लेज़र की दोलन प्रणाली में एक सक्रिय माध्यम होता है, इसलिए लेज़र विकिरण का स्पेक्ट्रम माध्यम के वर्णक्रमीय गुणों और अनुनादक की आवृत्ति गुणों दोनों द्वारा निर्धारित किया जाना चाहिए। आइए हम माध्यम की वर्णक्रमीय रेखा के अमानवीय और एकसमान विस्तार के मामलों में उत्सर्जन स्पेक्ट्रम के गठन पर विचार करें।

गैर-समान वर्णक्रमीय विस्तार के साथ उत्सर्जन स्पेक्ट्रम; पंक्तियाँ. आइए उस मामले पर विचार करें जब माध्यम की वर्णक्रमीय रेखा का आकार मुख्य रूप से डॉपलर प्रभाव द्वारा निर्धारित होता है, और माध्यम के कणों की परस्पर क्रिया को नजरअंदाज किया जा सकता है। वर्णक्रमीय रेखा का डॉपलर विस्तार अमानवीय है (देखें)।§ 12.2).

चित्र में. 15.10, ए अनुनादक की आवृत्ति प्रतिक्रिया दिखाता है, और चित्र में। चित्र 15.10बी माध्यम की वर्णक्रमीय रेखा की रूपरेखा दर्शाता है। आमतौर पर, डॉपलर चौड़ीकरण ∆ ν = ∆ νD के साथ वर्णक्रमीय रेखा की चौड़ाई पड़ोसी अनुनादक मोड की आवृत्तियों के बीच अंतराल ∆ νq से बहुत बड़ी है। सूत्र (15.2) द्वारा निर्धारित मान ∆ νq, उदाहरण के लिए, अनुनादक लंबाई एल = 0.5 मीटर के साथ 300 मेगाहर्ट्ज होगा, जबकि सूत्र (12.31) के अनुसार डॉपलर प्रभाव ∆ νD के कारण वर्णक्रमीय रेखा की चौड़ाई लगभग हो सकती है 1 गीगाहर्ट्ज. इस उदाहरण में, माध्यम की वर्णक्रमीय लाइनविड्थ के भीतर∆ ν≈∆ νД; तीन अनुदैर्ध्य मोड रखे गए हैं। एक बड़ी अनुनादक लंबाई के साथ, लाइन चौड़ाई के भीतर मोड की संख्या बढ़ जाती है, क्योंकि पड़ोसी मोड की आवृत्ति अंतराल ∆ νq कम हो जाती है।

डॉपलर चौड़ीकरण अमानवीय है, यानी ∆ νD से कम चयनित आवृत्ति अंतराल में सहज उत्सर्जन कणों के एक निश्चित समूह द्वारा बनाया जाता है, और सभी द्वारा नहीं

पर्यावरण के कण. आइए मान लें कि किसी कण की प्राकृतिक वर्णक्रमीय लाइनविड्थ पड़ोसी मोड की आवृत्तियों में अंतर से काफी कम है (उदाहरण के लिए, प्राकृतिक लाइनविड्थ

नियॉन 16 मेगाहर्ट्ज के करीब है)। फिर जो कण अपने सहज उत्सर्जन से एक निश्चित विधा को उत्तेजित करते हैं, वे अन्य विधाओं की उत्तेजना का कारण नहीं बनेंगे।

लेज़र विकिरण स्पेक्ट्रम निर्धारित करने के लिए, हम बाउगुएर के नियम (12.50) में अवशोषण गुणांक æ की आवृत्ति निर्भरता का उपयोग करेंगे। यह सूचक ऊपरी और निचले संक्रमण स्तरों की आबादी में अंतर के समानुपाती होता है। जनसंख्या व्युत्क्रमण के बिना एक माध्यम में, æ >0 और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र ऊर्जा के अवशोषण की विशेषता है। व्युत्क्रम की उपस्थिति मेंæ<0 и определяет усиление поля. В этом случае модуль показателя называют показателем усиления активной средыæ а (æ а =|æ |).

सूत्र (12.44) के अनुसार लाभ æ ए (ν) की आवृत्ति निर्भरता माध्यम की वर्णक्रमीय रेखा के आकार के साथ मेल खाती है जब स्तर की आबादी स्थिर होती है या मजबूर संक्रमण के परिणामस्वरूप थोड़ा बदलती है। ऐसा संयोग तब देखा जाएगा जब जनसंख्या व्युत्क्रम बनाया जाता है, और लेजर के आत्म-उत्तेजना की शर्तें अभी तक पूरी नहीं हुई हैं (उदाहरण के लिए, कोई गुहा दर्पण नहीं हैं)। चित्र में. 15.10, बिंदीदार रेखा ऐसी प्रारंभिक आवृत्ति निर्भरता को दर्शाती है। वर्णक्रमीय रेखा के डॉपलर चौड़ीकरण के साथ, निर्भरता गाऊसी फ़ंक्शन द्वारा व्यक्त की जाती है और इसकी चौड़ाई ∆ νD होती है जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 15.10, बी.

आइए मान लें कि आत्म-उत्तेजना की शर्तें पूरी हो गई हैं। तब एक कण का सहज उत्सर्जन अन्य कणों के मजबूर संक्रमण का कारण बनेगा यदि बाद के सहज उत्सर्जन की आवृत्ति रोमांचक कण की वर्णक्रमीय रेखा की प्राकृतिक चौड़ाई के भीतर होती है। जनसंख्या व्युत्क्रमण के परिणामस्वरूप, ऊपर से नीचे की ओर जबरन संक्रमण प्रबल होगा, अर्थात, ऊपरी स्तर की जनसंख्या घटनी चाहिए, निचले स्तर की जनसंख्या बढ़नी चाहिए, और लाभ सूचकांक æ a कम होना चाहिए।

रेज़ोनेटर में फ़ील्ड मोड की रेज़ोनेंट आवृत्तियों पर अधिकतम होता है। इन आवृत्तियों पर संक्रमण स्तरों की आबादी में सबसे बड़ा परिवर्तन देखा जाएगा। इसलिए, गुंजयमान आवृत्तियों के आसपास के क्षेत्र में æ a (ν) वक्र पर गिरावट दिखाई देगी (चित्र 15.10, सी देखें)।

स्व-उत्तेजना की स्थिति पूरी होने के बाद, शासन होने तक गुंजयमान आवृत्तियों पर डुबकी की गहराई बढ़ जाती है; स्थिर दोलन, जिस पर स्थिति (15.13) के अनुसार लाभ सूचकांक हानि सूचकांक α के बराबर हो जाएगा। यदि प्रश्न में आवृत्ति पर उत्पन्न शक्ति छोटी है, तो प्रत्येक डिप की चौड़ाई कण रेखा की प्राकृतिक चौड़ाई के लगभग बराबर होती है। जितनी अधिक शक्ति, और इसलिए वॉल्यूमेट्रिक क्षेत्र ऊर्जा घनत्व, जो मजबूर संक्रमणों की संख्या को प्रभावित करता है, अंतर उतना ही व्यापक होता है। कम शक्ति पर, एक पायदान के भीतर का लाभ दूसरे पायदान के भीतर के लाभ से स्वतंत्र होता है, क्योंकि प्रारंभिक धारणा के कारण पायदान ओवरलैप नहीं होते हैं कि प्राकृतिक लाइनविड्थ गुंजयमान आवृत्तियों के बीच की दूरी से कम है। इन आवृत्तियों पर दोलनों को स्वतंत्र माना जा सकता है। चित्र में. चित्र 15.10डी से पता चलता है कि लेजर विकिरण स्पेक्ट्रम में अनुनादक के तीन अनुदैर्ध्य मोड के अनुरूप तीन उत्सर्जन रेखाएं होती हैं। प्रत्येक मोड की विकिरण शक्ति लाभ सूचकांक के प्रारंभिक और स्थिर मूल्यों के बीच अंतर पर निर्भर करती है,

जैसा कि सूत्र (15.21) में है, यानी, यह चित्र में संबंधित डिप्स की गहराई से निर्धारित होता है। 15.10, बजे. हम अनुभाग के अंत में प्रत्येक उत्सर्जन लाइन δν की चौड़ाई निर्धारित करेंगे, और अब हम दिए गए नुकसान के लिए उत्पन्न मोड की संख्या पर पंप शक्ति के प्रभाव पर चर्चा करेंगे।

यदि पंप की शक्ति इतनी कम है कि माध्यम लाभ का अधिकतम मूल्य (चित्र 15.11, बी में वक्र 1) α के बराबर सीमा मूल्य तक नहीं पहुंचता है, तो अनुनादक की आवृत्ति प्रतिक्रिया द्वारा निर्धारित कोई भी मोड उत्तेजित नहीं होता है (चित्र 15.11, ए)। वक्र 2 एक उच्च पंप शक्ति से मेल खाता है, जो यह सुनिश्चित करता है कि माध्यम ν0 की वर्णक्रमीय रेखा की केंद्रीय आवृत्ति सीमा मान से अधिक है। यह मामला चित्र में एक गिरावट से मेल खाता है। 15.11,सी और एक अनुदैर्ध्य मोड की पीढ़ी (चित्र 15.11,डी)। पंप शक्ति में और वृद्धि यह सुनिश्चित करेगी कि अन्य मोड (वक्र 3) के लिए स्व-उत्तेजना की शर्तें पूरी हों। तदनुसार, संकेतक वक्र और उत्सर्जन स्पेक्ट्रम में गिरावट को चित्र के अनुसार दर्शाया जाएगा। 15.10, आईजी में।

वर्णक्रमीय रेखा के समान विस्तार के साथ उत्सर्जन स्पेक्ट्रम। वर्णक्रमीय रेखा का एक समान चौड़ीकरण उस स्थिति में देखा जाता है जब चौड़ीकरण का मुख्य कारण टकराव होता है | माध्यम के कणों की (या अंतःक्रिया)।(§ 12.2) .

