लेझर निर्मितीचे तत्त्व

आपल्याला लेझरचे तत्व जाणून घेण्याची गरज का आहे?

सामान्य सेमीकंडक्टर लेझर, फायबर, डिस्क आणि यांमधील फरक जाणून घेणेYAG लेझरयामुळे निवड प्रक्रियेदरम्यान अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यास आणि अधिक चर्चांमध्ये सहभागी होण्यास मदत होऊ शकते.

हा लेख प्रामुख्याने लोकप्रिय विज्ञानावर लक्ष केंद्रित करतो: लेझर निर्मितीच्या तत्त्वाचा संक्षिप्त परिचय, लेझरची मुख्य रचना आणि लेझरचे काही सामान्य प्रकार.

सर्वप्रथम, लेझर निर्मितीचे तत्त्व

प्रकाश आणि पदार्थ यांच्यातील आंतरक्रियेतून लेझर निर्माण होतो, ज्याला उत्तेजित प्रारण प्रवर्धन (stimulated radiation amplification) म्हणून ओळखले जाते; उत्तेजित प्रारण प्रवर्धन समजून घेण्यासाठी आइन्स्टाईनच्या स्वयंप्रेरित उत्सर्जन (spontaneous emission), उत्तेजित शोषण (stimulated absorption) आणि उत्तेजित प्रारण (stimulated radiation) या संकल्पना, तसेच काही आवश्यक सैद्धांतिक पाया समजून घेणे आवश्यक आहे.

सैद्धांतिक आधार १: बोहर मॉडेल

बोहर मॉडेल प्रामुख्याने अणूंची अंतर्गत रचना प्रदान करते, ज्यामुळे लेझर कसे तयार होतात हे समजणे सोपे होते. अणू हा केंद्रक आणि केंद्रकाच्या बाहेरील इलेक्ट्रॉन यांनी बनलेला असतो, आणि इलेक्ट्रॉनचे ऑर्बिटल्स अनियंत्रित नसतात. इलेक्ट्रॉनकडे फक्त विशिष्ट ऑर्बिटल्स असतात, त्यापैकी सर्वात आतील ऑर्बिटलला 'ग्राउंड स्टेट' (मूलभूत अवस्था) म्हणतात; जर इलेक्ट्रॉन ग्राउंड स्टेटमध्ये असेल, तर त्याची ऊर्जा सर्वात कमी असते. जर इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटच्या बाहेर उडी मारतो, तर त्याला 'फर्स्ट एक्साइटेड स्टेट' (पहिली उत्तेजित अवस्था) म्हणतात, आणि पहिल्या उत्तेजित अवस्थेची ऊर्जा ग्राउंड स्टेटपेक्षा जास्त असते; दुसऱ्या ऑर्बिटला 'सेकंड एक्साइटेड स्टेट' (दुसरी उत्तेजित अवस्था) म्हणतात;

लेझर निर्माण होण्याचे कारण म्हणजे या मॉडेलमध्ये इलेक्ट्रॉन वेगवेगळ्या कक्षांमध्ये फिरतात. जर इलेक्ट्रॉनने ऊर्जा शोषली, तर ते मूळ अवस्थेतून उत्तेजित अवस्थेत जाऊ शकतात; जर एखादा इलेक्ट्रॉन उत्तेजित अवस्थेतून मूळ अवस्थेत परत आला, तर तो ऊर्जा बाहेर टाकतो, जी अनेकदा लेझरच्या स्वरूपात बाहेर पडते.

सैद्धांतिक आधार २: आइन्स्टाईनचा प्रेरित प्रारण सिद्धांत

१९१७ मध्ये, आइन्स्टाईनने प्रेरित प्रारणाचा सिद्धांत मांडला, जो लेझर आणि लेझर निर्मितीचा सैद्धांतिक आधार आहे: पदार्थाचे शोषण किंवा उत्सर्जन हे मूलतः प्रारण क्षेत्र आणि पदार्थ बनवणारे कण यांच्यातील आंतरक्रियेचा परिणाम आहे, आणि त्याचे मूळ सार म्हणजे कणांचे वेगवेगळ्या ऊर्जा पातळ्यांमधील संक्रमण होय. प्रकाश आणि पदार्थ यांच्यातील आंतरक्रियेमध्ये तीन वेगवेगळ्या प्रक्रिया आहेत: उत्स्फूर्त उत्सर्जन, प्रेरित उत्सर्जन आणि प्रेरित शोषण. मोठ्या संख्येने कण असलेल्या प्रणालीसाठी, या तिन्ही प्रक्रिया नेहमीच एकत्र अस्तित्वात असतात आणि त्या एकमेकांशी घनिष्ठपणे संबंधित असतात.

