विभिन्न लेज़रों की विशेषताएँ और अनुप्रयोग

लेज़र तकनीक ने सभी पहलुओं से लोगों के जीवन में प्रवेश किया है, लेकिन इसके कई प्रकार हैंलेजर, प्रत्येक की तरंग दैर्ध्य और विशेषताएँ अलग-अलग हैं, इसलिए अनुप्रयोग के क्षेत्र भी भिन्न हैं।

कार्यशील माध्यम के अनुसार, लेज़रों को छह प्रकारों में विभाजित किया जाता है: ठोस लेज़र, गैस लेज़र, डाई लेज़र, अर्धचालक लेज़र, फ़ाइबर लेज़र और मुक्त इलेक्ट्रॉन लेज़र। उनमें से, ठोस लेज़रों और गैस लेज़रों के कई उपविभाग हैं। मुक्त इलेक्ट्रॉन लेज़रों को छोड़कर, विभिन्न लेज़रों के मूल कार्य सिद्धांत समान हैं, जिनमें तीन भाग शामिल हैं: पंप स्रोत, ऑप्टिकल अनुनाद गुहा और लाभ माध्यम।

ठोस लेजरप्रकाश का उपयोग आम तौर पर पंप स्रोत के रूप में किया जाता है, और क्रिस्टल या ग्लास जो लेजर उत्पन्न कर सकता है उसे लेजर कार्यशील सामग्री कहा जाता है। लेज़र कार्यशील सामग्री में दो भाग होते हैं: मैट्रिक्स और सक्रियण आयन। मैट्रिक्स सामग्री सक्रियण आयनों के लिए एक उपयुक्त अस्तित्व और कार्य वातावरण प्रदान करती है, और सक्रियण आयन लेजर उत्पादन प्रक्रिया को पूरा करते हैं। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सक्रियण आयन मुख्य रूप से संक्रमण धातु आयन होते हैं, जैसे क्रोमियम, कोबाल्ट, निकल आयन और दुर्लभ पृथ्वी धातु आयन, जैसे नियोडिमियम आयन। सतह पर ढांकता हुआ फिल्म वाले परावर्तक का उपयोग अनुनाद गुहा लेंस के रूप में किया जाता है, जिनमें से एक पूर्ण परावर्तक होता है और दूसरा आधा परावर्तक होता है। जब विभिन्न सक्रियण आयन, विभिन्न मैट्रिक्स सामग्री और प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य का उपयोग उत्तेजना के लिए किया जाता है, तो विभिन्न तरंग दैर्ध्य के लेजर उत्सर्जित होंगे।

