लेझरची पिढी

लेझरची पिढी
लेझरच्या निर्मितीचा प्रस्ताव आइन्स्टाईनने १९१६ मध्ये त्यांच्या 'स्वयंभू आणि प्रेरित उत्सर्जन' या सिद्धांताद्वारे मांडला. हा सिद्धांत आधुनिक लेझर प्रणालींचा भौतिक आधार आहे. फोटॉन आणि अणू यांच्यातील आंतरक्रियेमुळे तीन संक्रमण प्रक्रिया घडू शकतात: प्रेरित शोषण, स्वयंभू उत्सर्जन आणि प्रेरित उत्सर्जन. जोपर्यंत प्रेरित उत्सर्जन टिकून राहू शकते आणि स्थिर राहू शकते, तोपर्यंत लेझर मिळवता येतात. त्यामुळे, लेझरसारखी विशेष उपकरणे तयार करणे आवश्यक असते. लेझरची रचना सामान्यतः तीन मुख्य भागांनी बनलेली असते: कार्यकारी पदार्थ, उत्तेजन उपकरण आणि ऑप्टिकल रेझोनेटर.

१. कार्यकारी पदार्थ

लेझरमधील जो पदार्थ लेझर प्रकाश निर्माण करू शकतो, त्याला कार्यकारी पदार्थ म्हणतात. सामान्य परिस्थितीत, पदार्थातील प्रत्येक ऊर्जा स्तरावरील अणुक्रमांकांचे वितरण हे सामान्य वितरण असते. खालच्या ऊर्जा स्तरावरील अणूंची संख्या नेहमीच वरच्या ऊर्जा स्तरावरील अणूंच्या संख्येपेक्षा जास्त असते. त्यामुळे, जेव्हा प्रकाश दीप्तिमान पदार्थाच्या सामान्य अवस्थेतून जातो, तेव्हा शोषण प्रक्रिया प्रबळ असते आणि प्रकाश नेहमीच क्षीण होतो. दीप्तिमान पदार्थातून गेल्यानंतर प्रकाश अधिक प्रबल करण्यासाठी आणि प्रकाश प्रवर्धन साधण्यासाठी, उद्दीपित उत्सर्जन प्रबळ करणे आवश्यक असते. वरच्या ऊर्जा स्तरावरील अणूंची संख्या खालच्या ऊर्जा स्तरावरील अणूंच्या संख्येपेक्षा जास्त करण्यासाठी, हे वितरण सामान्य वितरणाच्या विरुद्ध असते आणि याला कण संख्या व्युत्क्रमण म्हणतात.
२. उत्तेजन उपकरण
उत्तेजन उपकरणाचे कार्य म्हणजे कमी ऊर्जा पातळीवरील अणूंना उच्च ऊर्जा पातळीवर उत्तेजित करणे, ज्यामुळे कार्यकारी पदार्थामध्ये कण संख्येचे व्युत्क्रमण (particle number inversion) साध्य होते. पदार्थाच्या ऊर्जा पातळ्यांमध्ये मूळ अवस्था (ground state) आणि उत्तेजित अवस्था (excited state), तसेच एक मेटास्टेबल अवस्था (metastable state) यांचा समावेश असतो. मेटास्टेबल अवस्था ही मूळ अवस्थेपेक्षा कमी स्थिर असते, परंतु उत्तेजित अवस्थेपेक्षा खूपच जास्त स्थिर असते. तुलनेने, अणू मेटास्टेबल अवस्थेत जास्त काळ राहू शकतात. उदाहरणार्थ, माणिक (ruby) मधील क्रोमियम आयन (Cr3+) मध्ये १०⁻³ सेकंदांच्या आयुर्मानाची एक मेटास्टेबल अवस्था असते. कार्यकारी पदार्थ उत्तेजित झाल्यावर आणि कण संख्येचे व्युत्क्रमण साध्य झाल्यावर, सुरुवातीला, स्वयंप्रेरित प्रारणाद्वारे (spontaneous radiation) उत्सर्जित होणाऱ्या फोटॉनच्या वेगवेगळ्या प्रसार दिशांमुळे, उत्तेजित प्रारणाच्या (stimulated radiation) फोटॉनच्या देखील वेगवेगळ्या प्रसार दिशा असतात आणि आउटपुट व शोषणात बरेच नुकसान होते; ज्यामुळे स्थिर लेझर आउटपुट तयार होऊ शकत नाही. कार्यकारी पदार्थाच्या मर्यादित आकारमानात उत्तेजित प्रारणाचे अस्तित्व टिकवून ठेवण्यासाठी, प्रकाशाची निवड आणि प्रवर्धन साध्य करण्याकरिता एका ऑप्टिकल रेझोनेटरची (optical resonator) आवश्यकता असते.
३. ऑप्टिकल रेझोनेटर
ही कार्यकारी पदार्थाच्या दोन्ही टोकांना, मुख्य अक्षाला लंबवत बसवलेली, एकमेकांना समांतर असलेल्या परावर्तक आरशांची एक जोडी आहे. एक टोक संपूर्ण परावर्तन करणारा आरसा (१००% परावर्तन दरासह) असतो, आणि दुसरे टोक अर्धपारदर्शक व अर्धपरावर्तक आरसा (९०% ते ९९% परावर्तन दरासह) असतो.
रेझोनेटरची कार्ये खालीलप्रमाणे आहेत: ① प्रकाशीय प्रवर्धन निर्माण करणे आणि टिकवून ठेवणे; ② बाहेर पडणाऱ्या प्रकाशाची दिशा निवडणे; ③ बाहेर पडणाऱ्या प्रकाशाची तरंगलांबी निवडणे. एका विशिष्ट कार्यकारी पदार्थासाठी, विविध घटकांमुळे, प्रत्यक्ष उत्सर्जित होणाऱ्या प्रकाशाची तरंगलांबी एकसारखी नसते आणि स्पेक्ट्रमला एक विशिष्ट रुंदी असते. रेझोनेटर वारंवारता निवडीची भूमिका बजावू शकतो, ज्यामुळे लेझरची एकवर्णीयता अधिक चांगली होते.