेंस का रंगीन विपथन महत्वहीन हो जाता है। सुसंगति. अन्य प्रकाश स्रोतों की तुलना में लेज़रों में लौकिक और स्थानिक, विकिरण सुसंगतता का उच्च स्तर होता है।

वर्तमान में, लेज़र पराबैंगनी से लेकर सबमिलीमीटर तरंगों तक की सीमा को कवर करते हैं, एक्स-रे लेज़रों के निर्माण में पहली सफलता हासिल की गई है, और फ़्रीक्वेंसी-ट्यून करने योग्य लेज़र बनाए गए हैं।

उनकी उच्च दिशात्मकता के कारण, लेजर प्रकाश स्रोतों में बहुत अधिक चमक होती है, जिसका अर्थ है कि लक्ष्य पर बहुत अधिक प्रकाश तीव्रता उत्पन्न की जा सकती है। इस प्रकार, केवल 10 मेगावाट की शक्ति और 0.1 सेमी 2 के बीम क्षेत्र के साथ 3 × 10 -4 रेडियन के विकिरण विचलन वाले हीलियम-नियॉन लेजर की चमक 10 6 डब्ल्यू / (सेमी 2 * स्टेरेडियन) है, जो सूर्य की चमक (130 डब्लू/(सेमी 2 स्टेरेडियन)) से कई गुना अधिक है।

ऊपर सूचीबद्ध गुण लेज़रों को अद्वितीय प्रकाश स्रोत बनाते हैं और उनके असंख्य अनुप्रयोगों की संभावना निर्धारित करते हैं।

लेज़र का डिज़ाइन और उत्तेजित उत्सर्जन के गुण लेज़र विकिरण और पारंपरिक प्रकाश स्रोतों के विकिरण के बीच अंतर निर्धारित करते हैं। लेजर विकिरण (एलआर) की विशेषता निम्नलिखित महत्वपूर्ण गुण हैं।

1. अत्यधिक सुसंगत.विकिरण है अत्यधिक सुसंगत,जो उत्तेजित प्रेरित उत्सर्जन के गुणों के कारण होता है। इस मामले में, न केवल अस्थायी, बल्कि स्थानिक सुसंगतता भी होती है: प्रसार की दिशा के लंबवत विमान के दो बिंदुओं पर चरण अंतर स्थिर रहता है (छवि ए) (स्थानिक सुसंगतता के परिणामस्वरूप, विकिरण को केंद्रित किया जा सकता है) बहुत छोटी मात्रा)।

2. एकवर्णी।लेजर विकिरण है अत्यधिक एकवर्णी,अर्थात्, इसमें लगभग समान आवृत्ति की तरंगें होती हैं (फोटॉनों की ऊर्जा समान होती है)। यह इस तथ्य के कारण है कि उत्तेजित उत्सर्जन फोटॉनों के दोहराव से जुड़ा है (प्रत्येक उत्तेजित फोटॉन पूरी तरह से मूल के समान है)। इस स्थिति में, स्थिर आवृत्ति की एक विद्युत चुम्बकीय तरंग बनती है। वर्णक्रमीय रेखा की चौड़ाई 0.01 एनएम है। चित्र में. सी एक लेजर बीम और साधारण प्रकाश की किरण की लाइनविड्थ की एक योजनाबद्ध तुलना दिखाता है।

लेज़रों के आगमन से पहले, एक निश्चित डिग्री की मोनोक्रोमैटिकिटी के साथ विकिरण उपकरणों - मोनोक्रोमेटर्स का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता था, जो एक सतत स्पेक्ट्रम से संकीर्ण वर्णक्रमीय अंतराल (संकीर्ण तरंग दैर्ध्य बैंड) को अलग करते हैं, लेकिन ऐसे बैंड में प्रकाश की शक्ति कम होती है।

3. उच्च शक्ति।लेजर का उपयोग करके, आप बहुत उच्च मोनोक्रोमैटिक विकिरण शक्ति प्रदान कर सकते हैं - निरंतर मोड में 10 5 वॉट तक। स्पंदित लेजर की शक्ति कई गुना अधिक होती है। इस प्रकार एक नियोडिमियम लेजर ऊर्जा के साथ एक पल्स उत्पन्न करता है इ= 75 जे, जिसकी अवधि टी= 3·10-12 सेकंड. नाड़ी शक्ति बराबर होती है आर= ई/टी= 2.5 · 10 13 डब्ल्यू (तुलना के लिए: जलविद्युत शक्ति आर~ 10 9 डब्ल्यू)।

4. उच्च तीव्रता।स्पंदित लेज़रों में, लेज़र विकिरण की तीव्रता बहुत अधिक होती है और पहुँच सकती है मैं= 10 14 -10 16 डब्लू/सेमी 2 (सीएफ. पृथ्वी की सतह के निकट सूर्य के प्रकाश की तीव्रता मैं= 0.1 डब्ल्यू/सेमी2)।

5. उच्च चमक।दृश्यमान रेंज में काम करने वाले लेज़रों के लिए, चमकलेजर विकिरण (प्रति इकाई सतह पर प्रकाश की तीव्रता) बहुत अधिक है। यहां तक ​​कि सबसे कमजोर लेजर की चमक भी 10 15 सीडी/एम 2 है (तुलना के लिए: सूर्य की चमक) एल~ 10 9 सीडी/एम2)।

6. दबाव।जब एक लेज़र किरण किसी सतह से टकराती है, तो ऐसा होता है दबाव (पी).सतह पर लंबवत आपतित लेजर विकिरण के पूर्ण अवशोषण के साथ, एक दबाव बनता है आर= मैं/एस, कहाँ मैं– विकिरण की तीव्रता, साथ- निर्वात में प्रकाश की गति. पूर्ण परावर्तन के साथ, दबाव दोगुना अधिक होता है। तीव्रता पर मैं= 10 14 डब्लू/सेमी 2 = 10 18 डब्लू/एम 2, आर= 3.3·10 9 पा = 33000 एटीएम।

7. बीम में छोटा विचलन कोण. संरेखण।विकिरण है समेटा हुआ,अर्थात्, किरण में सभी किरणें लगभग एक-दूसरे के समानांतर होती हैं (चित्र 6)। लंबी दूरी पर, लेज़र बीम का व्यास केवल थोड़ा सा बढ़ता है (अधिकांश लेज़रों के लिए विचलन कोण 1 आर्क मिनट या उससे कम होता है)। चूंकि विचलन कोण छोटा है, दूरी के साथ लेजर बीम की तीव्रता थोड़ी कम हो जाती है। उच्च दिशात्मकता संकेतों को उनकी तीव्रता में थोड़ी क्षीणन के साथ विशाल दूरी तक प्रसारित करने की अनुमति देती है।

8. ध्रुवीकरण।लेजर विकिरण पूरी तरह से है ध्रुवीकृत.