आइए मान लें, जैसा कि अमानवीय विस्तार के मामले में, अनुनादक की कई प्राकृतिक आवृत्तियाँ माध्यम की वर्णक्रमीय रेखा के भीतर आती हैं। चित्र में. 15.12a अनुनादक की आवृत्ति प्रतिक्रिया को दर्शाता है, जो प्रत्येक मोड νp के अनुनाद वक्रों की आवृत्ति और चौड़ाई को दर्शाता है। चित्र में वक्र 1। 15.12बी लेजर के स्व-उत्तेजना से पहले जनसंख्या व्युत्क्रम के साथ एक माध्यम के लाभ सूचकांक की आवृत्ति निर्भरता को दर्शाता है।

प्रत्येक कण और पूरे माध्यम की वर्णक्रमीय रेखा एकसमान चौड़ीकरण के साथ मेल खाती है, इसलिए किसी भी कण का सहज उत्सर्जन उत्तेजित हो सकता है

अन्य कणों का संक्रमण. नतीजतन, जनसंख्या व्युत्क्रमण के साथ निर्दिष्ट वातावरण में मजबूर संक्रमण के दौरान, पीढ़ी (वक्र 2) के दौरान æ ए की आवृत्ति निर्भरता पीढ़ी (वक्र 1) से पहले के आकार में समान रहेगी, लेकिन इसके नीचे स्थित होगी। अमानवीय रेखा चौड़ीकरण (चित्र 15.11सी देखें) के साथ देखी गई गिरावट यहां अनुपस्थित है, क्योंकि अब माध्यम के सभी कण लेजर विकिरण शक्ति बनाने में भाग लेते हैं।

चित्र में. 15.12, बी, स्व-उत्तेजना की स्थिति æ ए > α आवृत्तियों νq-1, νq = ν0 और νq+1 के साथ तीन मोड के लिए संतुष्ट हैं। हालाँकि, वर्णक्रमीय रेखा ν0 की केंद्रीय आवृत्ति पर, सक्रिय माध्यम से विकिरण के प्रति एकल मार्ग पर लाभ अधिकतम होता है। बड़ी संख्या में मार्ग के परिणामस्वरूप, विकिरण शक्ति में मुख्य योगदान केंद्रीय आवृत्ति वाले मोड से आएगा।

इस प्रकार, माध्यम की वर्णक्रमीय रेखा के एक समान चौड़ीकरण वाले लेज़रों में, उच्च शक्ति (छवि 15.12c) के साथ एकल-आवृत्ति मोड प्राप्त करना संभव है, क्योंकि, अमानवीय चौड़ीकरण के मामले के विपरीत, पंप शक्ति में कमी होती है इस मोड को प्राप्त करने की आवश्यकता नहीं है.

लेजर विकिरण की मोनोक्रोमैटिकिटी. किसी भी क्वांटम उपकरण में दोलनों की उत्पत्ति सहज उत्सर्जन से शुरू होती है, जिसकी तीव्रता की आवृत्ति निर्भरता माध्यम की वर्णक्रमीय रेखा द्वारा विशेषता होती है। हालाँकि, ऑप्टिकल रेंज में, माध्यम की वर्णक्रमीय रेखा की चौड़ाई बाद के उच्च गुणवत्ता कारक Q के कारण एक निष्क्रिय (सक्रिय माध्यम के बिना) अनुनादक के अनुनाद वक्र ∆ νp की चौड़ाई से काफी अधिक है। मान ∆ νP =ν0 /Q, जहां ν0 गुंजयमान आवृत्ति है। यदि अनुनादक में एक सक्रिय माध्यम है, तो नुकसान की भरपाई की जाती है (पुनर्योजी प्रभाव), जो गुणवत्ता कारक में वृद्धि और अनुनाद वक्र ∆ νp की चौड़ाई में δ ν के मान में कमी के बराबर है।

आवृत्ति ν0 के साथ एक मोड की पीढ़ी के मामले में, लेजर विकिरण लाइनविड्थ का अनुमान सूत्र का उपयोग करके लगाया जा सकता है

जहाँ P विकिरण शक्ति है। विकिरण शक्ति में वृद्धि अधिक से मेल खाती है

नुकसान की भरपाई, गुणवत्ता कारक में वृद्धि और उत्सर्जन लाइनविड्थ को कम करना। यदि ∆ νp =l MHz, ν0 =5·1014 Hz, Р =1 mW, तो δ νtheor ≈ 10-2 Hz, और अनुपात δ νtheor /ν 0 ≈2·10-17. इस प्रकार, उत्सर्जन लाइनविड्थ का सैद्धांतिक मूल्य अत्यंत हो जाता है

छोटे, अनुनाद वक्र की चौड़ाई से छोटे परिमाण के कई क्रम ∆ νp। हालाँकि, में वास्तविक स्थितियाँध्वनिक प्रभावों और तापमान में उतार-चढ़ाव के कारण, अनुनादक आयामों की अस्थिरता देखी जाती है, जिससे अनुनादक की प्राकृतिक आवृत्तियों की अस्थिरता होती है और, परिणामस्वरूप, लेजर विकिरण लाइनों की आवृत्तियों में अस्थिरता होती है। इसलिए, वास्तविक (तकनीकी) विकिरण लाइनविड्थ, इस अस्थिरता को ध्यान में रखते हुए, δ ν = 104 -105 हर्ट्ज तक पहुंच सकती है।

लेज़र विकिरण की मोनोक्रोमैटिकिटी की डिग्री का आकलन लेज़र विकिरण रेखा की चौड़ाई और कई उत्सर्जन रेखाओं वाले लेज़र विकिरण स्पेक्ट्रम के आवरण की चौड़ाई से किया जा सकता है (चित्र 15.10, डी देखें)। मान लीजिए ∆ ν=104 हर्ट्ज, ν0 =5·1014 हर्ट्ज, और स्पेक्ट्रम लिफाफे की चौड़ाई δ o.c .=300 मेगाहर्ट्ज। फिर एक पंक्ति के साथ एकवर्णीता की डिग्री δ ν/ν0 ≈ 2·10-11 होगी, और लिफाफे के साथ δ ν/ν0 ≈ 6·10-7 होगी। लेज़रों का लाभ विकिरण की उच्च मोनोक्रोमैटिकिटी है, विशेष रूप से एक विकिरण रेखा के साथ, या एकल-आवृत्ति ऑपरेटिंग मोड में

§ 15.4. लेजर विकिरण की सुसंगतता, एकवर्णीता और दिशात्मकता

में जब ऑप्टिकल कंपन पर लागू किया जाता है, तो सुसंगतता प्रकाश कंपन के चरणों के बीच संबंध (सहसंबंध) की विशेषता बताती है। इसमें अस्थायी और स्थानिक सुसंगतता होती है, जो लेज़रों में विकिरण की मोनोक्रोमैटिकिटी और दिशात्मकता से जुड़ी होती है।

में सामान्य स्थिति में, जब विकिरण क्षेत्रों के सहसंबंध का अध्ययन क्रमशः अंतरिक्ष में दो बिंदुओं पर किया जाता है, एक निश्चित मूल्य τ द्वारा स्थानांतरित समय के क्षणों पर, पारस्परिक सुसंगतता फ़ंक्शन की अवधारणा का उपयोग किया जाता है

जहां आर 1 और आर 2 पहले और दूसरे बिंदुओं के त्रिज्या वेक्टर हैं; ई 1 (आर 1,टी+ τ) और ई* 2 (आर 2, टी) क्षेत्र की ताकत के जटिल और जटिल संयुग्मी मूल्य हैं; ये बिंदु. सामान्यीकृत पारस्परिक सुसंगतता फ़ंक्शन सुसंगतता की डिग्री को दर्शाता है:

जहां I (r 1) और I (r 2) चयनित बिंदुओं पर विकिरण की तीव्रता हैं। मॉड्यूल γ 12 (τ) शून्य से एक तक भिन्न होता है। जब γ 12 τ =0 में कोई सुसंगतता नहीं है, |γ 12 (τ )|=l के मामले में पूर्ण सुसंगतता है

अस्थायी सुसंगतता और विकिरण की एकवर्णीयता। अस्थायी सुसंगतता समय के क्षणों में अंतरिक्ष में एक बिंदु पर फ़ील्ड मानों के बीच सहसंबंध है जो एक निश्चित राशि से भिन्न होती हैτ. इस मामले में, त्रिज्या सदिश r 1 और r 2 हैं आपसी सुसंगतता समारोह का निर्धारण करने में Г 12 (आर 1, आर 2, τ) और फ़ंक्शन γ 12 (τ ) बराबर हो जाता है, पारस्परिक सुसंगतता फ़ंक्शन एक ऑटोसहसंबंध फ़ंक्शन में बदल जाता है, और सामान्यीकृत फ़ंक्शन एक फ़ंक्शन में बदल जाता हैγ 11 (τ ), अस्थायी सुसंगतता की डिग्री की विशेषता।

पहले यह नोट किया गया था कि सहज संक्रमण के दौरान, परमाणु कंपन की ऐसी श्रृंखलाएँ उत्सर्जित करते हैं जो एक दूसरे से संबंधित नहीं होती हैं (चित्र 15.13)। अंतरिक्ष में एक बिंदु पर दोलनों का सहसंबंध केवल ट्रेन की अवधि से कम समय अंतराल में देखा जाएगा। इस अंतराल को कहा जाता है सुसंगति का समय,और इसे सहज संक्रमणों के जीवनकाल के बराबर लिया जाता है। सुसंगतता समय के दौरान प्रकाश द्वारा तय की गई दूरी को कहा जाता है सुसंगति लंबाई£. τ ≈ 10-8 с £ =c τ =300 सेमी पर सुसंगत लंबाई को वर्णक्रमीय रेखा ∆ ν की चौड़ाई के माध्यम से भी व्यक्त किया जा सकता है। चूँकि ∆ ν≈ 1/τ, तो £ ≈ c /∆ ν.