1. रूबी लेजर
आउटपुट लेजर तरंग दैर्ध्य 694.3nm है, और फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण दर कम है, केवल 0.1%। हालाँकि, इसका प्रतिदीप्ति जीवन लंबा है, जो ऊर्जा भंडारण के लिए अनुकूल है और उच्च पल्स पीक पावर का उत्पादन कर सकता है। पेन कोर जितनी पतली और उंगली जितनी लंबी रूबी रॉड से उत्पन्न लेजर लोहे की शीट को आसानी से भेद सकता है। अधिक कुशल YAG लेज़रों के उद्भव से पहले, रूबी लेज़रों का व्यापक रूप से लेज़र कटिंग और ड्रिलिंग में उपयोग किया जाता था। इसके अलावा, 694nm प्रकाश मेलेनिन द्वारा आसानी से अवशोषित हो जाता है, इसलिए रूबी लेजर का उपयोग पिगमेंटेड घावों (त्वचा के धब्बे) के इलाज के लिए भी किया जाता है।
2. टाइटेनियम नीलमणि लेजर
इसके क्रिस्टल गुणों के कारण, इसमें एक विस्तृत ट्यून करने योग्य रेंज (यानी, समायोज्य तरंग दैर्ध्य रेंज) है, और आवश्यकतानुसार 660 एनएम -1200 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ प्रकाश का उत्पादन कर सकता है। आवृत्ति दोहरीकरण तकनीक की परिपक्वता के साथ (जो प्रकाश की आवृत्ति को दोगुना कर सकती है, अर्थात, तरंग दैर्ध्य को आधा कर सकती है), तरंग दैर्ध्य सीमा को 330 एनएम -600 एनएम तक विस्तारित किया जा सकता है। टाइटेनियम नीलमणि लेजर का उपयोग फेमटोसेकंड स्पेक्ट्रोस्कोपी, नॉनलाइनियर ऑप्टिकल अनुसंधान, सफेद रोशनी की पीढ़ी, टेराहर्ट्ज़ तरंगों की पीढ़ी आदि के लिए किया जाता है, और चिकित्सा सौंदर्य में भी इसका उपयोग किया जाता है।
3. दूसरा: YAG लेजर
YAG, येट्रियम एल्युमीनियम गार्नेट का संक्षिप्त रूप है। यह सामग्री वर्तमान में सर्वोत्तम व्यापक विशेषताओं वाला लेजर क्रिस्टल मैट्रिक्स है। नियोडिमियम (एनडी) के साथ डोप किए जाने के बाद, यह 1064nm प्रकाश का उत्पादन कर सकता है, और अधिकतम निरंतर आउटपुट पावर 1000w तक पहुंच सकता है। शुरुआती दिनों में, अक्रिय गैस फ्लैश लैंप का उपयोग लेजर के पंपिंग स्रोत के रूप में किया जाता था, लेकिन फ्लैश लैंप पंपिंग विधि में एक विस्तृत वर्णक्रमीय सीमा होती है, लेजर लाभ माध्यम के अवशोषण स्पेक्ट्रम के साथ खराब ओवरलैप और एक बड़ा ताप भार होता है, जिसके परिणामस्वरूप कम फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण दक्षता। इसलिए, एलडी (लेजर डायोड) पंपिंग का उपयोग अब लेजर की उच्च दक्षता, उच्च शक्ति और लंबे जीवन को प्राप्त करने के लिए किया जाता है। दूसरा: YAG लेजर का उपयोग हेमांगीओमास के इलाज और ट्यूमर के विकास को रोकने के लिए किया जा सकता है। हालाँकि, इस लेज़र से ऊतकों को गैर-चयनात्मक थर्मल क्षति होती है। ट्यूमर की रक्त वाहिकाओं को जमाते समय, अतिरिक्त ऊर्जा आसपास के सामान्य ऊतकों को भी नुकसान पहुंचाएगी, और सर्जरी के बाद निशान रह जाने की संभावना है। इसलिए, एनडी: वाईएजी लेजर का उपयोग ज्यादातर सर्जरी, स्त्री रोग और ईएनटी में किया जाता है, लेकिन त्वचाविज्ञान में शायद ही कभी किया जाता है।
4.Yb:YAG लेजर
Yb:YAG, YAG को येटरबियम (Yb) से डोप किया गया है, जो 1030nm प्रकाश का उत्पादन कर सकता है। Yb:YAG की पंप तरंग दैर्ध्य 941nm है, जो आउटपुट तरंग दैर्ध्य के बहुत करीब है, और 91.4% की पंप क्वांटम दक्षता प्राप्त कर सकती है। पंप द्वारा उत्पन्न गर्मी को 10% से कम दबाया जाता है (अधिकांश इनपुट ऊर्जा आउटपुट लेजर की ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, और एक छोटा सा हिस्सा गर्मी बन जाता है, जिसका अर्थ है कि रूपांतरण दक्षता बहुत अधिक है), जो 25 है एनडी:वाईएजी का % से 30%। Yb:YAG सबसे अधिक ध्यान आकर्षित करने वाले ठोस लेजर मीडिया में से एक बन गया है। एलडी-पंप उच्च-शक्ति Yb:YAG ठोस लेजर एक नया अनुसंधान हॉटस्पॉट बन गया है और इसे उच्च दक्षता और उच्च-शक्ति ठोस लेजर के विकास के लिए एक प्रमुख दिशा माना जाता है।