उत्स्फूर्त उत्सर्जन:

आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे: उच्च-ऊर्जा पातळी E2 वरील इलेक्ट्रॉन उत्स्फूर्तपणे कमी-ऊर्जा पातळी E1 मध्ये संक्रमण करतो आणि hv ऊर्जेचा एक फोटॉन उत्सर्जित करतो, आणि hv=E2-E1; या उत्स्फूर्त आणि असंबंधित संक्रमण प्रक्रियेला उत्स्फूर्त संक्रमण म्हणतात, आणि उत्स्फूर्त संक्रमणाद्वारे उत्सर्जित होणाऱ्या प्रकाश लहरींना उत्स्फूर्त प्रारण म्हणतात.

स्वयंस्फूर्त उत्सर्जनाची वैशिष्ट्ये: प्रत्येक फोटॉन स्वतंत्र असतो, त्याच्या दिशा आणि कला वेगवेगळ्या असतात आणि त्याच्या उत्सर्जनाची वेळ देखील यादृच्छिक असते. हा एक असंगत आणि गोंधळलेला प्रकाश आहे, जो लेझरसाठी आवश्यक असलेला प्रकाश नाही. त्यामुळे, लेझर निर्मिती प्रक्रियेत या प्रकारचा विखुरलेला प्रकाश कमी करणे आवश्यक असते. विविध लेझर्सच्या तरंगलांबीमध्ये विखुरलेला प्रकाश असण्याचे हे देखील एक कारण आहे. जर यावर योग्य नियंत्रण ठेवले, तर लेझरमधील स्वयंस्फूर्त उत्सर्जनाचे प्रमाण दुर्लक्षित केले जाऊ शकते. लेझर जितका अधिक शुद्ध असतो, जसे की १०६० एनएम, तो पूर्णपणे १०६० एनएम असतो. या प्रकारच्या लेझरचा शोषण दर आणि शक्ती तुलनेने स्थिर असते.

उत्तेजित शोषण:

कमी ऊर्जा पातळीवरील (लो ऑर्बिटल्समधील) इलेक्ट्रॉन, फोटॉन शोषल्यानंतर, उच्च ऊर्जा पातळीवर (हाय ऑर्बिटल्समध्ये) जातात आणि या प्रक्रियेला उत्तेजित शोषण (स्टिम्युलेटेड ॲबसॉर्प्शन) म्हणतात. उत्तेजित शोषण हे अत्यंत महत्त्वाचे असून, पंपिंग प्रक्रियेतील एक प्रमुख घटक आहे. लेझरचा पंप स्रोत, गेन माध्यमातील कणांना संक्रमण करण्यास आणि उच्च ऊर्जा पातळीवर उत्तेजित प्रारणाची वाट पाहण्यास प्रवृत्त करण्यासाठी फोटॉन ऊर्जा पुरवतो, ज्यामुळे लेझरचे उत्सर्जन होते.

उत्तेजित किरणोत्सर्ग:

जेव्हा बाह्य ऊर्जेच्या (hv=E2-E1) प्रकाशाने प्रदीप्त केले जाते, तेव्हा उच्च ऊर्जा पातळीवरील इलेक्ट्रॉन बाह्य फोटॉनद्वारे उत्तेजित होतो आणि निम्न ऊर्जा पातळीवर उडी मारतो (उच्च कक्षा निम्न कक्षेत जाते). त्याच वेळी, तो बाह्य फोटॉनसारखाच एक फोटॉन उत्सर्जित करतो. या प्रक्रियेत मूळ उत्तेजित प्रकाश शोषला जात नाही, त्यामुळे दोन एकसारखे फोटॉन तयार होतात. यावरून असे समजू शकतो की इलेक्ट्रॉनने पूर्वी शोषलेला फोटॉन बाहेर टाकला आहे. या प्रदीप्ती प्रक्रियेला 'उत्तेजित विकिरण' म्हणतात, जी उत्तेजित शोषणाच्या उलट प्रक्रिया आहे.

सिद्धांत स्पष्ट झाल्यावर, वरील आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे लेझर बनवणे खूप सोपे आहे: पदार्थाच्या स्थिरतेच्या सामान्य परिस्थितीत, बहुसंख्य इलेक्ट्रॉन मूळ स्थितीत (ग्राउंड स्टेट) असतात आणि लेझर उत्तेजित प्रारणावर (स्टिम्युलेटेड रेडिएशन) अवलंबून असतो. म्हणून, लेझरची रचना अशी आहे की, प्रथम उत्तेजित शोषण (स्टिम्युलेटेड ॲबसॉर्प्शन) होऊ दिले जाते, ज्यामुळे इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा पातळीवर येतात, आणि नंतर उत्तेजना देऊन मोठ्या संख्येने उच्च ऊर्जा पातळीवरील इलेक्ट्रॉन उत्तेजित प्रारण करतात, ज्यामुळे फोटॉन बाहेर पडतात. यातून लेझर निर्माण केला जाऊ शकतो. पुढे, आपण लेझरच्या रचनेची ओळख करून घेऊ.