अस्थायी सुसंगतता और एकवर्णीयता संबंधित हैं। मोनोक्रोमैटिकिटी मात्रात्मक रूप से मोनोक्रोमैटिकिटी की डिग्री ∆ ν/ ν0 द्वारा निर्धारित की जाती है (§ 15.3 देखें)। अस्थायी सुसंगतता की डिग्री जितनी अधिक होगी, अर्थात, सुसंगतता का समय जितना लंबा होगा, विकिरण द्वारा व्याप्त आवृत्ति स्पेक्ट्रम ∆ ν उतना ही छोटा होगा, और मोनोक्रोमैटिकिटी बेहतर होगी। सीमा में, पूर्ण समय सुसंगतता (τ →∞) के साथ, विकिरण पूरी तरह से मोनोक्रोमैटिक (∆ ν→0) हो गया।

आइए लेजर विकिरण की अस्थायी सुसंगतता पर विचार करें। आइए मान लें कि सक्रिय माध्यम के एक निश्चित कण ने एक क्वांटम उत्सर्जित किया है, जिसे हम दोलनों की एक ट्रेन के रूप में दर्शाएंगे (चित्र 15.13 देखें)। जब एक ट्रेन दूसरे कण के साथ संपर्क करती है, तो एक नई ट्रेन दिखाई देगी, जिसके दोलनों का चरण, मजबूर संक्रमण की प्रकृति के कारण, मूल ट्रेन के दोलनों के चरण के साथ मेल खाता है। इस प्रक्रिया को कई बार दोहराया जाता है, जबकि चरण सहसंबंध बनाए रखा जाता है। परिणामी दोलन को प्रारंभिक ट्रेन की अवधि की तुलना में काफी लंबी अवधि वाली ट्रेन के रूप में माना जा सकता है। इस प्रकार, सुसंगतता का समय बढ़ जाता है, यानी, विकिरण की अस्थायी सुसंगतता और मोनोक्रोमैटिकिटी में सुधार होता है।

इस विचार के संबंध में, यह स्पष्ट हो जाता है कि एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर लेजर विकिरण की अस्थायी सुसंगतता को बढ़ाता है, क्योंकि यह सक्रिय माध्यम से ट्रेनों के बार-बार पारित होने को सुनिश्चित करता है। उत्तरार्द्ध उत्सर्जकों के जीवनकाल में वृद्धि, अस्थायी सुसंगतता में वृद्धि और लाइनविड्थ में कमी के बराबर है

	लेज़र विकिरण की चर्चा § 15.3 में की गई है।
	लेजर विकिरण का सुसंगतता समय निर्धारित किया जा सकता है
	लेजर विकिरण लाइन δ ν की तकनीकी चौड़ाई के माध्यम से। द्वारा
	सूत्र τ =1/2πδ ν.. δ ν=103 हर्ट्ज सुसंगतता समय पर
	τ =1.5·10-4 सेकंड है। इस मामले में सुसंगतता की लंबाई
	एल =सीτ =45 किमी. इस प्रकार, सुसंगति समय और लंबाई
	लेज़रों में सुसंगतता की तुलना में परिमाण के कई क्रम अधिक होते हैं
	पारंपरिक प्रकाश स्रोत.

स्थानिक सुसंगतता और विकिरण प्रत्यक्षता, स्थानिक सुसंगतता एक ही समय में अंतरिक्ष में दो बिंदुओं पर क्षेत्र मूल्यों के बीच सहसंबंध है। इस मामले में, पारस्परिक सुसंगतता के सूत्र कार्य करते हैं 12 (आर 1 ,आर 2 , τ ) और सामान्यीकृत सुसंगतता कार्यγ 12 (τ ) प्रतिस्थापित किया जाना चाहिएτ =0. फ़ंक्शन γ 12 (0) स्थानिक सुसंगतता की डिग्री को दर्शाता है।

एक बिंदु स्रोत से विकिरण हमेशा स्थानिक रूप से सुसंगत होता है। किसी विस्तारित स्रोत की स्थानिक सुसंगतता की डिग्री उसके आकार और उसके तथा अवलोकन बिंदुओं के बीच की दूरी पर निर्भर करती है। प्रकाशिकी से ज्ञात होता है कि स्रोत का आकार जितना बड़ा होगा, कोण उतना ही छोटा होगा जिसके भीतर विकिरण को स्थानिक रूप से सुसंगत माना जा सकता है। सर्वोत्तम स्थानिक सुसंगतता वाली एक प्रकाश तरंग का अग्रभाग सपाट होना चाहिए।

लेज़रों में, विकिरण में उच्च दिशात्मकता (सपाट मोर्चा) होती है, जो ऑप्टिकल गुहा के गुणों द्वारा निर्धारित होती है। स्व-उत्तेजना की स्थिति केवल ऑप्टिकल अक्ष या उसके निकट की दिशाओं के लिए अनुनादक में एक निश्चित दिशा के लिए संतुष्ट होती है। परिणामस्वरूप, बहुत बड़ी संख्यादर्पणों से परावर्तन के कारण, विकिरण लंबी दूरी तय करता है, जो स्रोत और अवलोकन बिंदु के बीच की दूरी में वृद्धि के बराबर है। यह पथ सुसंगत लंबाई से मेल खाता है और गैस लेज़रों के लिए दसियों किलोमीटर हो सकता है। लेजर विकिरण की उच्च प्रत्यक्षता उच्च स्थानिक सुसंगतता भी निर्धारित करती है। यह महत्वपूर्ण है कि लेजर में बढ़ती दूरी का प्रभाव सक्रिय माध्यम में इसके प्रवर्धन के कारण विकिरण शक्ति में वृद्धि के साथ होता है, जबकि पारंपरिक स्रोतों में स्थानिक सुसंगतता में सुधार प्रकाश की तीव्रता के नुकसान के साथ जुड़ा होता है।

विकिरण की अस्थायी सुसंगतता की उच्च डिग्री सूचना प्रसारण प्रणालियों, दूरियों और कोणीय वेगों को मापने और क्वांटम आवृत्ति मानकों में लेज़रों के उपयोग को निर्धारित करती है। उच्च स्तर की स्थानिक सुसंगतता (दिशा) प्रकाश ऊर्जा को कुशलतापूर्वक संचारित करना और प्रकाश प्रवाह को तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत छोटे आकार के स्थान पर केंद्रित करना संभव बनाती है। इससे आवश्यक ऊर्जा घनत्व, क्षेत्र शक्ति और प्रकाश दबाव के विशाल मूल्य प्राप्त करना संभव हो जाता है वैज्ञानिक अनुसंधानऔर विभिन्न तकनीकी अनुप्रयोग।

4 नवंबर 2013 रात्रि 9:33 बजे

यहूदी बस्ती-शैली स्पेक्ट्रोस्कोपी: लेज़रों के स्पेक्ट्रम और (सुरक्षित) खतरों की खोज

• DIY या इसे स्वयं करें

मुझे लगता है कि इस लेख को पढ़ने वाले हर किसी ने लेज़र पॉइंटर्स के साथ खेला है। में हाल ही मेंचीनी विकिरण शक्ति को अधिक से अधिक बढ़ा रहे हैं - और हमें सुरक्षा का ध्यान स्वयं रखना होगा।

इसके अलावा, मैं अपने घुटने पर लेजर विकिरण के स्पेक्ट्रम को देखने में भी कामयाब रहा - चाहे वह एक आवृत्ति पर उत्पन्न होता हो, या एक साथ कई पर। यदि आप घर पर होलोग्राम रिकॉर्ड करने का प्रयास करना चाहते हैं तो यह आवश्यक हो सकता है।

आइए हरे डीपीएसएस लेज़रों के डिज़ाइन को याद रखें

एक 808nm इन्फ्रारेड लेजर डायोड Nd:YVO4 या Nd:YAG नियोडिमियम लेजर क्रिस्टल पर चमकता है, जो 1064nm की तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश उत्सर्जित करता है। फिर नॉनलाइनियर KTP क्रिस्टल में आवृत्ति दोगुनी हो जाती है - और हमें 532nm हरी रोशनी मिलती है।

यहां स्पष्ट समस्या यह है कि 808एनएम और 1064एनएम विकिरण एक अज्ञात कोण पर लेजर से बाहर निकल सकता है (यदि कोई आउटपुट फ़िल्टर नहीं है, या यह खराब गुणवत्ता का है), और हमारे लिए अनभिज्ञ, रेटिना पर कलात्मक कटौती हो सकती है। मानव आंख 1064 एनएम बिल्कुल नहीं देखती है, और 808 एनएम विकिरण बहुत कमजोर है, लेकिन अंधेरे में देखा जा सकता है (यह केवल कम शक्ति पर बिखरे हुए विकिरण के साथ बहुत खतरनाक नहीं है!)।

हालाँकि, लेजर विकिरण के केंद्रित भाग में विकिरण क्या है? आइए जानने की कोशिश करते हैं.

पहला दृष्टिकोण: कागज़ की शीट और सीडी

विचार सरल है - हम ए4 पेपर की एक शीट में एक छेद के माध्यम से एक लेज़र को मुद्रित सीडी की सतह पर चमकाते हैं। डिस्क की सतह पर खांचे - पहले सन्निकटन के लिए - एक विवर्तन झंझरी की तरह काम करते हैं, और प्रकाश को एक स्पेक्ट्रम में क्रमबद्ध करते हैं।

प्रत्येक तरंग दैर्ध्य एक साथ कई छवियां बनाती है - कई सकारात्मक और कई नकारात्मक क्रम।

परिणामस्वरूप, आंख और एक नियमित कैमरे से हम निम्नलिखित देखेंगे:

हालाँकि, अगर हम कागज की एक शीट को बिना आईआर फिल्टर वाले कैमरे से देखते हैं, तो हमें केंद्र से पहले और दूसरे बिंदुओं के बीच एक अजीब बैंगनी बिंदु दिखाई देता है:

दूसरा दृष्टिकोण: फैलाव प्रिज्म

प्रिज्म प्रकाश को एक स्पेक्ट्रम में भी विभाजित करता है, लेकिन इसके लिए अपवर्तन कोणों में अंतर होता है अलग-अलग लंबाईलहरें - बहुत कम. इसीलिए मेरे लिए इस विकल्प को लागू करना तुरंत संभव नहीं था - मुझे एक बिंदु दिखाई देता रहा। स्थिति इस तथ्य से बढ़ गई थी कि मेरे प्रिज्म साधारण कांच से बने थे, जो विशेष चश्मे की तुलना में प्रकाश को दोगुने खराब तरीके से स्पेक्ट्रम में विघटित करते हैं।

परिणाम प्राप्त हुआ: 808एनएम, 1064एनएम और हरे 532एनएम बिंदु स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं। मानव आंख, आईआर बिंदुओं के स्थान पर, कुछ भी नहीं देखती है।

1W हरे लेजर का उपयोग करके, "फिंगर हाई-प्रिसिजन पावर मीटर" (संक्षेप में पीवीआईएम) का उपयोग करके, यह पता लगाना संभव था कि मेरे मामले में विकिरण का भारी बहुमत 532 एनएम, और 808 एनएम और 1064 एनएम है, हालांकि कैमरे द्वारा पता लगाने योग्य, उनकी शक्ति पीवीआईएम की सीमा पहचान से 20 या अधिक गुना कम है।

चश्मे की जांच करने का समय आ गया है

चीनियों का वादा है कि 190-540 एनएम और 800-2000 एनएम की रेंज के लिए क्षीणन 10 हजार गुना (OD4) है। खैर, आइए देखें कि आंखें आधिकारिक तो नहीं हैं।

हम चश्मे को कैमरे पर रखते हैं (यदि आप उन्हें लेजर पर रखते हैं, तो छेद पिघल जाएगा, वे प्लास्टिक हैं), और हमें मिलता है: 532nm और 808nm बहुत कमजोर हो गए हैं, 1064nm से थोड़ा सा बचा है, लेकिन मुझे लगता है कि यह महत्वपूर्ण नहीं है :

जिज्ञासावश, मैंने रंगीन एनाग्लिफ़ ग्लास (लाल और नीले ग्लास के साथ) का परीक्षण करने का निर्णय लिया। लाल आधा भाग हरे रंग को अच्छी तरह बरकरार रखता है, लेकिन अवरक्त प्रकाश के लिए वे पारदर्शी होते हैं:

नीले आधे भाग का वस्तुतः कोई प्रभाव नहीं पड़ता:

क्या लेज़र एक आवृत्ति पर उत्पन्न होता है या अनेक पर?