संघीय रेलवे परिवहन एजेंसी

संघीय राज्य बजट

उच्च व्यावसायिक शिक्षा का शैक्षिक संस्थान

"मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी ऑफ़ कम्युनिकेशंस"

परिवहन प्रौद्योगिकी और नियंत्रण प्रणाली संस्थान

परिवहन इंजीनियरिंग और रोलिंग स्टॉक की मरम्मत का प्रौद्योगिकी विभाग

निबंध

अनुशासन में: "इलेक्ट्रोफिजिकल और इलेक्ट्रोकेमिकल प्रसंस्करण विधियां"

विषय: "लेज़र के प्रकार और विशेषताएँ"

परिचय

लेजर का आविष्कार 20वीं सदी के विज्ञान और प्रौद्योगिकी की सबसे उत्कृष्ट उपलब्धियों में शुमार है। पहला लेजर 1960 में सामने आया और लेजर तकनीक का तेजी से विकास तुरंत शुरू हुआ। थोड़े ही समय में, विशिष्ट वैज्ञानिक और तकनीकी समस्याओं को हल करने के लिए डिज़ाइन किए गए विभिन्न प्रकार के लेजर और लेजर उपकरण बनाए गए। लेज़रों ने पहले ही राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था के कई क्षेत्रों में एक मजबूत स्थिति हासिल कर ली है। जैसा कि शिक्षाविद् ए.पी. ने कहा। अलेक्जेंड्रोव, लेज़र शब्द अब हर लड़का जानता है . और फिर भी, लेजर क्या है, यह दिलचस्प और उपयोगी क्यों है? लेज़र विज्ञान के संस्थापकों में से एक - क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक्स - शिक्षाविद् एन.जी. बसोव इस प्रश्न का उत्तर इस प्रकार देते हैं: लेज़र एक उपकरण है जिसमें ऊर्जा, उदाहरण के लिए थर्मल, रासायनिक, विद्युत, को विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की ऊर्जा - एक लेज़र बीम में परिवर्तित किया जाता है। इस तरह के रूपांतरण के साथ, कुछ ऊर्जा अनिवार्य रूप से खो जाती है, लेकिन जो महत्वपूर्ण है वह यह है कि परिणामी लेजर ऊर्जा अतुलनीय रूप से उच्च गुणवत्ता वाली है। लेजर ऊर्जा की गुणवत्ता इसकी उच्च सांद्रता और काफी दूरी तक संचारित करने की क्षमता से निर्धारित होती है। एक लेज़र किरण को प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के क्रम पर व्यास वाले एक छोटे से स्थान पर केंद्रित किया जा सकता है और ऊर्जा घनत्व उत्पन्न किया जा सकता है जो वर्तमान में परमाणु विस्फोट की ऊर्जा घनत्व से अधिक है।

लेजर विकिरण की मदद से, तापमान, दबाव और चुंबकीय क्षेत्र की ताकत के उच्चतम मूल्यों को प्राप्त करना पहले से ही संभव हो गया है। अंत में, लेजर बीम सूचना का सबसे अधिक क्षमता वाला वाहक है और, इस भूमिका में, इसके प्रसारण और प्रसंस्करण का एक मौलिक नया साधन है। . आधुनिक विज्ञान और प्रौद्योगिकी में लेज़रों के व्यापक उपयोग को लेज़र विकिरण के विशिष्ट गुणों द्वारा समझाया गया है। लेज़र सुसंगत प्रकाश का एक जनरेटर है। अन्य प्रकाश स्रोतों (उदाहरण के लिए, गरमागरम लैंप या फ्लोरोसेंट लैंप) के विपरीत, एक लेजर प्रकाश क्षेत्र में उच्च स्तर के क्रम की विशेषता वाले ऑप्टिकल विकिरण का उत्पादन करता है, या, जैसा कि वे कहते हैं, उच्च स्तर की सुसंगतता। ऐसा विकिरण अत्यधिक एकवर्णीय और दिशात्मक होता है। आजकल, लेजर विभिन्न प्रकार के कार्यों का सामना करते हुए आधुनिक उत्पादन में सफलतापूर्वक काम कर रहे हैं। लेजर बीम का उपयोग कपड़ों को काटने और स्टील शीट को काटने, कार बॉडी को वेल्ड करने और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में सबसे छोटे हिस्सों को वेल्ड करने और भंगुर और सुपर-कठोर सामग्रियों में छेद करने के लिए किया जाता है। इसके अलावा, सामग्रियों का लेजर प्रसंस्करण अन्य प्रकार के प्रसंस्करण की तुलना में दक्षता और प्रतिस्पर्धात्मकता बढ़ाना संभव बनाता है। वैज्ञानिक अनुसंधान - भौतिक, रासायनिक, जैविक - में लेजर के अनुप्रयोग का क्षेत्र लगातार बढ़ रहा है।