उपरोक्त दो प्रकारों के अलावा, YAG को होल्मियम (Ho), अर्बियम (Er), आदि के साथ भी डोप किया जा सकता है। Ho:YAG 2097nm और 2091nm लेजर का उत्पादन कर सकता है जो मानव आंखों के लिए सुरक्षित हैं, मुख्य रूप से ऑप्टिकल संचार, रडार और के लिए उपयुक्त हैं। चिकित्सा अनुप्रयोग. एर: YAG 2.9μm प्रकाश का उत्पादन करता है, और मानव शरीर में इस तरंग दैर्ध्य के लिए उच्च अवशोषण दर होती है, इसलिए इसमें लेजर सर्जरी और संवहनी सर्जरी में बड़ी अनुप्रयोग क्षमता होती है।

गैस लेजरवे लेज़र हैं जो गैस को लाभ माध्यम के रूप में उपयोग करते हैं, आम तौर पर गैस डिस्चार्ज को पंप करते हैं (ठोस-अवस्था लेज़रों के समान, इसलिए मैं विस्तार में नहीं जाऊंगा)। गैस के प्रकारों में परमाणु गैसें (हीलियम-नियॉन लेजर, नोबल गैस आयन लेजर, मेटल वाष्प लेजर), आणविक गैसें (नाइट्रोजन लेजर, कार्बन डाइऑक्साइड लेजर), एक्साइमर गैसें और विशेष गैस लेजर शामिल हैं जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से पंपिंग ऊर्जा प्रदान करते हैं।

1. हे-ने लेजर
HeNe लेजर (HeNe) लाभ माध्यम के रूप में 75% से अधिक He और 15% Ne से कम की मिश्रित गैस का उपयोग करता है। काम के माहौल के आधार पर, यह हरी (543.5 एनएम), पीली (594.1 एनएम), नारंगी (612.{7}} एनएम), लाल (632.8 एनएम) और तीन निकट-अवरक्त रोशनी (1152 एनएम, 1523 एनएम और 3391 एनएम) उत्सर्जित कर सकता है। ), जिनमें से लाल बत्ती (632.8 एनएम) का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। हेन लेजर द्वारा बीम आउटपुट गॉसियन वितरित है, और बीम की गुणवत्ता बहुत स्थिर है। हालाँकि शक्ति अधिक नहीं है, लेकिन सटीक माप के क्षेत्र में इसका प्रदर्शन अच्छा है।

2. अक्रिय गैस लेजर
सामान्य अक्रिय गैस लेजर आर्गन आयन (Ar+) और क्रिप्टन आयन (Kr+) हैं। इसकी ऊर्जा रूपांतरण दर 0.6% तक पहुंच सकती है, और यह 1000 घंटे से अधिक के जीवनकाल के साथ, लंबे समय तक लगातार और स्थिर रूप से 30-50w बिजली का उत्पादन कर सकता है। इसका उपयोग मुख्य रूप से लेजर डिस्प्ले, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, होलोग्राफी, नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स, साथ ही चिकित्सा निदान, मुद्रण रंग पृथक्करण, मेट्रोलॉजी, सामग्री प्रसंस्करण और सूचना प्रसंस्करण जैसे अनुसंधान क्षेत्रों में किया जाता है।

3. धातु वाष्प लेजर
धातु वाष्प लेजर उदाहरण के तौर पर तांबे के वाष्प को लेते हैं। कॉपर वाष्प लेजर मुख्य रूप से हरी रोशनी (510.5nm) और पीली रोशनी (578.2nm) का उत्पादन करते हैं, जो 100w की औसत शक्ति और 100kw की अधिकतम शक्ति तक पहुंच सकते हैं। इसका मुख्य अनुप्रयोग क्षेत्र डाई लेजर का पंप स्रोत है। इसके अलावा, इसका उपयोग हाई-स्पीड फ्लैश फोटोग्राफी, बड़े स्क्रीन प्रोजेक्शन टेलीविजन और सामग्री प्रसंस्करण के लिए भी किया जा सकता है।