जैसा कि हमें याद है, डीपीएसएस लेजर का मुख्य डिजाइन तत्व एक फैब्री-पेरोट रेज़ोनेटर है, जिसमें 2 दर्पण होते हैं, एक पारभासी, दूसरा नियमित। यदि उत्पन्न विकिरण की तरंग दैर्ध्य कई बार अनुनादक की लंबाई में फिट नहीं होती है, तो हस्तक्षेप के कारण तरंगें स्वयं को रद्द कर देंगी। कोई आवेदन नहीं विशेष साधनलेज़र एक ही समय में सभी अनुमेय आवृत्तियों पर एक साथ प्रकाश उत्पन्न करेगा।

अनुनादक जितना बड़ा होगा, लेजर द्वारा उत्पन्न संभावित तरंग दैर्ध्य की संख्या उतनी ही अधिक होगी। सबसे कम शक्ति वाले हरे लेज़रों में, नियोडिमियम लेज़र क्रिस्टल एक पतली प्लेट होती है, और अक्सर लेज़िंग के लिए केवल 1 या 2 तरंग दैर्ध्य ही संभव होते हैं।

जब तापमान (=गुंजयमान यंत्र का आकार) या शक्ति बदलती है, तो उत्पादन आवृत्ति सुचारू रूप से या अचानक बदल सकती है।

यह महत्वपूर्ण क्यों है? एकल तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश उत्पन्न करने वाले लेज़रों का उपयोग घर पर होलोग्राफी, इंटरफेरोमेट्री (अल्ट्रा-सटीक दूरी माप) और अन्य मज़ेदार चीज़ों के लिए किया जा सकता है।

खैर, आइए इसकी जांच करें। हम वही सीडी लेते हैं, लेकिन इस बार हम 10 सेमी से नहीं, बल्कि 5 मीटर से स्पॉट का निरीक्षण करेंगे (क्योंकि हमें 0.1 एनएम के क्रम की तरंग दैर्ध्य में अंतर देखने की आवश्यकता है, न कि 300 एनएम)।

1W हरा लेजर: कारण बड़े आकारगुंजयमान यंत्र - आवृत्तियाँ छोटे अंतराल पर होती हैं:

10mW हरा लेजर: गुंजयमान यंत्र के आयाम छोटे हैं - केवल 2 आवृत्तियाँ समान वर्णक्रमीय सीमा में फिट होती हैं:

जब शक्ति कम हो जाती है, तो केवल एक आवृत्ति शेष रह जाती है। आप होलोग्राम लिख सकते हैं!

आइए अन्य लेज़रों पर नज़र डालें। लाल 650nm 0.2W:

पराबैंगनी 405nm 0.2W:

लेज़र की वर्णक्रमीय सीमा का विस्तार करना। लेजर उपकरणों को विकसित करने वाले विशेषज्ञों का एक मुख्य कार्य सुसंगत विकिरण के स्रोत बनाना है, जिसकी तरंग दैर्ध्य को सुदूर अवरक्त क्षेत्र से लेकर पराबैंगनी और यहां तक ​​कि छोटी तरंग दैर्ध्य विकिरण तक संपूर्ण वर्णक्रमीय सीमा पर ट्यून किया जा सकता है।

डाई लेजर का निर्माण बेहद सफल रहा महत्वपूर्ण घटनाइस दृष्टिकोण से, चूंकि उनके विकिरण को स्पेक्ट्रम के दृश्य क्षेत्र से परे तरंग दैर्ध्य रेंज में ट्यून किया जा सकता है। हालाँकि, लेज़र विकिरण के स्पेक्ट्रम में महत्वपूर्ण अंतराल हैं, अर्थात, ऐसे क्षेत्र जिनमें ज्ञात लेज़र संक्रमण दुर्लभ हैं, और उनकी आवृत्ति को ट्यून करना केवल संकीर्ण वर्णक्रमीय सीमाओं में ही संभव है।

व्यापक प्रतिदीप्ति बैंड जिस पर ट्यून करने योग्य डाई लेजर का संचालन आधारित है, स्पेक्ट्रम के सुदूर अवरक्त क्षेत्र में पता नहीं लगाया जाता है, और जब आवश्यक हो तो डाई उत्तेजित होने पर तीव्र पंप विकिरण द्वारा लेजर में उपयोग किए जाने वाले रंगों को तुरंत नष्ट कर दिया जाता है। स्पेक्ट्रम के पराबैंगनी क्षेत्र में लेज़िंग उत्पन्न करने के लिए।

अरेखीय प्रकाशिकी।

इन अंतरालों को भरने के तरीकों की खोज में, कई लेजर वैज्ञानिकों ने कुछ ऑप्टिकल सामग्रियों में गैर-रेखीय प्रभावों का उपयोग किया है। 1961 में, मिशिगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने 694.3 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ एक रूबी लेजर के प्रकाश को एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल में केंद्रित किया और क्रिस्टल के माध्यम से पारित विकिरण में न केवल रूबी लेजर प्रकाश, बल्कि विकिरण का भी पता लगाया। दोहरी आवृत्ति के साथ, यानी, 347.2 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर। हालाँकि यह विकिरण 694.3 एनएम की तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत कमजोर था, फिर भी, इस लघु-तरंग विकिरण में लेजर प्रकाश की मोनोक्रोमैटिकिटी और स्थानिक सुसंगतता की विशेषता थी।

ऐसे शॉर्ट-वेव विकिरण उत्पन्न करने की प्रक्रिया को आवृत्ति दोहरीकरण, या दूसरी हार्मोनिक पीढ़ी के रूप में जाना जाता है। एसएचजी कई गैर-रेखीय ऑप्टिकल प्रभावों का एक उदाहरण है जिनका उपयोग लेजर विकिरण की ट्यून करने योग्य वर्णक्रमीय सीमा का विस्तार करने के लिए किया गया है। एसएचजी का उपयोग अक्सर धर्मांतरण के लिए किया जाता है अवरक्त विकिरणस्पेक्ट्रम के पीले-हरे क्षेत्र में गिरने वाले विकिरण में 1.06 µm और एक नियोडिमियम लेजर की अन्य लाइनें, उदाहरण के लिए, 530 एनएम, जिसमें केवल थोड़ी संख्या में तीव्र लेजर लाइनें प्राप्त की जा सकती हैं।

हार्मोनिक पीढ़ी का उपयोग मूल लेजर विकिरण की तुलना में तीन गुना अधिक आवृत्ति वाले विकिरण का उत्पादन करने के लिए भी किया जा सकता है। रुबिडियम और अन्य क्षार धातुओं की गैर-रैखिक विशेषताओं का उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए, एक नियोडिमियम लेजर की आवृत्ति को 353 एनएम की तरंग दैर्ध्य के अनुरूप मूल्य तक तीन गुना करने के लिए, यानी, स्पेक्ट्रम के पराबैंगनी क्षेत्र में गिरना।

सैद्धांतिक रूप से, तीसरे से अधिक हार्मोनिक्स उत्पन्न करने की प्रक्रियाएं संभव हैं, लेकिन ऐसे रूपांतरण की दक्षता बेहद कम है, इसलिए व्यावहारिक दृष्टिकोण से वे रुचि के नहीं हैं। नई आवृत्तियों पर सुसंगत विकिरण उत्पन्न करने की संभावना हार्मोनिक पीढ़ी की प्रक्रिया तक सीमित नहीं है। ऐसी ही एक प्रक्रिया है पैरामीट्रिक प्रवर्धन की प्रक्रिया, जो इस प्रकार है।

मान लीजिए कि एक अरेखीय माध्यम तीन तरंगों से प्रभावित होता है: आवृत्ति 1 के साथ एक शक्तिशाली प्रकाश तरंग, एक पंप तरंग, और कम आवृत्तियों 2 और 3 के साथ दो कमजोर प्रकाश तरंगें। जब स्थिति 1 23 और तरंग तुल्यकालन स्थिति पूरी होती है, तो एक की ऊर्जा आवृत्ति 1 वाली शक्तिशाली तरंग को आवृत्ति 2 और 3 वाली तरंगों की ऊर्जा में पंप किया जाता है। यदि एक नॉनलाइनियर क्रिस्टल को ऑप्टिकल गुहा में रखा जाता है, तो हमें एक उपकरण मिलता है जो लेजर की बहुत याद दिलाता है और इसे पैरामीट्रिक ऑसिलेटर कहा जाता है।

ऐसी प्रक्रिया उपयोगी होगी भले ही इसका उपयोग दो मौजूदा आवृत्तियों के बीच अंतर प्राप्त करने तक सीमित हो। लेजर स्रोत. वास्तव में, पैरामीट्रिक ऑसिलेटर एक ऐसा उपकरण है जो सुसंगत ऑप्टिकल विकिरण उत्पन्न करने में सक्षम है, जिसकी आवृत्ति को लगभग संपूर्ण दृश्य सीमा में ट्यून किया जा सकता है। इसका कारण यह है कि आवृत्तियों 2 और 3 पर सुसंगत विकिरण के अतिरिक्त स्रोतों का उपयोग करने की कोई आवश्यकता नहीं है। ये दोलन स्वयं क्रिस्टल में थर्मल शोर के शोर फोटॉन से उत्पन्न हो सकते हैं, जो इसमें हमेशा मौजूद रहते हैं।