लेजर के उल्लेखनीय गुण - विकिरण की असाधारण उच्च सुसंगतता और प्रत्यक्षता, स्पेक्ट्रम के दृश्य, अवरक्त और पराबैंगनी क्षेत्रों में उच्च तीव्रता की सुसंगत तरंगें उत्पन्न करने की क्षमता, निरंतर और स्पंदित दोनों मोड में उच्च ऊर्जा घनत्व प्राप्त करना - पहले से ही भोर में क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक्स ने लेज़रों की एक विस्तृत श्रृंखला की संभावना का संकेत दिया। व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए अनुप्रयोग। अपनी स्थापना के बाद से, लेजर तकनीक असाधारण उच्च गति से विकसित हो रही है। नए प्रकार के लेज़र दिखाई दे रहे हैं और साथ ही पुराने लेज़रों में सुधार किया जा रहा है: विभिन्न विशिष्ट उद्देश्यों के लिए आवश्यक विशेषताओं के एक सेट के साथ लेज़र इंस्टॉलेशन बनाए जा रहे हैं, साथ ही विभिन्न प्रकार के बीम नियंत्रण उपकरण भी बनाए जा रहे हैं, और मापने की तकनीक में और अधिक सुधार किया जा रहा है। और अधिक। यह राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था के कई क्षेत्रों और विशेष रूप से यांत्रिक और उपकरण निर्माण में लेज़रों की गहरी पैठ का कारण था।

यह विशेष रूप से ध्यान दिया जाना चाहिए कि लेजर विधियों या, दूसरे शब्दों में, लेजर प्रौद्योगिकियों के विकास से आधुनिक उत्पादन की दक्षता में काफी वृद्धि होती है। लेजर प्रौद्योगिकियां उत्पादन प्रक्रियाओं के सबसे पूर्ण स्वचालन की अनुमति देती हैं।

आज लेज़र प्रौद्योगिकी की उपलब्धियाँ बहुत बड़ी और प्रभावशाली हैं। आने वाला कल और भी बड़ी उपलब्धियों का वादा करता है। लेज़रों से कई उम्मीदें जुड़ी हुई हैं: त्रि-आयामी सिनेमा बनाने से लेकर ऐसी वैश्विक समस्याओं को हल करने तक जैसे अल्ट्रा-लॉन्ग-रेंज स्थलीय और पानी के नीचे ऑप्टिकल संचार स्थापित करना, प्रकाश संश्लेषण के रहस्यों को उजागर करना, नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया को लागू करना, बड़ी मात्रा में सिस्टम का उद्भव मेमोरी और हाई-स्पीड सूचना इनपुट और आउटपुट डिवाइस की।

1. लेज़रों का वर्गीकरण

यह दो प्रकार के लेज़रों के बीच अंतर करने की प्रथा है: एम्पलीफायर और जनरेटर। एम्पलीफायर के आउटपुट पर लेजर विकिरण तब प्रकट होता है जब संक्रमण आवृत्ति पर एक छोटा संकेत इसके इनपुट पर प्राप्त होता है (और यह स्वयं पहले से ही उत्तेजित अवस्था में है)। यह वह संकेत है जो उत्तेजित कणों को ऊर्जा छोड़ने के लिए उत्तेजित करता है। हिमस्खलन जैसी तीव्रता उत्पन्न होती है। इस प्रकार, इनपुट पर कमजोर विकिरण है, और आउटपुट पर प्रवर्धित विकिरण है। जनरेटर के साथ स्थिति अलग है. संक्रमण आवृत्ति पर विकिरण अब इसके इनपुट पर आपूर्ति नहीं की जाती है, बल्कि सक्रिय पदार्थ उत्तेजित होता है और, इसके अलावा, अत्यधिक उत्तेजित होता है। इसके अलावा, यदि सक्रिय पदार्थ अत्यधिक उत्तेजित अवस्था में है, तो ऊपरी स्तर से निचले स्तर तक एक या एक से अधिक कणों के सहज संक्रमण की संभावना काफी बढ़ जाती है। इसके परिणामस्वरूप उत्तेजित उत्सर्जन होता है।

लेज़रों को वर्गीकृत करने का दूसरा दृष्टिकोण सक्रिय पदार्थ की भौतिक स्थिति से संबंधित है। इस दृष्टिकोण से, लेज़र ठोस-अवस्था (उदाहरण के लिए, रूबी, कांच या नीलमणि), गैस (उदाहरण के लिए, हीलियम-नियॉन, आर्गन, आदि), तरल हो सकते हैं; यदि अर्धचालक जंक्शन को सक्रिय पदार्थ के रूप में उपयोग किया जाता है , तो लेजर को सेमीकंडक्टर कहा जाता है।

वर्गीकरण का तीसरा दृष्टिकोण सक्रिय पदार्थ के उत्तेजना की विधि से संबंधित है। निम्नलिखित लेजर प्रतिष्ठित हैं: ऑप्टिकल विकिरण के कारण उत्तेजना के साथ, इलेक्ट्रॉन प्रवाह के कारण उत्तेजना के साथ, सौर ऊर्जा के कारण उत्तेजना के साथ, विस्फोटित तारों की ऊर्जा के कारण उत्तेजना के साथ, रासायनिक ऊर्जा के कारण उत्तेजना के साथ, परमाणु विकिरण का उपयोग करके उत्तेजना के साथ। लेजर उत्सर्जित ऊर्जा की प्रकृति और इसकी वर्णक्रमीय संरचना से भी भिन्न होते हैं। यदि ऊर्जा स्पंदित रूप से उत्सर्जित होती है, तो वे स्पंदित लेजर की बात करते हैं; यदि यह निरंतर है, तो लेजर को निरंतर-तरंग लेजर कहा जाता है। अर्धचालक लेजर जैसे मिश्रित-मोड लेजर भी हैं। यदि लेजर विकिरण तरंग दैर्ध्य की एक संकीर्ण सीमा में केंद्रित है, तो लेजर को मोनोक्रोमैटिक कहा जाता है; यदि यह एक विस्तृत श्रृंखला में केंद्रित है, तो इसे ब्रॉडबैंड लेजर कहा जाता है।