4. नाइट्रोजन आणविक लेजर
नाइट्रोजन आणविक लेजर नाइट्रोजन को लाभ माध्यम के रूप में उपयोग करता है और 337.1nm, 357.7nm और 315.9nm की पराबैंगनी प्रकाश उत्सर्जित कर सकता है, जिसकी अधिकतम शक्ति 45kw तक होती है। इसका उपयोग कार्बनिक डाई लेजर के लिए एक पंप प्रकाश स्रोत के रूप में किया जा सकता है, और इसका उपयोग आइसोटोप के लेजर पृथक्करण, प्रतिदीप्ति निदान, अल्ट्रा-हाई-स्पीड फोटोग्राफी, प्रदूषण का पता लगाने, चिकित्सा देखभाल, कृषि प्रजनन और अन्य पहलुओं में भी व्यापक रूप से किया जाता है। क्योंकि इसकी छोटी तरंग दैर्ध्य एक छोटे स्थान को प्राप्त करने के लिए ध्यान केंद्रित करना आसान बनाती है, इसका उपयोग सबमाइक्रोन घटकों को संसाधित करने के लिए भी किया जा सकता है।

5. कार्बन डाइऑक्साइड लेजर
कार्बन डाइऑक्साइड लेजर में उपयोग किया जाने वाला लाभ माध्यम हीलियम और नाइट्रोजन के साथ मिश्रित कार्बन डाइऑक्साइड है, जो 9.6μm और 10.6μm तरंग दैर्ध्य पर केंद्रित दूर-अवरक्त प्रकाश का उत्पादन कर सकता है। कार्बन डाइऑक्साइड लेजर की ऊर्जा रूपांतरण दर अधिक है, और आउटपुट पावर कुछ वाट से लेकर हजारों वाट तक हो सकती है। अत्यधिक उच्च बीम गुणवत्ता के साथ, कार्बन डाइऑक्साइड लेजर का व्यापक रूप से सामग्री प्रसंस्करण, वैज्ञानिक अनुसंधान, राष्ट्रीय रक्षा और चिकित्सा में उपयोग किया जाता है।

6. उत्तेजकअस्थिर अणु हैं. जब विभिन्न दुर्लभ गैसों और हैलोजन गैसों का मिश्रण गुंजयमान गुहा में भरा जाता है, तो विभिन्न तरंग दैर्ध्य के लेजर उत्पन्न होते हैं। सापेक्षतावादी इलेक्ट्रॉन बीम (200 किलोइलेक्ट्रॉन वोल्ट से अधिक ऊर्जा) या अनुप्रस्थ तीव्र पल्स डिस्चार्ज का उपयोग आमतौर पर उत्तेजना प्राप्त करने के लिए किया जाता है। जब उत्तेजित एक्साइमर्स के अस्थिर आणविक बंधन टूट जाते हैं और जमीनी-अवस्था के परमाणुओं में अलग हो जाते हैं, तो उत्तेजित अवस्था की ऊर्जा लेजर विकिरण के रूप में जारी होती है। इसका व्यापक रूप से चिकित्सा, ऑप्टिकल संचार, सेमीकंडक्टर डिस्प्ले, रिमोट सेंसिंग, लेजर हथियार और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है।

रासायनिक लेजरएक विशेष प्रकार के गैस लेज़र हैं, अर्थात्, लेज़र जो जनसंख्या व्युत्क्रम प्राप्त करने के लिए रासायनिक प्रतिक्रियाओं द्वारा जारी ऊर्जा का उपयोग करते हैं। इनमें से अधिकांश लेज़र आणविक संक्रमण मोड में काम करते हैं, जिनकी विशिष्ट तरंग दैर्ध्य सीमा निकट-अवरक्त से मध्य-अवरक्त तक होती है। सबसे महत्वपूर्ण उपकरण हाइड्रोजन फ्लोराइड (एचएफ) और ड्यूटेरियम फ्लोराइड (डीएफ) हैं। पहला 2.6 और 3.3 माइक्रोन के बीच 15 से अधिक वर्णक्रमीय रेखाओं का उत्पादन कर सकता है; उत्तरार्द्ध में 3.5 और 4.2 माइक्रोन के बीच लगभग 25 वर्णक्रमीय रेखाएँ हैं। दोनों उपकरण वर्तमान में कई मेगावाट का आउटपुट प्राप्त कर सकते हैं। उनकी विशाल ऊर्जा के कारण, उनका उपयोग आम तौर पर परमाणु इंजीनियरिंग और सैन्य क्षेत्रों में किया जाता है।