इन शोर फोटॉनों में आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला होती है, जो मुख्य रूप से स्पेक्ट्रम के अवरक्त क्षेत्र में स्थित होती है। क्रिस्टल के एक निश्चित तापमान और पंप तरंग की दिशा और अनुनादक की धुरी के सापेक्ष इसके अभिविन्यास पर, तरंग मिलान की उपर्युक्त स्थिति आवृत्तियों 2 और 3 की एक निश्चित जोड़ी के लिए संतुष्ट होती है। विकिरण को समायोजित करने के लिए आवृत्ति, क्रिस्टल के तापमान या उसके अभिविन्यास को बदलना आवश्यक है।

ऑपरेटिंग आवृत्ति दो आवृत्तियों 2 और 3 में से कोई भी हो सकती है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि डिवाइस के विकिरण की किस आवृत्ति रेंज की आवश्यकता है। क्रिस्टल के अपवर्तक सूचकांकों में इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल परिवर्तनों द्वारा सीमित वर्णक्रमीय सीमा में तीव्र आवृत्ति ट्यूनिंग प्राप्त की जा सकती है। लेज़र की तरह, एक थ्रेसहोल्ड पंप शक्ति स्तर होता है जिसे स्थिर-अवस्था दोलन प्राप्त करने के लिए पार किया जाना चाहिए। अधिकांश पैरामीट्रिक ऑसिलेटर पंप स्रोत के रूप में दृश्यमान लेज़रों का उपयोग करते हैं, जैसे आर्गन लेज़र या नियोडिमियम लेज़र का दूसरा हार्मोनिक।

डिवाइस का आउटपुट ट्यून करने योग्य अवरक्त विकिरण उत्पन्न करता है। 2.

कार्य समाप्ति -

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डाई लेजर

सॉलिड-स्टेट लेजर के उत्सर्जन पैरामीटर काफी हद तक इस्तेमाल किए गए क्रिस्टल के ऑप्टिकल गुणों पर निर्भर करते हैं। क्रिस्टल संरचना में असमानताएं गंभीर रूप से सीमित हो सकती हैं। साथ ही, तरल लेजर गैस प्रणालियों की तरह भारी नहीं होते हैं और गणना किए गए प्रकारों को संचालित करना आसान होता है।

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ऑप्टिकल आवृत्ति मानक - पराबैंगनीकिरणसमय के साथ स्थिर आवृत्ति (10 -14 - 10 -15), इसकी प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता (10 -13 - 10 -14) के साथ। ओ. एस. भौतिक विज्ञान में घंटों का उपयोग किया जाता है। शोध करें और व्यावहारिक खोजें मेट्रोलॉजी, स्थान, भूभौतिकी, संचार, नेविगेशन और मैकेनिकल इंजीनियरिंग में आवेदन। फ़्रिक्वेंसी डिवीजन O.s. रेडियो रेंज से कुछ घंटे पहले ऑप्टिकल अवधि के उपयोग के आधार पर समय का पैमाना बनाना संभव हो गया। .
ओ. एस. ज. की तुलना में फायदे हैं क्वांटम आवृत्ति मानकमाइक्रोवेव रेंज: लेजर का उपयोग करते समय आवृत्ति मापने से संबंधित प्रयोगों में कम समय की आवश्यकता होती है, क्योंकि एब्स। आवृत्ति गैर-लेजर आवृत्ति मानकों से 10 4 - 10 5 गुना अधिक है। पेट. ऑप्टिकल में तीव्रता और चौड़ाई, जो आवृत्ति संदर्भ हैं। एक ही सापेक्ष में माइक्रोवेव रेंज की तुलना में रेंज 10 5 - 10 6 गुना अधिक है। चौड़ाई। यह आपको O. s बनाने की अनुमति देता है। अधिक अल्पकालिक अवधि वाले घंटे। आवृत्ति स्थिरता. O. s की आवृत्ति को विभाजित करते समय। एच. रेडियो रेंज को संदर्भित करता है. उत्सर्जन लाइन की चौड़ाई व्यावहारिक रूप से नहीं बदलती है (यदि माइक्रोवेव मानक का उपयोग किया जाता है, तो आवृत्ति को 10 5 - 10 6 बार गुणा करने पर इसके सिग्नल का उतार-चढ़ाव स्पेक्ट्रम काफी बढ़ जाता है)। द्विघात की भूमिका डॉप्लर प्रभाव, दीर्घायु को सीमित करना। आवृत्ति स्थिरता और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता समान हैं।

स्थिरीकरण का सिद्धांत. लेजर आवृत्ति, साथ ही रेडियो मानकों का स्थिरीकरण, परमाणु या आणविक गैस (ऑप्टिकल संदर्भ बिंदु) की वर्णक्रमीय रेखाओं के उपयोग पर आधारित है, जिसके केंद्र से आवृत्ति "जुड़ी" होती है। वीएक इलेक्ट्रॉनिक स्वचालित प्रणाली का उपयोग करना। आवृत्ति समायोजन. क्योंकि लेज़र गेन लाइनें आमतौर पर बैंडविड्थ से काफी अधिक होती हैं ऑप्टिकल गुंजयमान यंत्र, फिर अस्थिरता ( वी) आवृत्तियाँ वीज्यादातर मामलों में पीढ़ी ऑप्टिकल में बदलाव से निर्धारित होती है। गुंजयमान यंत्र की लंबाई मुख्य। अस्थिरता के स्रोत एलथर्मल ड्रिफ्ट, मैकेनिकल हैं। और ध्वनिक संरचनात्मक तत्वों की गड़बड़ी, गैस-डिस्चार्ज प्लाज्मा के अपवर्तक सूचकांक में उतार-चढ़ाव। ऑप्टिकल का उपयोग करना संदर्भ बिंदु, ऑटो-ट्यूनिंग सिस्टम आनुपातिक संकेत उत्पन्न करता है। आवृत्ति के बीच अंतर का परिमाण और संकेत वीऔर आवृत्ति वि0वर्णक्रमीय रेखा का केंद्र, जिसकी सहायता से लेज़र आवृत्ति को रेखा के केंद्र (=) पर ट्यून किया जाता है वि - वि 0= 0). संबंधित. सटीकता को व्युत्क्रमानुपाती निर्धारित करना इसके प्रदर्शन के दौरान वर्णक्रमीय रेखा (-लाइन चौड़ाई) और सिग्नल-टू-शोर अनुपात का उत्पाद।
एक संकीर्ण उत्सर्जन रेखा और उच्च छोटी अवधि प्राप्त करने के लिए। आवृत्ति स्थिरता (समय के साथ स्थिरता), आवृत्ति गड़बड़ी की विशेषता सीमा से काफी अधिक चौड़ाई के साथ पर्याप्त उच्च तीव्रता के बेंचमार्क का उपयोग करना आवश्यक है। गैस लेजरध्वनिक स्पेक्ट्रम की विशेषता चौड़ाई। गड़बड़ी ~ 10 3 - 10 4 हर्ट्ज, इसलिए आवश्यक अनुनाद चौड़ाई हर्ट्ज है (सापेक्ष चौड़ाई 10 -9 - 10 -10)। यह स्वचालित प्रणालियों के उपयोग की अनुमति देता है। प्रभाव के लिए एक विस्तृत बैंड (10 4 हर्ट्ज) के साथ आवृत्ति समायोजन। गुंजयमान यंत्र की लंबाई में तेज उतार-चढ़ाव का दमन।
उच्च स्थायित्व प्राप्त करने के लिए. स्थिरता और आवृत्ति प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता के लिए ऑप्टिकल आवश्यक है। उच्च गुणवत्ता कारक की रेखाएँ, क्योंकि इससे अपघटन का प्रभाव कम हो जाता है। रेखा केंद्र की आवृत्ति बदलाव पर कारक।

ऑप्टिकल बेंचमार्क. संकीर्ण वर्णक्रमीय रेखाएँ प्राप्त करने के लिए माइक्रोवेव रेंज में उपयोग की जाने वाली विधियाँ ऑप्टिकल अनुप्रयोगों में अनुपयुक्त साबित हुईं। वर्णक्रमीय क्षेत्र (माइक्रोवेव रेंज में डॉपलर चौड़ीकरण छोटा है)। ओ.एस. के लिए. वे विधियाँ विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं जो वर्णक्रमीय रेखा के केंद्र में प्रतिध्वनि प्राप्त करना संभव बनाती हैं। इससे विकिरण आवृत्ति को क्वांटम संक्रमण की आवृत्ति से सीधे संबंधित करना संभव हो जाता है। तीन विधियाँ आशाजनक हैं: संतृप्त अवशोषण की विधि, दो-फोटॉन अनुनाद और दूरी वाले ऑप्टिकल बीम की विधि। खेत. बुनियादी लेजर आवृत्ति स्थिरीकरण पर परिणाम संतृप्त अवशोषण विधि का उपयोग करके प्राप्त किए गए थे, जो गैस के साथ प्रतिप्रचारित प्रकाश तरंगों की गैर-रेखीय बातचीत पर आधारित है। कम दबाव वाली गैस के साथ एक नॉनलाइनियर अवशोषित सेल लेजर कैविटी (सक्रिय संदर्भ) के अंदर और उसके बाहर (निष्क्रिय संदर्भ) स्थित हो सकता है। संतृप्ति प्रभाव (एक मजबूत क्षेत्र में गैस कणों की आबादी के स्तर को बराबर करना) के कारण, डॉपलर-चौड़ी अवशोषण रेखा के केंद्र में एक समान चौड़ाई के साथ एक डुबकी दिखाई देती है, किनारे 10 5 - 10 6 गुना कम हो सकते हैं डॉपलर चौड़ाई. आंतरिक अवशोषक सेल के मामले में, रेखा के केंद्र में अवशोषण में कमी से उत्पादन आवृत्ति पर शक्ति की निर्भरता के समोच्च में एक संकीर्ण शिखर की उपस्थिति होती है। आणविक गैस में अरैखिक अनुनाद की चौड़ाई कम दबावयह मुख्य रूप से प्रकाश किरण के माध्यम से किसी कण की उड़ान के सीमित समय के कारण होने वाले टकरावों और प्रभावों से निर्धारित होता है। अनुनाद की चौड़ाई में कमी के साथ-साथ इसकी तीव्रता (दबाव के घन के आनुपातिक) में तेज गिरावट होती है।
नायब. घटकों पर सीएच 4 में 10 -11 की चौड़ाई के साथ संकीर्ण संतृप्त अवशोषण अनुनाद प्राप्त किए गए थे ईदोलन-घूर्णन. पंक्तियां आर(7) धारियां वी 3 (देखें आणविक स्पेक्ट्रा), जो = 3.39 माइक्रोन पर हीलियम-नियॉन लेजर की लाभ रेखा के केंद्र के करीब हैं। प्रवर्धन और अवशोषण रेखाओं को सटीक रूप से संरेखित करने के लिए, 22 Ne का उपयोग करें और लेजर के सक्रिय माध्यम में He दबाव बढ़ाएं या सक्रिय माध्यम को चुंबकीय क्षेत्र में रखें। फ़ील्ड (के लिए ई-अवयव)।
स्कीम ओ.एस. एच., अति-संकीर्ण अनुनाद का उपयोग करते हुए (10 -11 - 10 की सापेक्ष चौड़ाई के साथ)। - 12 ) एक संदर्भ के रूप में, एक संकीर्ण विकिरण रेखा के साथ एक सहायक आवृत्ति-स्थिर लेजर 2, एक ट्यून करने योग्य लेजर 2 और एक संकीर्ण अनुनाद प्राप्त करने के लिए एक प्रणाली शामिल है (चित्र 1)। एक ट्यून करने योग्य लेजर की संकीर्ण उत्सर्जन रेखा, जिसका उपयोग एक अति-संकीर्ण अनुनाद प्राप्त करने के लिए किया जाता है, इस लेजर के एक स्थिर लेजर के साथ चरण सिंक्रनाइज़ेशन द्वारा सुनिश्चित किया जाता है।