एक अन्य प्रकार का वर्गीकरण बिजली उत्पादन की अवधारणा पर आधारित है। 106 W से अधिक की निरंतर (औसत) आउटपुट शक्ति वाले लेज़रों को उच्च-शक्ति लेज़र कहा जाता है। 105...103 डब्ल्यू की रेंज में आउटपुट पावर के साथ, हमारे पास मध्यम-शक्ति लेजर हैं। यदि आउटपुट पावर 10-3 W से कम है, तो वे कम-शक्ति वाले लेजर के बारे में बात करते हैं।

खुले दर्पण अनुनादक के डिज़ाइन के आधार पर, स्थिर-क्यू लेजर और क्यू-स्विच्ड लेजर के बीच अंतर किया जाता है - ऐसे लेजर में, दर्पणों में से एक को, विशेष रूप से, घूमने वाली इलेक्ट्रिक मोटर की धुरी पर रखा जा सकता है यह दर्पण. इस मामले में, गुंजयमान यंत्र का गुणवत्ता कारक समय-समय पर शून्य से अधिकतम मूल्य तक बदलता रहता है। इस लेजर को क्यू-मॉड्यूलेटेड लेजर कहा जाता है।

2. लेजर विशेषताएँ

लेजर की एक विशेषता उत्सर्जित ऊर्जा की तरंग दैर्ध्य है। लेजर विकिरण की तरंग दैर्ध्य सीमा एक्स-रे क्षेत्र से सुदूर अवरक्त तक फैली हुई है, अर्थात। 10-3 से 102 माइक्रोन तक. 100 µm के क्षेत्र से परे, लाक्षणिक रूप से कहें तो, कुंवारी मिट्टी . लेकिन यह केवल एक मिलीमीटर क्षेत्र तक ही फैला हुआ है, जिस पर रेडियो ऑपरेटरों का कब्जा है। यह अविकसित क्षेत्र लगातार सिकुड़ रहा है और आशा है कि निकट भविष्य में इसका विकास पूरा हो जायेगा। विभिन्न प्रकार के जनरेटरों के लिए जिम्मेदार हिस्सा समान नहीं है। गैस क्वांटम जनरेटर की सीमा सबसे व्यापक होती है।

लेज़रों की एक अन्य महत्वपूर्ण विशेषता पल्स ऊर्जा है। इसे जूल में मापा जाता है और ठोस-अवस्था जनरेटर में इसका उच्चतम मूल्य पहुंचता है - लगभग 103 जे। तीसरी विशेषता शक्ति है। लगातार उत्सर्जित होने वाले गैस जनरेटर की शक्ति 10-3 से 102 W तक होती है। मिलिवाट बिजली जनरेटर एक सक्रिय माध्यम के रूप में हीलियम-नियॉन मिश्रण का उपयोग करते हैं। CO2 जनरेटर की शक्ति लगभग 100 W है। सॉलिड-स्टेट जनरेटर के साथ, बिजली के बारे में बात करना एक विशेष अर्थ रखता है। उदाहरण के लिए, यदि हम एक सेकंड के अंतराल में केंद्रित 1 J विकिरणित ऊर्जा लेते हैं, तो शक्ति 1 W होगी। लेकिन रूबी जनरेटर की विकिरण अवधि 10-4 s है, इसलिए, शक्ति 10,000 W है, अर्थात। 10 किलोवाट. यदि ऑप्टिकल शटर का उपयोग करके पल्स अवधि को 10-6 सेकंड तक कम कर दिया जाता है, तो शक्ति 106 W है, अर्थात। मेगावाट यह सीमा नहीं है! आप एक पल्स में ऊर्जा को 103 J तक बढ़ा सकते हैं और इसकी अवधि को 10-9 s तक कम कर सकते हैं और फिर शक्ति 1012 W तक पहुंच जाएगी। और ये बहुत ताकत है. यह ज्ञात है कि जब किसी धातु पर बीम की तीव्रता 105 W/cm2 तक पहुंच जाती है, तो धातु पिघलना शुरू हो जाती है, 107 W/cm2 की तीव्रता पर धातु उबलना शुरू हो जाती है, और 109 W/cm2 पर लेजर विकिरण वाष्प को दृढ़ता से आयनित करना शुरू कर देता है। पदार्थ का, उन्हें प्लाज्मा में बदलना।

लेज़र की एक अन्य महत्वपूर्ण विशेषता लेज़र किरण का विचलन है। गैस लेजर में सबसे संकीर्ण किरण होती है। यह कई चाप मिनटों का मान है। सॉलिड-स्टेट लेज़रों का बीम विचलन लगभग 1...3 कोणीय डिग्री है। सेमीकंडक्टर लेजर में विकिरण का एक लोब एपर्चर होता है: एक विमान में लगभग एक डिग्री, दूसरे में - लगभग 10...15 कोणीय डिग्री।

लेज़र की अगली महत्वपूर्ण विशेषता तरंग दैर्ध्य सीमा है जिसमें विकिरण केंद्रित होता है, अर्थात। एकवर्णी। गैस लेजर में बहुत अधिक मोनोक्रोमैटिकिटी होती है, यह 10-10 होती है, यानी। गैस डिस्चार्ज लैंप की तुलना में काफी अधिक है, जो पहले आवृत्ति मानकों के रूप में उपयोग किए जाते थे। सॉलिड-स्टेट लेज़रों और विशेष रूप से सेमीकंडक्टर लेज़रों के विकिरण में एक महत्वपूर्ण आवृत्ति रेंज होती है, यानी, वे अत्यधिक मोनोक्रोमैटिक नहीं होते हैं।

लेज़रों की एक बहुत महत्वपूर्ण विशेषता दक्षता है। ठोस अवस्था के लिए यह 1 से 3.5%, गैसों के लिए 1...15%, अर्धचालकों के लिए 40...60% तक होता है। साथ ही, लेज़रों की दक्षता बढ़ाने के लिए सभी संभव उपाय किए जा रहे हैं, क्योंकि कम दक्षता के कारण लेज़रों को 4...77 K के तापमान तक ठंडा करने की आवश्यकता होती है, और यह तुरंत उपकरण के डिज़ाइन को जटिल बना देता है।