डाई लेजरलेज़र हैं जो लेज़र मीडिया के रूप में कार्बनिक रंगों का उपयोग करते हैं, आमतौर पर एक तरल समाधान। गैसीय और ठोस लेजर मीडिया की तुलना में, डाई लेजर का उपयोग आमतौर पर व्यापक तरंग दैर्ध्य रेंज में किया जा सकता है। उनकी विस्तृत बैंडविड्थ के कारण, वे विशेष रूप से ट्यून करने योग्य लेजर और स्पंदित लेजर के लिए उपयुक्त हैं। हालाँकि, उनके लघु मध्यम जीवन और सीमित आउटपुट पावर के कारण, उन्हें मूल रूप से टाइटेनियम नीलमणि जैसे तरंग दैर्ध्य-ट्यून करने योग्य ठोस लेजर द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है।

सेमीकंडक्टर लेजरलेज़र हैं जो अर्धचालक पदार्थों को कार्यशील सामग्री के रूप में उपयोग करते हैं। उत्तेजना विधियों में विद्युत इंजेक्शन, इलेक्ट्रॉन बीम उत्तेजना और ऑप्टिकल पंपिंग शामिल हैं। वे आकार में छोटे, कीमत में कम, दक्षता में उच्च, सेवा जीवन में लंबे और बिजली की खपत में कम हैं। इनका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक सूचना, लेजर प्रिंटिंग, लेजर पेन, ऑप्टिकल संचार, लेजर टेलीविजन, छोटे लेजर प्रोजेक्टर, इलेक्ट्रॉनिक सूचना, एकीकृत प्रकाशिकी और अन्य क्षेत्रों में किया जा सकता है। वे सबसे व्यावहारिक और महत्वपूर्ण प्रकार के लेज़र हैं।

फाइबर लेजरएक लेज़र को संदर्भित करता है जो लाभ माध्यम के रूप में दुर्लभ पृथ्वी-डॉप्ड ग्लास फाइबर का उपयोग करता है। इसमें अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है, जिसमें लेजर फाइबर संचार, लेजर स्पेस लंबी दूरी के संचार, औद्योगिक जहाज निर्माण, ऑटोमोबाइल विनिर्माण, लेजर उत्कीर्णन, लेजर मार्किंग, लेजर कटिंग, प्रिंटिंग रोलर बनाना, धातु और गैर-धातु ड्रिलिंग/कटिंग/वेल्डिंग शामिल है। पीतल वेल्डिंग, शमन, आवरण और गहरी वेल्डिंग), सैन्य रक्षा सुरक्षा, चिकित्सा उपकरण और उपकरण, बड़े पैमाने पर बुनियादी ढांचे, अन्य लेजर के लिए एक पंप स्रोत के रूप में, आदि।

मुफ़्त इलेक्ट्रॉन लेज़रपारंपरिक लेज़रों से अलग एक नए प्रकार का उच्च-शक्ति सुसंगत विकिरण स्रोत है। इसे कार्यशील सामग्री के रूप में गैस, तरल या ठोस की आवश्यकता नहीं होती है, बल्कि यह सीधे उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन किरण की गतिज ऊर्जा को सुसंगत विकिरण ऊर्जा में परिवर्तित करता है। इसलिए, यह भी माना जा सकता है कि मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर की कार्यशील सामग्री मुक्त इलेक्ट्रॉन है। इसमें उच्च शक्ति, उच्च दक्षता, तरंग दैर्ध्य की विस्तृत श्रृंखला ट्यूनिंग और अल्ट्रा-शॉर्ट पल्स की समय संरचना जैसी उत्कृष्ट विशेषताओं की एक श्रृंखला है। इसके अलावा, किसी अन्य लेज़र में एक ही समय में ये विशेषताएँ नहीं हो सकती हैं। इसमें भौतिकी अनुसंधान, लेजर हथियार, लेजर फ्यूजन, फोटोकैमिस्ट्री, ऑप्टिकल संचार आदि के क्षेत्र में बहुत आशाजनक संभावनाएं हैं।

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