चावल। 1. ऑप्टिकल आवृत्ति मानक की योजना: एफएफए - आवृत्ति-चरण ऑटो-ट्यूनिंग; सुर - अति-संकीर्ण अनुनाद प्राप्त करने की प्रणाली; एएफसी - स्वचालित आवृत्ति नियंत्रण प्रणाली; जेडजी - ध्वनि जनरेटर; आरजी - रेडियो जनरेटर; डी - फोटो डिटेक्टर.

हमारे पास बहुत समय होगा. ट्यून करने योग्य लेजर की स्थिरता हासिल की जाती है सहज ट्यूनिंगएक चरम ऑटो-ट्यूनिंग प्रणाली का उपयोग करके इसकी आवृत्तियों को अधिकतम अल्ट्रा-संकीर्ण अनुनाद तक पहुंचाया जाता है। इस मामले में, एक साथ प्राप्त करना संभव है उच्च मूल्यलघु अवधि और लंबे समय तक चलने वाला. स्थिरता और आवृत्ति प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता।
आवृत्ति स्थिरता. नायब. आंतरिक के साथ He-Ne लेजर (= 3.39 μm) के साथ IR रेंज में उच्च आवृत्ति स्थिरता प्राप्त की गई थी। अवशोषण कोशिका. क्योंकि एब्स. इसकी आवृत्ति उच्च सटीकता (10 -11) के साथ जानी जाती है, फिर इस लेजर का स्वतंत्र रूप से उपयोग किया जा सकता है। पेट मापने के लिए माध्यमिक आवृत्ति मानक। ऑप्टिकल में आवृत्तियाँ और आईआर रेंज। ऐसे लेजर की उत्सर्जन लाइनविड्थ 0.07 हर्ट्ज है (चित्र 2)। औसत समय के लिए आवृत्ति स्थिरता = 1 - 100 सेकंड 4 x 10 -15 के बराबर है (चित्र 3)।
हमारे पास बहुत समय होगा. टेलीस्कोपिक के साथ He-Ne लेजर की स्थिरता और आवृत्ति प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता। किरण विस्तार, अवशोषण रेखाओं पर सीएच 4 में अनुनादों द्वारा स्थिर एफ 2 2 और ई(ऊपर देखें) ~10 11 के गुणवत्ता कारक के साथ, ~10 -14 तक पहुंचें। आवृत्ति प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता और सटीकता को सीमित करने वाला प्रमुख कारक द्विघात है।

लिट.:बसोव एन.जी., लेटोखोव वी.एस., ऑप्टिकल आवृत्ति मानक, "यूएफएन", 1968, वी. 96, पी। 585; जेनिंग्स डी. ए., पीटरसन एफ. आर., इवेंसन के. एम., 260 टीएचजेड (1.15 मिमी) 20 एनई लेजर और उससे आगे की प्रत्यक्ष आवृत्ति माप: लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी। चतुर्थ. प्रोक. चौथा-इंटर्न. कॉन्फ़., रोटैच-एगर्न, फेड। प्रतिनिधि. जर्मनी का, जून 11 - 15 1979, संस्करण। एच. वाल्थर द्वारा, के.डब्ल्यू. कोथे, वी. -, 1979, पृ. 39; फ़्रीक पर तीसरी संगोष्ठी की कार्यवाही। मानक और मेट्रोलॉजी, ऑसोइस, फ़्रांस, 12 - 15 अक्टूबर। 1981, "जे. फ़िज़", 1981, वी. 42, कोलोक. एस 8, नंबर 12; बगाएव एस.एन., चेबोताएव वी.पी., लेजर आवृत्ति मानक, "यूएफएन", 1986, वी. 148, पी। 143; नाइट डी. जे. ई., ए टेबुलेशन ऑफ़ एब्सोल्यूट लेज़र - फ़्रीक्वेंसी मापन, "मेट्रोलोगिया", 1986, वी 22, पी। 251.

वी. पी. चेबोतेव.

1.1. स्पेक्ट्रा के प्रकार.

पहली नज़र में, लेज़र बीम संरचना में बहुत सरल लगती है। यह व्यावहारिक रूप से एकल-आवृत्ति विकिरण है जिसका वर्णक्रमीय रूप से शुद्ध रंग होता है: हे-ने लेजर में लाल विकिरण (633 एनएम) होता है, कैडमियम लेजर उत्सर्जित करता है नीला(440 एनएम, एक आर्गन लेजर स्पेक्ट्रम के नीले-हरे क्षेत्र में कई लाइनें उत्सर्जित करता है (488 एनएम, 514 एनएम, आदि), एक अर्धचालक लेजर लाल विकिरण (650 एनएम) आदि उत्सर्जित करता है। वास्तव में, लेजर उत्सर्जन स्पेक्ट्रम इसकी एक जटिल संरचना है और यह दो मापदंडों द्वारा निर्धारित होती है - कार्यशील पदार्थ का उत्सर्जन स्पेक्ट्रम (उदाहरण के लिए, हे-ने लेजर के लिए, यह विद्युत निर्वहन द्वारा उत्तेजित नियॉन उत्सर्जन की लाल वर्णक्रमीय रेखा है) और अनुनाद घटना लेजर का ऑप्टिकल रेज़ोनेटर।

तुलना के लिए, दाईं ओर के आंकड़े सूर्य (ए) और एक पारंपरिक तापदीप्त प्रकाश बल्ब (बी) (शीर्ष चित्र), पारा लैंप के स्पेक्ट्रम (दाएं चित्र) और एक बहुत बढ़े हुए उत्सर्जन स्पेक्ट्रम को दर्शाते हैं। हे-ने लेजर (नीचे चित्र)।

गरमागरम लैंप का स्पेक्ट्रम, सौर स्पेक्ट्रम की तरह, निरंतर स्पेक्ट्रा से संबंधित होता है जो दृश्य वर्णक्रमीय सीमा को पूरी तरह से भर देता है विद्युत चुम्बकीय विकिरण(400-700 एनएम). पारा लैंप का स्पेक्ट्रम लाइन स्पेक्ट्रा से संबंधित होता है, जो संपूर्ण दृश्य सीमा को भी भरता है, लेकिन इसमें अलग-अलग तीव्रता के व्यक्तिगत वर्णक्रमीय घटक होते हैं। वैसे, लेज़रों के आगमन से पहले, पारा लैंप से विकिरण के व्यक्तिगत वर्णक्रमीय घटकों को अलग करके मोनोक्रोमैटिक विकिरण प्राप्त किया जाता था।

1.2. हे-ने लेजर में विकिरण स्पेक्ट्रम।

लेज़र विकिरण स्पेक्ट्रम मोनोक्रोमैटिक है, अर्थात इसकी वर्णक्रमीय चौड़ाई बहुत संकीर्ण है, लेकिन, जैसा कि चित्र से देखा जा सकता है, इसकी एक जटिल संरचना भी है।

हम अच्छी तरह से अध्ययन किए गए हे-ने लेजर के आधार पर लेजर स्पेक्ट्रम बनाने की प्रक्रिया पर विचार करेंगे। ऐतिहासिक रूप से, यह पहला लेज़र था सतत कार्रवाई, स्पेक्ट्रम की दृश्यमान सीमा में काम कर रहा है। इसे 1960 में ए. जावन ने बनाया था।

चित्र में. दाईं ओर हीलियम और नियॉन के उत्तेजित मिश्रण का ऊर्जा स्तर है। उत्तेजित हीलियम या नियॉन परमाणु एक ऐसा परमाणु है जिसमें बाहरी आवरण के एक या अधिक इलेक्ट्रॉन, गैस डिस्चार्ज के इलेक्ट्रॉनों और आयनों के साथ टकराव में, उच्च ऊर्जा स्तर पर चले जाते हैं और बाद में निम्न ऊर्जा स्तर पर जा सकते हैं या वापस लौट सकते हैं तटस्थ स्तर, एक प्रकाश क्वांटम के उत्सर्जन के साथ - एक फोटॉन।

परमाणु उत्साहित हैं विद्युत का झटकागैस मिश्रण से गुजरना। हे-ने लेजर के लिए, यह एक कम-वर्तमान, चमक निर्वहन है (सामान्य निर्वहन धाराएं 20-50 एमए हैं)। ऐसे "शास्त्रीय" लेज़र, जो कि हे-ने लेज़र है, के लिए भी ऊर्जा स्तर और विकिरण तंत्र की तस्वीर काफी जटिल है, इसलिए हम केवल इस प्रक्रिया के मुख्य विवरणों पर विचार करने तक ही सीमित रहेंगे। नियॉन परमाणुओं के साथ टकराव में 2S स्तर तक उत्तेजित हीलियम परमाणु उनमें संचित ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं, जिससे वे 5S स्तर तक उत्तेजित हो जाते हैं (इसलिए, गैस मिश्रण में नियॉन की तुलना में अधिक हीलियम होता है)। 5S स्तर से, इलेक्ट्रॉन कई निम्न ऊर्जा स्तरों पर जा सकते हैं। हम केवल 5एस-3पी संक्रमण में रुचि रखते हैं (दोनों स्तर वास्तव में उत्तेजना और उत्सर्जन तंत्र की क्वांटम प्रकृति के कारण कई उपस्तरों में विभाजित हैं)। इस संक्रमण के दौरान फोटॉन उत्सर्जन की तरंग दैर्ध्य 633 एनएम है।