2.1 सॉलिड-स्टेट लेजर

सॉलिड-स्टेट लेज़रों को स्पंदित और निरंतर लेज़रों में विभाजित किया गया है। स्पंदित लेज़रों में रूबी और नियोडिमियम ग्लास पर आधारित उपकरण अधिक आम हैं। नियोडिमियम लेजर की तरंग दैर्ध्य l = 1.06 µm है। ये उपकरण अपेक्षाकृत बड़ी छड़ें हैं, जिनकी लंबाई 100 सेमी तक पहुंचती है, और व्यास 4-5 सेमी है। ऐसी छड़ की पीढ़ी पल्स ऊर्जा 10-3 सेकंड में 1000 जे है।

रूबी लेजर को इसकी उच्च पल्स शक्ति से भी पहचाना जाता है; 10-3 सेकंड की अवधि के साथ, इसकी ऊर्जा सैकड़ों जूल है। पल्स पुनरावृत्ति दर कई किलोहर्ट्ज़ तक पहुंच सकती है।

सबसे प्रसिद्ध निरंतर-तरंग लेजर डिस्प्रोसियम के मिश्रण के साथ कैल्शियम फ्लोराइट पर और येट्रियम-एल्यूमीनियम गार्नेट पर लेजर बनाए जाते हैं, जिसमें दुर्लभ पृथ्वी धातु परमाणुओं की अशुद्धियाँ होती हैं। इन लेज़रों की तरंगदैर्ध्य 1 से 3 माइक्रोन तक होती है। पल्स शक्ति लगभग 1 W या उसका एक अंश है। येट्रियम एल्यूमीनियम गार्नेट लेजर कई दसियों वाट तक की पल्स पावर प्रदान कर सकते हैं।

एक नियम के रूप में, सॉलिड-स्टेट लेज़र मल्टीमोड लेज़िंग मोड का उपयोग करते हैं। कैविटी में चुनिंदा तत्वों को शामिल करके सिंगल-मोड लेज़िंग प्राप्त की जा सकती है। यह निर्णय उत्पन्न विकिरण शक्ति में कमी के कारण हुआ।

सॉलिड-स्टेट लेज़रों के उत्पादन में कठिनाई बड़े एकल क्रिस्टल को विकसित करने या पारदर्शी कांच के बड़े नमूनों को पिघलाने की आवश्यकता में निहित है। इन कठिनाइयों को तरल लेजर के उत्पादन से दूर कर लिया गया है, जहां सक्रिय माध्यम को एक तरल द्वारा दर्शाया जाता है जिसमें दुर्लभ पृथ्वी तत्व पेश किए जाते हैं। हालाँकि, तरल लेजर के कई नुकसान हैं जो उनके उपयोग की सीमा को सीमित करते हैं।

2.2 तरल लेजर

तरल लेजर को तरल सक्रिय माध्यम वाले लेजर कहा जाता है। इस प्रकार के उपकरण का मुख्य लाभ तरल को प्रसारित करने और तदनुसार, इसे ठंडा करने की क्षमता है। परिणामस्वरूप, स्पंदित और निरंतर दोनों मोड में अधिक ऊर्जा प्राप्त की जा सकती है।

पहले तरल लेजर का उत्पादन दुर्लभ पृथ्वी केलेट्स का उपयोग करके किया गया था। इन लेज़रों का नुकसान प्राप्य ऊर्जा का निम्न स्तर और केलेट्स की रासायनिक अस्थिरता है। परिणामस्वरूप, इन लेज़रों का उपयोग नहीं किया गया। सोवियत वैज्ञानिकों ने लेजर माध्यम में अकार्बनिक सक्रिय तरल पदार्थों का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा। उन पर आधारित लेजर उच्च स्पंदित ऊर्जा द्वारा प्रतिष्ठित होते हैं और औसत शक्ति संकेतक प्रदान करते हैं। ऐसे सक्रिय माध्यम का उपयोग करने वाले तरल लेजर एक संकीर्ण आवृत्ति स्पेक्ट्रम के साथ विकिरण उत्पन्न करने में सक्षम हैं।

एक अन्य प्रकार के तरल लेजर ऐसे उपकरण हैं जो कार्बनिक रंगों के समाधान पर काम करते हैं, जो कि विस्तृत वर्णक्रमीय ल्यूमिनसेंस लाइनों द्वारा विशेषता होती हैं। ऐसा लेज़र व्यापक रेंज में प्रकाश की उत्सर्जित तरंग दैर्ध्य की निरंतर ट्यूनिंग प्रदान करने में सक्षम है। रंगों को प्रतिस्थापित करते समय, संपूर्ण दृश्यमान स्पेक्ट्रम और अवरक्त का हिस्सा कवर हो जाता है। ऐसे उपकरणों में पंप स्रोत आमतौर पर ठोस-अवस्था वाले लेजर होते हैं, लेकिन गैस-लाइट लैंप का उपयोग करना संभव है जो सफेद रोशनी की छोटी चमक (50 μsec से कम) प्रदान करते हैं।

2.3 गैस लेजर

इसकी कई किस्में हैं. उनमें से एक फोटोडिसोसिएशन लेजर है। यह एक गैस का उपयोग करता है जिसके अणु, ऑप्टिकल पंपिंग के प्रभाव में, दो भागों में अलग हो जाते हैं (टूट जाते हैं), जिनमें से एक उत्तेजित अवस्था में होता है और लेजर विकिरण के लिए उपयोग किया जाता है।

गैस लेज़रों के एक बड़े समूह में गैस-डिस्चार्ज लेज़र होते हैं, जिसमें सक्रिय माध्यम एक दुर्लभ गैस (दबाव 1-10 मिमी एचजी) होता है, और पंपिंग एक विद्युत निर्वहन द्वारा किया जाता है, जो चमक या चाप हो सकता है और बनाया जाता है प्रत्यक्ष धारा या उच्च-आवृत्ति प्रत्यावर्ती धारा (10 -50 मेगाहर्ट्ज) द्वारा।