लेझर संरचना:

पूर्वी नमूद केलेल्या लेझर निर्मितीच्या अटींशी लेझरची रचना एक-एक करून जुळवा:

घडण्याची स्थिती आणि संबंधित रचना:

१. लेझरचे कार्यकारी माध्यम म्हणून प्रवर्धन प्रभाव प्रदान करणारे एक लाभ माध्यम असते, आणि त्याच्या सक्रिय कणांमध्ये उत्तेजित प्रारण निर्माण करण्यासाठी योग्य अशी ऊर्जा पातळी संरचना असते (मुख्यतः इलेक्ट्रॉनला उच्च-ऊर्जा कक्षांमध्ये पंप करून ठराविक कालावधीसाठी तिथे ठेवण्यास आणि नंतर उत्तेजित प्रारणाद्वारे एकाच श्वासात फोटॉन सोडण्यास सक्षम);

२. एक बाह्य उत्तेजन स्रोत (पंप स्रोत) असतो जो इलेक्ट्रॉनला खालच्या पातळीवरून वरच्या पातळीवर पंप करू शकतो, ज्यामुळे लेझरच्या वरच्या आणि खालच्या पातळ्यांमध्ये कणांच्या संख्येचे व्युत्क्रमण होते (म्हणजे, जेव्हा कमी-ऊर्जा कणांपेक्षा उच्च-ऊर्जा कण जास्त असतात), जसे की YAG लेझरमधील झेनॉन दिवा;

३. एक अनुनादी पोकळी आहे जी लेझर दोलन साध्य करू शकते, लेझर कार्यकारी सामग्रीची कार्य लांबी वाढवू शकते, प्रकाश तरंग मोडला स्क्रीन करू शकते, बीमच्या प्रसारणाची दिशा नियंत्रित करू शकते, एकवर्णीयता सुधारण्यासाठी उत्तेजित किरणोत्सर्ग वारंवारतेला निवडकपणे वाढवू शकते (हे सुनिश्चित करते की लेझर एका विशिष्ट ऊर्जेवर आउटपुट केला जातो).

संबंधित रचना वरील आकृतीत दाखवली आहे, जी YAG लेसरची एक साधी रचना आहे. इतर रचना अधिक गुंतागुंतीच्या असू शकतात, परंतु मूळ गाभा हाच आहे. लेसर निर्मिती प्रक्रिया आकृतीत दाखवली आहे:

लेझरचे वर्गीकरण: सामान्यतः गेन माध्यम किंवा लेझर ऊर्जेच्या स्वरूपानुसार वर्गीकृत केले जाते.

मध्यम वर्गीकरण मिळवा:

कार्बन डायऑक्साइड लेझरकार्बन डायऑक्साइड लेसरचे गेन माध्यम हेलियम आहे आणिCO2 लेझर,१०.६ मायक्रॉनच्या लेझर तरंगलांबीसह, जे बाजारात आणलेल्या सर्वात सुरुवातीच्या लेझर उत्पादनांपैकी एक आहे. सुरुवातीचे लेझर वेल्डिंग प्रामुख्याने कार्बन डायऑक्साइड लेझरवर आधारित होते, जे सध्या मुख्यत्वे अधातू पदार्थांच्या (कापड, प्लॅस्टिक, लाकूड इत्यादी) वेल्डिंग आणि कटिंगसाठी वापरले जाते. याव्यतिरिक्त, ते लिथोग्राफी मशीनवर देखील वापरले जाते. कार्बन डायऑक्साइड लेझर ऑप्टिकल फायबरमधून प्रसारित होऊ शकत नाही आणि तो अवकाशीय ऑप्टिकल मार्गांमधून प्रवास करतो, सुरुवातीचे टोंगकुई तुलनेने चांगले केले गेले होते आणि त्यात बरीच कटिंग उपकरणे वापरली गेली होती;

YAG (यट्रियम ॲल्युमिनियम गार्नेट) लेझर: निओडिमियम (Nd) किंवा यट्रियम (Yb) धातूच्या आयनांनी डॉप्ड केलेले YAG क्रिस्टल्स लेझर गेन माध्यम म्हणून वापरले जातात, ज्याची उत्सर्जन तरंगलांबी 1.06um असते. YAG लेझर उच्च पल्सेस आउटपुट करू शकतो, परंतु सरासरी पॉवर कमी असते आणि पीक पॉवर सरासरी पॉवरच्या 15 पटीपर्यंत पोहोचू शकते. जर तो प्रामुख्याने पल्स लेझर असेल, तर सतत आउटपुट साध्य करता येत नाही; परंतु तो ऑप्टिकल फायबरमधून प्रसारित केला जाऊ शकतो आणि त्याच वेळी, धातूच्या पदार्थांचा शोषण दर वाढतो, आणि त्याचा वापर उच्च परावर्तकता असलेल्या पदार्थांमध्ये सुरू होत आहे, सर्वप्रथम 3C क्षेत्रात याचा वापर केला गेला;

