1960 में, दुनिया के पहले कृत्रिम लेजर ने कैलिफ़ोर्निया सिस लैब की शांति को छेद दिया, और थियोडोर मेहमन द्वारा आविष्कार किए गए रूबी लेजर ने लेज़रों के मानव निर्माण और दुनिया को बदलने के लिए लेज़रों के उपयोग का द्वार खोल दिया। पिछले पचास वर्षों से, लेजर विज्ञान का विकास तेजी से हुआ है, और लेजर तकनीक के लोकप्रियकरण और अनुप्रयोग ने भी सभी पहलुओं से लोगों के जीवन में प्रवेश किया है। लेकिन ज्यादातर लोगों को पता है कि लेजर का ऐसा उद्देश्य है, लेकिन वे नहीं जानते कि लेजर कैसे आया। इसलिए, यह लेख अपेक्षाकृत सामान्य भाषा में लेजर गठन के सिद्धांत की व्याख्या करेगा।
लेजर गठन के सिद्धांत को समझने के लिए, पहले समझें कि ऊर्जा का स्तर क्या है। सरल शब्दों में, एक ऊर्जा स्तर एक ऐसी स्थिति है जिसमें प्रत्येक परमाणु (वास्तव में एक एक्सट्रोन्यूक्लियर इलेक्ट्रॉन) ऊर्जा की एक निश्चित मात्रा में होता है, और विभिन्न ऊर्जा स्तर इंगित करते हैं कि परमाणु द्वारा की गई ऊर्जा अलग है। ऊर्जा स्तर जितना अधिक होता है, उतनी ही अधिक मात्रा में एक्सट्रोन्यूक्लियर इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा होती है, और यह नाभिक से दूर तोड़ने में आसान होता है। समझ के लिए, परमाणु संरचना का सबसे सरल हाइड्रोजन परमाणु एक उदाहरण के रूप में लिया जाता है।
n परमाणु के ऊर्जा स्तर E के अनुरूप एक क्वांटम संख्या का प्रतिनिधित्व करता है। जब n = 1, यह हाइड्रोजन परमाणु की स्थिर अवस्था में ऊर्जा स्तर को इंगित करता है, जिसे ग्राउंड स्टेट (E1 स्तर) कहा जाता है। n = 2, 3, 4, आदि को उत्तेजित अवस्था (E2 ऊर्जा स्तर, E3 ऊर्जा स्तर, E4 ऊर्जा स्तर, आदि) कहा जाता है। डेनिश भौतिक विज्ञानी बोहर के सिद्धांत के अनुसार, जब परमाणु एक स्थिर जमीन की स्थिति में होता है, अगर यह बाहरी दुनिया से उत्साहित होता है और संबंधित बाहरी ऊर्जा को अवशोषित करता है, तो यह एक उत्साहित राज्य बनाने के लिए एक उच्च ऊर्जा स्तर पर कूद जाएगा। उत्साहित अवस्था में परमाणु अस्थिर होता है। जब परमाणु उत्तेजित अवस्था में होता है, तो यह अनायास ऊर्जा के निचले स्तर तक पहुंच जाता है। जमीनी अवस्था में एक या कई संक्रमणों के बाद, निम्न ऊर्जा स्तर पर संक्रमण के दौरान इसी ऊर्जा को छोड़ा जाता है। यह संगत ऊर्जा एक निश्चित आवृत्ति के फोटॉनों के रूप में मौजूद है, जिसकी गणना ऊर्जा स्तर आरेख के दाईं ओर मूल्य और फोटॉन ऊर्जा E = hν = Em - En से की जा सकती है। h भौतिक विज्ञानी (प्लैंक स्थिरांक) द्वारा निर्धारित निश्चित मान है, ν फोटॉन की आवृत्ति है (जिस आवृत्ति पर फोटॉन को उत्तेजित अवस्था से जमीनी अवस्था में छोड़ा जाता है, जो बाहरी विकिरणित प्रकाश की आवृत्ति है, जो जब लेज़र बनता है तो लेज़र होता है। आवृत्ति, जो लेज़र के तरंग दैर्ध्य को निर्धारित करती है λ = c / ν, c प्रकाश की गति है)।
ऊर्जा स्तर संरचना को समझने के बाद, आइए देखें कि लेजर कैसे बनता है। आसान समझ के लिए, सरल रूबी लेजर को एक उदाहरण के रूप में लिया जाता है। रूबी लेजर एक सॉलिड-स्टेट लेजर है। काम करने वाला पदार्थ एक रूबी रॉड है। क्रिस्टल मैट्रिक्स Al2O3 है, जिसे Cr2O3 के 0.05% के साथ डोप किया गया है। माणिक में लेजर क्रिया Cr3 + (क्रोमियम आयन) की उत्तेजित उत्सर्जन प्रक्रिया द्वारा प्राप्त की जाती है, इसलिए Cr3 + को अक्सर सक्रिय आयन कहा जाता है, जो माणिक में उत्पादित लेजर का "शरीर" है। रूबी, एल्यूमिना का मुख्य घटक केवल एक मैट्रिक्स है जिसमें क्रोमियम आयन होते हैं, जिसका लेजर क्रिया पर केवल एक अप्रत्यक्ष प्रभाव होता है। इसकी ऊर्जा स्तर संरचना निम्नानुसार है:
जब पंप प्रकाश रूबी को रोशन करता है, तो जमीन की स्थिति में Cr3 + आयन एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य और E3 स्तर पर संक्रमण का प्रकाश अवशोषित करता है। इस ऊर्जा स्तर पर Cr3 + आयन का जीवनकाल बहुत कम है (बहुत अस्थिर, लगभग 10-9 सेकेंड), और इस तरह यह रेडिएशन संक्रमण से गुजरता है (परमाणु विकिरण द्वारा बाहरी दुनिया के साथ ऊर्जा के आदान-प्रदान को संदर्भित नहीं करता है,) यही है, क्रिस्टल के अंदर थर्मल गति, ताकि ऊर्जा स्तर में बदलाव हो, न तो उत्सर्जित हो और न ही फोटॉनों को अवशोषित करें) E2 स्तर पर संक्रमण। E2 ऊर्जा स्तर में एक लंबा जीवनकाल (लगभग 3ms) होता है, जिसे मेटास्टेबल ऊर्जा स्तर कहा जाता है, जिस पर अधिक Cr3 + आयन एकत्र किए जा सकते हैं। जब बाहरी पंप पर्याप्त मजबूत होता है, तो E2 स्तर और E1 स्तर के बीच एक जनसंख्या व्युत्क्रम का गठन किया जाता है, अर्थात, E2 स्तर पर Cr3 + आयनों की संख्या E1 स्तर से अधिक होती है। जनसंख्या के विलुप्त होने का एहसास होने के बाद, ऊर्जा एचपीओ के साथ प्रत्येक बाहरी फोटॉन ई 2 स्तर पर एक परमाणु को उत्तेजित करेगा, जिससे यह जमीन की स्थिति में परिवर्तन करेगा, और ऊर्जा एचपीओ के साथ एक फोटॉन को मुक्त कर देगा, और कुल फोटॉन ऊर्जा 2, 2 में बदल जाएगी परिवर्तन 4, 4 परिवर्तन 8 ... इस प्रकार उत्तेजित विकिरण प्रवर्धन (लाभ) प्रक्रिया को प्राप्त करना। चूंकि ऑप्टिकल लाभ पर ऑप्टिकल कैविटी का नुकसान होता है, लेजर का उत्पादन केवल तब होता है जब उत्तेजित विकिरण का लाभ लेजर में विभिन्न नुकसानों से अधिक होता है।