गैस-डिस्चार्ज लेजर कई प्रकार के होते हैं। आयन लेजर में, आयन ऊर्जा स्तरों के बीच इलेक्ट्रॉन संक्रमण द्वारा विकिरण उत्पन्न होता है। एक उदाहरण आर्गन लेजर है, जो प्रत्यक्ष धारा आर्क डिस्चार्ज का उपयोग करता है।

परमाणु संक्रमण लेजर परमाणु ऊर्जा स्तरों के बीच इलेक्ट्रॉन संक्रमण द्वारा उत्पन्न होते हैं। ये लेजर 0.4-100 माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य के साथ विकिरण उत्पन्न करते हैं। एक उदाहरण हीलियम-नियॉन लेजर है जो लगभग 1 मिमी एचजी के दबाव में हीलियम और नियॉन के मिश्रण पर काम करता है। कला। पंपिंग के लिए, एक ग्लो डिस्चार्ज का उपयोग किया जाता है, जो लगभग 1000 वी के निरंतर वोल्टेज द्वारा बनाया जाता है।

गैस-डिस्चार्ज लेजर में आणविक लेजर भी शामिल होते हैं, जिसमें अणुओं के ऊर्जा स्तरों के बीच इलेक्ट्रॉन संक्रमण से विकिरण उत्पन्न होता है। इन लेज़रों में 0.2 से 50 µm तक तरंग दैर्ध्य के अनुरूप एक विस्तृत आवृत्ति रेंज होती है।

आणविक कार्बन डाइऑक्साइड लेजर (CO2 लेजर) में सबसे आम है। यह 10 किलोवाट तक बिजली पैदा कर सकता है और इसकी दक्षता लगभग 40% है। मुख्य कार्बन डाइऑक्साइड में आमतौर पर नाइट्रोजन, हीलियम और अन्य गैसों की अशुद्धियाँ मिलाई जाती हैं। पंपिंग के लिए, प्रत्यक्ष धारा या उच्च-आवृत्ति ग्लो डिस्चार्ज का उपयोग किया जाता है। एक कार्बन डाइऑक्साइड लेजर लगभग 10 माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य के साथ विकिरण उत्पन्न करता है। इसे चित्र में योजनाबद्ध रूप से दिखाया गया है। 1.

चावल। 1 - CO2 लेजर का सिद्धांत

एक प्रकार का CO2 लेज़र गैस-गतिशील होता है। उनमें, लेजर विकिरण के लिए आवश्यक व्युत्क्रम जनसंख्या इस तथ्य के कारण प्राप्त होती है कि 20-30 एटीएम के दबाव पर 1500 K तक पहले से गरम की गई गैस, कार्यशील कक्ष में प्रवेश करती है, जहां यह फैलती है, और इसका तापमान और दबाव तेजी से गिरता है। ऐसे लेजर 100 किलोवाट तक की शक्ति के साथ निरंतर विकिरण उत्पन्न कर सकते हैं।

आणविक लेज़रों में तथाकथित एक्सीमर लेज़र शामिल होते हैं, जिसमें कार्यशील माध्यम एक अक्रिय गैस (आर्गन, क्सीनन, क्रिप्टन, आदि) या क्लोरीन या फ्लोरीन के साथ इसका संयोजन होता है। ऐसे लेज़रों में, पंपिंग विद्युत निर्वहन द्वारा नहीं, बल्कि तथाकथित तेज़ इलेक्ट्रॉनों (सैकड़ों केवी की ऊर्जा के साथ) के प्रवाह द्वारा की जाती है। उत्सर्जित तरंग सबसे छोटी होती है, उदाहरण के लिए, आर्गन लेजर के लिए 0.126 माइक्रोन।

गैस के दबाव को बढ़ाकर और बाहरी विद्युत क्षेत्र के साथ संयोजन में आयनीकरण विकिरण का उपयोग करके पंपिंग का उपयोग करके उच्च विकिरण शक्तियां प्राप्त की जा सकती हैं। आयनकारी विकिरण तेज़ इलेक्ट्रॉनों या पराबैंगनी विकिरण की एक धारा है। ऐसे लेज़रों को इलेक्ट्रोआयनाइजेशन या संपीड़ित गैस लेज़र कहा जाता है। इस प्रकार के लेजर को चित्र में योजनाबद्ध रूप से दिखाया गया है। 2.

चावल। 2 - इलेक्ट्रोआयनीकरण पम्पिंग

रासायनिक प्रतिक्रियाओं की ऊर्जा का उपयोग करके उत्तेजित गैस अणु रासायनिक लेजर में उत्पन्न होते हैं। यहां कुछ रासायनिक रूप से सक्रिय गैसों (फ्लोरीन, क्लोरीन, हाइड्रोजन, हाइड्रोजन क्लोराइड, आदि) के मिश्रण का उपयोग किया जाता है। ऐसे लेज़रों में रासायनिक प्रतिक्रियाएँ बहुत तेज़ी से होनी चाहिए। त्वरण के लिए, विशेष रासायनिक एजेंटों का उपयोग किया जाता है, जो ऑप्टिकल विकिरण, या विद्युत निर्वहन, या इलेक्ट्रॉन बीम के प्रभाव में गैस अणुओं के पृथक्करण द्वारा प्राप्त होते हैं। रासायनिक लेजर का एक उदाहरण फ्लोरीन, हाइड्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड के मिश्रण का उपयोग करने वाला लेजर है।

एक विशेष प्रकार का लेज़र प्लाज़्मा लेज़र होता है। इसमें सक्रिय माध्यम क्षारीय पृथ्वी धातुओं (मैग्नीशियम, बेरियम, स्ट्रोंटियम, कैल्शियम) के वाष्पों का एक अत्यधिक आयनित प्लाज्मा है। आयनीकरण के लिए, 20 केवी तक के वोल्टेज पर 300 ए तक के बल वाले वर्तमान दालों का उपयोग किया जाता है। पल्स अवधि 0.1-1.0 μs। ऐसे लेजर के विकिरण की तरंग दैर्ध्य 0.41-0.43 माइक्रोन होती है, लेकिन यह पराबैंगनी क्षेत्र में भी हो सकती है।