फायबर लेझर: सध्या बाजारात प्रचलित असलेल्या मुख्य प्रकारात गेन माध्यम म्हणून यटरबियम डोप्ड फायबरचा वापर केला जातो, ज्याची तरंगलांबी १०६०nm असते. माध्यमाच्या आकारानुसार याचे फायबर आणि डिस्क लेझरमध्ये विभाजन केले जाते; फायबर ऑप्टिक म्हणजे आयपीजी (IPG), तर डिस्क म्हणजे टोंगकुआई (Tongkuai).

सेमीकंडक्टर लेझर: याचे गेन माध्यम एक सेमीकंडक्टर पीएन जंक्शन असते आणि सेमीकंडक्टर लेझरची तरंगलांबी प्रामुख्याने ९७६nm असते. सध्या, सेमीकंडक्टर निअर-इन्फ्रारेड लेझर्सचा वापर प्रामुख्याने क्लॅडिंगसाठी केला जातो, ज्यामध्ये प्रकाशाचे ठिपके ६००um पेक्षा मोठे असतात. लेझरलाइन ही सेमीकंडक्टर लेझर्सच्या क्षेत्रातील एक प्रातिनिधिक कंपनी आहे.

ऊर्जेच्या क्रियेच्या प्रकारानुसार वर्गीकरण: पल्स लेझर (PULSE), क्वासी कंटिन्युअस लेझर (QCW), कंटिन्युअस लेझर (CW)

पल्स लेझर: नॅनोसेकंद, पिकोसेकंद, फेमटोसेकंद, हा उच्च-फ्रिक्वेन्सी पल्स लेझर (ns, पल्स रुंदी) अनेकदा उच्च शिखर ऊर्जा, उच्च फ्रिक्वेन्सी (MHZ) प्रक्रिया साध्य करू शकतो, जो मुख्यतः तांबे आणि ॲल्युमिनियमच्या पातळ भिन्न पदार्थांवर प्रक्रिया करण्यासाठी, तसेच स्वच्छतेसाठी वापरला जातो. उच्च शिखर ऊर्जेचा वापर करून, तो मूळ पदार्थ लवकर वितळवू शकतो, ज्यामुळे क्रियेचा वेळ कमी लागतो आणि उष्णतेमुळे प्रभावित होणारे क्षेत्र लहान असते. अति-पातळ पदार्थांवर (०.५ मिमी पेक्षा कमी) प्रक्रिया करण्यात याचे फायदे आहेत;

अर्ध-सतत लेझर (QCW): उच्च पुनरावृत्ती दर आणि कमी ड्युटी सायकल (५०% पेक्षा कमी) मुळे, पल्सची रुंदीQCW लेझरहे ५० मायक्रोसेकंद ते ५० मिलिसेकंद पर्यंत पोहोचते, ज्यामुळे किलोवॅट स्तरावरील कंटीन्युअस फायबर लेझर आणि क्यू-स्विच्ड पल्स लेझर यांच्यातील अंतर भरून निघते; कंटीन्युअस मोडमध्ये कार्यरत असताना, क्वासी कंटीन्युअस फायबर लेझरची पीक पॉवर सरासरी पॉवरच्या १० पट पर्यंत पोहोचू शकते. क्यूसीडब्ल्यू लेझर्समध्ये सामान्यतः दोन मोड असतात, एक म्हणजे कमी पॉवरवर कंटीन्युअस वेल्डिंग करणे, आणि दुसरा म्हणजे सरासरी पॉवरच्या १० पट पीक पॉवर असलेले पल्स्ड लेझर वेल्डिंग करणे, ज्यामुळे जाड मटेरियल आणि जास्त उष्णतेचे वेल्डिंग साध्य करता येते, तसेच उष्णता एका अगदी लहान मर्यादेत नियंत्रित करता येते;

कंटिन्युअस लेझर (CW): हा सर्वात जास्त वापरला जाणारा प्रकार आहे, आणि बाजारात दिसणारे बहुतेक लेझर्स हे CW लेझर्स असतात जे वेल्डिंग प्रक्रियेसाठी सतत लेझर आउटपुट देतात. फायबर लेझर्सना वेगवेगळ्या कोअर व्यासांनुसार आणि बीमच्या गुणवत्तेनुसार सिंगल-मोड आणि मल्टी-मोड लेझर्समध्ये विभागले जाते, आणि त्यांना वेगवेगळ्या ॲप्लिकेशन परिस्थितींशी जुळवून घेता येते.