2.4 सेमीकंडक्टर लेजर

यद्यपि सेमीकंडक्टर लेज़र ठोस-अवस्था वाले होते हैं, उन्हें आमतौर पर एक विशेष समूह में वर्गीकृत किया जाता है। इन लेज़रों में, चालन बैंड के निचले किनारे से वैलेंस बैंड के ऊपरी किनारे तक इलेक्ट्रॉनों के संक्रमण के कारण सुसंगत विकिरण उत्पन्न होता है। सेमीकंडक्टर लेजर दो प्रकार के होते हैं। पहले में शुद्ध अर्धचालक का एक वेफर होता है, जिसे 50-100 केवी की ऊर्जा के साथ तेज इलेक्ट्रॉनों की किरण द्वारा पंप किया जाता है। ऑप्टिकल पम्पिंग भी संभव है. गैलियम आर्सेनाइड GaAs, कैडमियम सल्फाइड CdS या कैडमियम सेलेनाइड CdSe का उपयोग अर्धचालक के रूप में किया जाता है। इलेक्ट्रॉन बीम के साथ पंप करने से अर्धचालक का तीव्र ताप होता है, जिससे लेजर विकिरण खराब हो जाता है। इसलिए, ऐसे लेज़रों को अच्छी शीतलन की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, गैलियम आर्सेनाइड लेजर को आमतौर पर 80 K के तापमान तक ठंडा किया जाता है।

इलेक्ट्रॉन किरण द्वारा पम्पिंग अनुप्रस्थ (चित्र 3) या अनुदैर्ध्य (चित्र 4) हो सकती है। अनुप्रस्थ पंपिंग के दौरान, अर्धचालक क्रिस्टल के दो विपरीत चेहरे पॉलिश किए जाते हैं और एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर के दर्पण की भूमिका निभाते हैं। अनुदैर्ध्य पम्पिंग के मामले में, बाहरी दर्पण का उपयोग किया जाता है। अनुदैर्ध्य पंपिंग के साथ, अर्धचालक की शीतलन में काफी सुधार होता है। ऐसे लेजर का एक उदाहरण कैडमियम सल्फाइड लेजर है, जो 0.49 माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य के साथ विकिरण उत्पन्न करता है और इसकी दक्षता लगभग 25% है।

चावल। 3 - एक इलेक्ट्रॉन किरण के साथ अनुप्रस्थ पंपिंग

चावल। 4 - इलेक्ट्रॉन किरण के साथ अनुदैर्ध्य पंपिंग

सेमीकंडक्टर लेजर का दूसरा प्रकार तथाकथित इंजेक्शन लेजर है। इसमें एक पी-एन जंक्शन (चित्र 5) है, जो दो पतित अशुद्धता अर्धचालकों द्वारा निर्मित है, जिसमें दाता और स्वीकर्ता अशुद्धियों की सांद्रता 1018-1019 सेमी-3 है। पीएन जंक्शन के तल के लंबवत चेहरों को पॉलिश किया जाता है और ऑप्टिकल रेज़ोनेटर के दर्पण के रूप में काम किया जाता है। ऐसे लेजर पर एक सीधा वोल्टेज लगाया जाता है, जिसके प्रभाव में पीएन जंक्शन में संभावित अवरोध को कम किया जाता है और इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को इंजेक्ट किया जाता है। संक्रमण क्षेत्र में, आवेश वाहकों का गहन पुनर्संयोजन शुरू होता है, जिसके दौरान इलेक्ट्रॉन चालन बैंड से वैलेंस बैंड की ओर बढ़ते हैं और लेजर विकिरण होता है। गैलियम आर्सेनाइड का उपयोग मुख्य रूप से इंजेक्शन लेजर के लिए किया जाता है। विकिरण की तरंग दैर्ध्य 0.8-0.9 माइक्रोन है, दक्षता काफी अधिक है - 50-60%।

चावल। 5 - इंजेक्शन लेजर डिजाइन का सिद्धांत

एम्पलीफायर जनरेटर बीम तरंग

लगभग 1 मिमी के अर्धचालक के रैखिक आयाम वाले लघु इंजेक्शन लेजर निरंतर मोड में 10 मेगावाट तक की विकिरण शक्ति प्रदान करते हैं, और स्पंदित मोड में उनकी शक्ति 100 डब्ल्यू तक हो सकती है। उच्च शक्ति प्राप्त करने के लिए तीव्र शीतलन की आवश्यकता होती है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि लेज़रों के डिज़ाइन में कई अलग-अलग विशेषताएं हैं। केवल सबसे सरल मामले में, एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर दो समतल-समानांतर दर्पणों से बना होता है। विभिन्न दर्पण आकृतियों के साथ अधिक जटिल अनुनादक डिज़ाइन का भी उपयोग किया जाता है।

कई लेज़रों में गुहा के अंदर या बाहर स्थित अतिरिक्त विकिरण नियंत्रण उपकरण शामिल होते हैं। इन उपकरणों की मदद से, लेजर बीम को विक्षेपित और केंद्रित किया जाता है, और विभिन्न विकिरण मापदंडों को बदल दिया जाता है। विभिन्न लेज़रों की तरंग दैर्ध्य 0.1-100 माइक्रोन हो सकती है। स्पंदित विकिरण के साथ, पल्स अवधि 10-3 से 10-12 सेकेंड तक होती है। स्पंदन एकल या कई गीगाहर्ट्ज़ तक की पुनरावृत्ति दर पर दोहराए जा सकते हैं। प्राप्त करने योग्य शक्ति नैनोसेकंड पल्स के लिए 109 W और अल्ट्राशॉर्ट पिकोसेकंड पल्स के लिए 1012 W है।

2.5 डाई लेजर

लेज़र जो लेज़र सामग्री के रूप में कार्बनिक रंगों का उपयोग करते हैं, आमतौर पर तरल समाधान के रूप में। उन्होंने लेज़र स्पेक्ट्रोस्कोपी में एक क्रांति ला दी और एक पिकोसेकंड (अल्ट्राशॉर्ट पल्स लेज़र) से कम पल्स अवधि के साथ एक नए प्रकार के लेज़र के संस्थापक बन गए।

आज, एक अन्य लेजर का उपयोग आमतौर पर पंपिंग के रूप में किया जाता है, उदाहरण के लिए एक डायोड-पंप एनडी: YAG लेजर, या एक आर्गन लेजर। फ्लैश लैंप द्वारा पंप किए गए डाई लेजर को ढूंढना बहुत दुर्लभ है। डाई लेज़रों की मुख्य विशेषता गेन लूप की बहुत बड़ी चौड़ाई है। नीचे कुछ डाई लेज़रों के लिए मापदंडों की एक तालिका दी गई है।

इतने बड़े लेज़र कार्य क्षेत्र का उपयोग करने की दो संभावनाएँ हैं:

उस तरंग दैर्ध्य को ट्यून करना जिस पर पीढ़ी घटित होती है -> लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी,

एक विस्तृत श्रृंखला में एक बार में पीढ़ी -> अत्यंत छोटी दालों की पीढ़ी।

इन दो संभावनाओं के अनुसार लेजर डिज़ाइन अलग-अलग होते हैं। यदि तरंग दैर्ध्य को समायोजित करने के लिए एक पारंपरिक योजना का उपयोग किया जाता है, तो थर्मल स्थिरीकरण और कड़ाई से परिभाषित तरंग दैर्ध्य (आमतौर पर एक प्रिज्म, एक विवर्तन झंझरी, या अधिक जटिल योजनाएं) के साथ विकिरण के चयन के लिए केवल अतिरिक्त इकाइयां जोड़ी जाती हैं, तो बहुत अधिक जटिल स्थापना होती है अत्यंत लघु दालें उत्पन्न करने के लिए आवश्यक है। सक्रिय माध्यम के साथ क्युवेट का डिज़ाइन बदल दिया गया है। इस तथ्य के कारण कि लेजर पल्स की अवधि अंततः 100 है ÷30·10 ?15 (निर्वात में प्रकाश केवल 30 दूरी तय कर पाता है ÷ इस समय के दौरान 10 µm), जनसंख्या व्युत्क्रमण अधिकतम होना चाहिए, यह केवल डाई समाधान को बहुत जल्दी पंप करके प्राप्त किया जा सकता है। इसे पूरा करने के लिए, डाई के मुक्त जेट के साथ क्युवेट के एक विशेष डिजाइन का उपयोग किया जाता है (डाई को लगभग 10 मीटर/सेकेंड की गति से एक विशेष नोजल से पंप किया जाता है)। रिंग रेज़ोनेटर का उपयोग करते समय सबसे छोटी दालें प्राप्त की जाती हैं।

2.6 मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर

एक प्रकार का लेजर जिसमें विकिरण एक लहरदार में फैलने वाले इलेक्ट्रॉनों के एक मोनोएनर्जेटिक बीम द्वारा उत्पन्न होता है - विक्षेपण (विद्युत या चुंबकीय) क्षेत्रों की एक आवधिक प्रणाली। इलेक्ट्रॉन, आवधिक दोलन करते हुए, फोटॉन उत्सर्जित करते हैं, जिनकी ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा और लहरदार के मापदंडों पर निर्भर करती है।

गैस, तरल या ठोस-अवस्था वाले लेजर के विपरीत, जहां इलेक्ट्रॉन बाध्य परमाणु या आणविक अवस्था में उत्तेजित होते हैं, एफईएल विकिरण स्रोत निर्वात में इलेक्ट्रॉनों की एक किरण है जो विशेष रूप से स्थित मैग्नेट की एक श्रृंखला से गुजरती है - एक तरंगिका (विग्लर), जो मजबूर करती है किरण एक साइनसॉइडल प्रक्षेपवक्र के साथ चलती है, ऊर्जा खोती है, जो फोटॉन की एक धारा में परिवर्तित हो जाती है। परिणाम नरम एक्स-रे विकिरण है, जिसका उपयोग, उदाहरण के लिए, क्रिस्टल और अन्य नैनोसंरचनाओं का अध्ययन करने के लिए किया जाता है।

इलेक्ट्रॉन बीम की ऊर्जा, साथ ही तरंगक के मापदंडों (चुंबकीय क्षेत्र की ताकत और चुंबकों के बीच की दूरी) को बदलकर, एफईएल द्वारा उत्पादित लेजर विकिरण की आवृत्ति को एक विस्तृत श्रृंखला में बदलना संभव है। , जो कि एफईएल और अन्य प्रणालियों के लेजर के बीच मुख्य अंतर है। एफईएल द्वारा उत्पादित विकिरण का उपयोग नैनोमीटर संरचनाओं का अध्ययन करने के लिए किया जाता है - 100 नैनोमीटर जितने छोटे कणों की छवियां प्राप्त करने का अनुभव है (यह परिणाम लगभग 5 एनएम के रिज़ॉल्यूशन के साथ एक्स-रे माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके प्राप्त किया गया था)। पहले मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर का डिज़ाइन 1971 में जॉन एम.जे. मैडी द्वारा स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में अपने पीएचडी प्रोजेक्ट के हिस्से के रूप में प्रकाशित किया गया था। 1976 में, मैडी और सहकर्मियों ने FEL के साथ पहला प्रयोग प्रदर्शित किया, जिसमें विकिरण को बढ़ाने के लिए 24 MeV इलेक्ट्रॉनों और 5-मीटर विगलर ​​का उपयोग किया गया।

लेज़र की शक्ति 300 मेगावाट थी और दक्षता केवल 0.01% थी, लेकिन उपकरणों के इस वर्ग को काम करते हुए दिखाया गया, जिससे एफईएल के क्षेत्र में भारी रुचि और विकास की संख्या में तेज वृद्धि हुई।

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