आइए एक और नोट करें महत्वपूर्ण तथ्य, सुसंगत विकिरण प्राप्त करने के लिए मौलिक रूप से महत्वपूर्ण है। हीलियम और नियॉन के सही अनुपात, ट्यूब में गैस मिश्रण का दबाव और डिस्चार्ज करंट के मूल्य के साथ, इलेक्ट्रॉन 5S स्तर पर जमा होते हैं और उनकी संख्या निचले 3P स्तर पर स्थित इलेक्ट्रॉनों की संख्या से अधिक हो जाती है। इस घटना को स्तरीय जनसंख्या व्युत्क्रमण कहा जाता है। हालाँकि, यह अभी लेजर विकिरण नहीं है। यह नियॉन उत्सर्जन स्पेक्ट्रम में वर्णक्रमीय रेखाओं में से एक है। वर्णक्रमीय रेखा की चौड़ाई कई कारणों पर निर्भर करती है, जिनमें से मुख्य हैं: - विकिरण में शामिल ऊर्जा स्तरों (5S और 3P) की सीमित चौड़ाई और नियॉन परमाणुओं के निवास समय से जुड़े क्वांटम अनिश्चितता सिद्धांत द्वारा निर्धारित की जाती है। उत्तेजित अवस्था, - रेखा चौड़ीकरण से जुड़ी निरंतर गतिप्रभाव में निर्वहन में उत्तेजित कण विद्युत क्षेत्र(तथाकथित डॉपलर प्रभाव)। इन कारकों को ध्यान में रखते हुए, रेखा की चौड़ाई (विशेषज्ञ इसे कार्यशील संक्रमण का समोच्च कहते हैं) एक एंगस्ट्रॉम का लगभग दो दस हजारवां हिस्सा है। ऐसी संकीर्ण रेखाओं के लिए, गणना में आवृत्ति डोमेन में इसकी चौड़ाई का उपयोग करना अधिक सुविधाजनक है। आइए संक्रमण सूत्र का उपयोग करें:

डीएन 1 =डीएल सी/एल 2 (1)

जहां डीएन 1 आवृत्ति डोमेन में वर्णक्रमीय रेखा की चौड़ाई है, हर्ट्ज, डीएल वर्णक्रमीय रेखा की चौड़ाई (0.000002 एनएम) है, एल वर्णक्रमीय रेखा की तरंग दैर्ध्य (633 एनएम) है, सी प्रकाश की गति है। सभी मानों को (एक माप प्रणाली में) प्रतिस्थापित करते हुए, हमें 1.5 गीगाहर्ट्ज़ की एक लाइन चौड़ाई प्राप्त होती है। बेशक, नियॉन विकिरण के पूरे स्पेक्ट्रम की तुलना में ऐसी संकीर्ण रेखा को पूरी तरह से मोनोक्रोमैटिक माना जा सकता है, लेकिन इसे अभी तक सुसंगत विकिरण नहीं कहा जा सकता है। सुसंगत विकिरण प्राप्त करने के लिए, लेजर एक ऑप्टिकल कैविटी (इंटरफेरोमीटर) का उपयोग करता है।

1.3. लेजर ऑप्टिकल गुहा.

एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर में दो दर्पण होते हैं जो ऑप्टिकल अक्ष पर स्थित होते हैं और परावर्तक सतहों के साथ एक-दूसरे का सामना करते हैं, चित्र। सही। दर्पण चपटे या गोलाकार हो सकते हैं। सपाट दर्पणों को संरेखित करना बहुत कठिन होता है और लेज़र आउटपुट अस्थिर हो सकता है। गोलाकार दर्पण (कन्फोकल रेज़ोनेटर) वाला एक रेज़ोनेटर अधिक स्थिर होता है, लेकिन विकिरण की जटिल, मल्टीमोड संरचना के कारण लेजर बीम क्रॉस-सेक्शन में अमानवीय हो सकता है। व्यवहार में, पीछे के गोलाकार और सामने के सपाट दर्पण के साथ एक अर्ध-कन्फोकल अनुनादक का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। ऐसा गुंजयमान यंत्र अपेक्षाकृत स्थिर होता है और एक सजातीय (एकल-मोड) किरण उत्पन्न करता है।

किसी भी गुंजयमान यंत्र की मुख्य संपत्ति खड़े होने का गठन है विद्युत चुम्बकीय तरंगें. हे-ने लेजर के मामले में, 633 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ एक नियॉन वर्णक्रमीय रेखा उत्सर्जित करने के लिए खड़ी तरंगें उत्पन्न होती हैं। यह केवल इस तरंग दैर्ध्य के लिए चयनित दर्पणों के अधिकतम प्रतिबिंब गुणांक द्वारा सुविधाजनक है। लेज़र गुहाएँ बहुपरत कोटिंग के साथ ढांकता हुआ दर्पण का उपयोग करती हैं, जिससे 99% या उससे अधिक का प्रतिबिंब गुणांक प्राप्त होता है। जैसा कि ज्ञात है, खड़ी तरंगों के निर्माण की शर्त यह है कि दर्पणों के बीच की दूरी अर्ध-तरंगों की पूर्णांक संख्या के बराबर होनी चाहिए:

nl =2L (2)

जहां n एक पूर्णांक या हस्तक्षेप का क्रम है, l इंटरफेरोमीटर के अंदर विकिरण की तरंग दैर्ध्य है, L दर्पणों के बीच की दूरी है।

अनुनाद स्थिति (2) से हम अनुनाद आवृत्तियों dn 2 के बीच की दूरी प्राप्त कर सकते हैं:

डीएन 2 =सी/2एल (3)

डेढ़ मीटर गैस लेजर कैविटी (He-Ne लेजर LGN-220) के लिए यह मान लगभग 100 मेगाहर्ट्ज है। केवल ऐसी आवृत्ति अवधि के साथ विकिरण को अनुनादक दर्पणों से बार-बार परावर्तित किया जा सकता है और बढ़ाया जा सकता है क्योंकि यह एक व्युत्क्रम माध्यम से गुजरता है - एक विद्युत निर्वहन द्वारा उत्तेजित हीलियम और नियॉन का मिश्रण। इसके अलावा, जो अत्यंत महत्वपूर्ण है, जब यह विकिरण अनुनादक के साथ गुजरता है, तो इसकी चरण संरचना नहीं बदलती है, जिससे प्रवर्धित विकिरण के सुसंगत गुण उत्पन्न होते हैं। यह 5एस स्तर की व्युत्क्रम जनसंख्या द्वारा सुगम है, जिसका उल्लेख ऊपर किया गया था। एक इलेक्ट्रॉन इस संक्रमण को शुरू करने वाले फोटॉन के साथ समकालिक रूप से ऊपरी स्तर से निचले स्तर तक चलता है, इसलिए दोनों फोटॉन के अनुरूप तरंगों के चरण पैरामीटर समान होते हैं। सुसंगत विकिरण की यह पीढ़ी अनुनादक के अंदर पूरे विकिरण पथ के साथ होती है। इसके अलावा, गुंजयमान घटना से उत्सर्जन रेखा बहुत अधिक संकीर्ण हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप गुंजयमान शिखर के केंद्र में सबसे बड़ा लाभ प्राप्त होता है।
एक निश्चित संख्या में गुजरने के बाद, सुसंगत विकिरण की तीव्रता इतनी अधिक हो जाती है कि यह अनुनादक में प्राकृतिक नुकसान (सक्रिय माध्यम में बिखराव, दर्पण पर नुकसान, विवर्तन हानि, आदि) से अधिक हो जाती है और इसका कुछ हिस्सा अनुनादक से परे चला जाता है। इस प्रयोजन के लिए, आउटपुट, फ्लैट दर्पण को थोड़ा कम प्रतिबिंब गुणांक (99.6-99.7%) के साथ बनाया जाता है। परिणामस्वरूप, लेज़र उत्सर्जन स्पेक्ट्रम का रूप तीसरे चित्र में दिखाया गया है। ऊपर। वर्णक्रमीय घटकों की संख्या आमतौर पर दस से अधिक नहीं होती है।

आइए हम एक बार फिर उन सभी कारकों को संक्षेप में प्रस्तुत करें जो लेजर विकिरण की आवृत्ति विशेषताओं को निर्धारित करते हैं। सबसे पहले, कार्यशील संक्रमण को समोच्च की प्राकृतिक चौड़ाई की विशेषता है। वास्तविक परिस्थितियों में के कारण कई कारकरूपरेखा विस्तृत हो जाती है. चौड़ी रेखा के भीतर, इंटरफेरोमीटर की गुंजयमान रेखाएँ स्थित होती हैं, जिनकी संख्या संक्रमण समोच्च की चौड़ाई और आसन्न चोटियों के बीच की दूरी से निर्धारित होती है। अंत में, चोटियों के केंद्र में लेजर उत्सर्जन की बेहद संकीर्ण वर्णक्रमीय रेखाएं होती हैं, जो लेजर आउटपुट के स्पेक्ट्रम को निर्धारित करती हैं।

1.4. लेजर विकिरण का सामंजस्य।

आइए हम स्पष्ट करें कि हे-ने लेजर विकिरण द्वारा कौन सी सुसंगतता लंबाई प्रदान की जाती है। आइए कार्य में प्रस्तावित सूत्र का उपयोग करें:

जैसे ही यह एक व्युत्क्रम माध्यम से गुजरता है - एक विद्युत निर्वहन द्वारा उत्तेजित हीलियम और नियॉन का मिश्रण। इसके अलावा, जो अत्यंत महत्वपूर्ण है, जब यह विकिरण अनुनादक के साथ गुजरता है, तो इसकी चरण संरचना नहीं बदलती है, जिससे प्रवर्धित विकिरण के सुसंगत गुण उत्पन्न होते हैं। यह 5एस स्तर की व्युत्क्रम जनसंख्या द्वारा सुगम है, जिसका उल्लेख ऊपर किया गया था। एक इलेक्ट्रॉन इस संक्रमण को शुरू करने वाले फोटॉन के साथ समकालिक रूप से ऊपरी स्तर से निचले स्तर तक चलता है, इसलिए दोनों फोटॉन के अनुरूप तरंगों के चरण पैरामीटर समान होते हैं। सुसंगत विकिरण की यह पीढ़ी अनुनादक के अंदर पूरे विकिरण पथ के साथ होती है। इसके अलावा, गुंजयमान घटना से उत्सर्जन रेखा बहुत अधिक संकीर्ण हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप गुंजयमान शिखर के केंद्र में सबसे बड़ा लाभ प्राप्त होता है।

डीटी =डीएन -1 (4)

जहां dt सुसंगतता समय है, जो समय अंतराल की ऊपरी सीमा का प्रतिनिधित्व करता है जिस पर मोनोक्रोमैटिक तरंग का आयाम और चरण स्थिर होते हैं। आइए हम परिचित सुसंगत लंबाई l की ओर बढ़ते हैं, जिसकी सहायता से होलोग्राम पर दर्ज दृश्य की गहराई का अनुमान लगाना आसान है:

एल=सी/डीएन (5)

पूर्ण स्पेक्ट्रम चौड़ाई dn 1 = 1.5 GHz सहित, डेटा को सूत्र (5) में प्रतिस्थापित करने पर, हमें 20 सेमी की सुसंगत लंबाई प्राप्त होती है, यह He-Ne लेजर की वास्तविक सुसंगत लंबाई के काफी करीब है, जिसमें अपरिहार्य विकिरण हानि होती है गुहा में. माइकलसन इंटरफेरोमीटर का उपयोग करके सुसंगत लंबाई की माप 15-17 सेमी (हस्तक्षेप पैटर्न के आयाम में 50% की कमी के स्तर पर) का मान देती है। लेजर कैविटी द्वारा पृथक किए गए एक व्यक्तिगत वर्णक्रमीय घटक की सुसंगत लंबाई का अनुमान लगाना दिलचस्प है। इंटरफेरोमीटर डीएन 3 के गुंजयमान शिखर की चौड़ाई (ऊपर से तीसरा आंकड़ा देखें) इसके गुणवत्ता कारक द्वारा निर्धारित की जाती है और लगभग 0.5 मेगाहर्ट्ज है। लेकिन, जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, अनुनाद घटना लेजर वर्णक्रमीय रेखा डीएन 4 की और भी अधिक संकीर्णता का कारण बनती है, जो इंटरफेरोमीटर (आकृति में ऊपर से तीसरा) के अनुनाद शिखर के केंद्र के पास बनती है। सैद्धांतिक गणना एक हर्ट्ज़ के आठ हजारवें हिस्से की एक पंक्ति की चौड़ाई देती है! हालाँकि, इस मान का अधिक व्यावहारिक अर्थ नहीं है, क्योंकि ऐसे संकीर्ण वर्णक्रमीय घटक के दीर्घकालिक अस्तित्व के लिए अनुनादक की यांत्रिक स्थिरता, थर्मल बहाव और अन्य मापदंडों के मूल्यों की आवश्यकता होती है जो वास्तविक परिचालन स्थितियों के तहत बिल्कुल असंभव हैं। लेजर. इसलिए, हम खुद को इंटरफेरोमीटर के गुंजयमान शिखर की चौड़ाई तक सीमित रखेंगे। 0.5 मेगाहर्ट्ज की स्पेक्ट्रम चौड़ाई के लिए, सूत्र (5) का उपयोग करके गणना की गई सुसंगत लंबाई 600 मीटर है। जो कुछ बचा है वह एक वर्णक्रमीय घटक को अलग करना, उसकी शक्ति का मूल्यांकन करना और उसे एक स्थान पर रखना है। यदि, होलोग्राम के संपर्क के दौरान, यह पूरे कामकाजी सर्किट के साथ "गुजरता है" (उदाहरण के लिए, अनुनादक के तापमान अस्थिरता के कारण), तो हम फिर से वही 20 सेमी सुसंगतता प्राप्त करेंगे।

1.5. आयन लेजर पीढ़ी का स्पेक्ट्रम।

आइए एक अन्य गैस लेजर - आर्गन के पीढ़ी स्पेक्ट्रम के बारे में संक्षेप में बात करें। यह लेज़र, क्रिप्टन लेज़र की तरह, आयन लेज़रों से संबंधित है, अर्थात। सुसंगत विकिरण उत्पन्न करने की प्रक्रिया में, अब आर्गन परमाणु भाग नहीं लेते हैं, बल्कि उनके आयन, यानी, परमाणु, बाहरी आवरण के एक या अधिक इलेक्ट्रॉन एक शक्तिशाली आर्क डिस्चार्ज के प्रभाव में फट जाते हैं जो कि गुजरता है सक्रिय पदार्थ. डिस्चार्ज करंट कई दसियों एम्पीयर तक पहुँच जाता है, विद्युत शक्तिबिजली आपूर्ति - कई दसियों किलोवाट। अनिवार्य गहन पानी की मदद से ठंडा करने वाले उपकरणसक्रिय तत्व, अन्यथा इसका तापीय विनाश हो जाएगा। स्वाभाविक रूप से, ऐसी कठोर परिस्थितियों में, आर्गन परमाणुओं के उत्तेजना की तस्वीर और भी जटिल है। कई लेज़र वर्णक्रमीय रेखाओं का निर्माण एक साथ होता है; उनमें से प्रत्येक के कार्यशील समोच्च की चौड़ाई हे-ने लेज़र रेखा समोच्च की चौड़ाई से काफी बड़ी होती है और कई गीगाहर्ट्ज़ के बराबर होती है। तदनुसार, लेजर सुसंगतता की लंबाई कई सेंटीमीटर तक कम हो जाती है। बड़े प्रारूप वाले होलोग्राम को रिकॉर्ड करने के लिए, पीढ़ी स्पेक्ट्रम की आवृत्ति चयन की आवश्यकता होती है, जिस पर इस लेख के दूसरे भाग में चर्चा की जाएगी।

1.6. सेमीकंडक्टर लेजर का जनरेशन स्पेक्ट्रम।

आइए हम सेमीकंडक्टर लेजर के उत्सर्जन स्पेक्ट्रम पर विचार करें, जो होलोग्राफी सिखाने की प्रक्रिया और शुरुआती होलोग्राफरों के लिए बहुत रुचि का है। ऐतिहासिक रूप से, गैलियम आर्सेनाइड पर आधारित इंजेक्शन सेमीकंडक्टर लेजर सबसे पहले विकसित किए गए थे, चित्र। सही।

चूँकि इसका डिज़ाइन काफी सरल है, आइए इसके उदाहरण का उपयोग करके अर्धचालक लेजर के संचालन के सिद्धांत पर विचार करें। सक्रिय पदार्थ जिसमें विकिरण उत्पन्न होता है वह गैलियम आर्सेनाइड का एक एकल क्रिस्टल है, जिसमें कई सौ माइक्रोन लंबे पक्षों के साथ एक समानांतर चतुर्भुज का आकार होता है। दोनों तरफ के चेहरों को समानांतर बनाया गया है और उच्च परिशुद्धता के साथ पॉलिश किया गया है। बड़े अपवर्तनांक (एन = 3.6) के कारण, क्रिस्टल-एयर इंटरफेस पर पर्याप्त रूप से बड़ा प्रतिबिंब गुणांक (लगभग 35%) प्राप्त होता है, जो परावर्तक दर्पणों के अतिरिक्त जमाव के बिना सुसंगत विकिरण उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त है। क्रिस्टल के अन्य दो चेहरे एक निश्चित कोण पर उभरे हुए हैं; प्रेरित विकिरण उनके माध्यम से बाहर नहीं निकलता है। सुसंगत विकिरण की उत्पत्ति पी-एन जंक्शन में होती है, जो दाता अशुद्धियों (टीई, से, आदि) के साथ डोप किए गए क्रिस्टल के क्षेत्र में स्वीकर्ता अशुद्धियों (जेडएन, सीडी, आदि) के प्रसार द्वारा बनाई जाती है। सक्रिय क्षेत्र की मोटाई लंबवत पी-एन जंक्शनदिशा लगभग 1 µm है। दुर्भाग्य से, सेमीकंडक्टर लेजर के इस डिजाइन में, थ्रेशोल्ड पंप का वर्तमान घनत्व काफी अधिक (लगभग 100 हजार एम्पीयर प्रति 1 वर्ग सेमी) हो जाता है। इसलिए, निरंतर मोड में काम करने पर यह लेज़र तुरंत नष्ट हो जाता है कमरे का तापमानऔर तीव्र शीतलन की आवश्यकता होती है। लेज़र तरल नाइट्रोजन (77 K) या हीलियम (4.2 K) तापमान पर स्थिर रूप से काम करता है।

आधुनिक सेमीकंडक्टर लेजर डबल हेटेरोजंक्शन, चित्र के आधार पर बनाए जाते हैं। सही। ऐसी संरचना में, दहलीज वर्तमान घनत्व को परिमाण के दो आदेशों से घटाकर 1000 ए/सेमी कर दिया गया था। वर्ग. इस वर्तमान घनत्व पर, कमरे के तापमान पर भी अर्धचालक लेजर का स्थिर संचालन संभव है। पहले लेजर नमूने इन्फ्रारेड रेंज (850 एनएम) में संचालित हुए। सेमीकंडक्टर परतों को बनाने की तकनीक में और सुधार के साथ, फाइबर ऑप्टिक संचार लाइनों के लिए बढ़ी हुई तरंग दैर्ध्य (1.3 - 1.6 माइक्रोन) और दृश्य क्षेत्र (650 एनएम) में विकिरण की पीढ़ी के साथ लेजर दिखाई दिए। पहले से ही ऐसे लेज़र मौजूद हैं जो स्पेक्ट्रम के नीले क्षेत्र में उत्सर्जन करते हैं। सेमीकंडक्टर लेजर का बड़ा लाभ उनकी उच्च दक्षता (विकिरण ऊर्जा का अनुपात) है विद्युतीय ऊर्जापम्पिंग), जो 70% तक पहुँच जाता है। परमाणु और आयन दोनों गैस लेजर के लिए, दक्षता 0.1% से अधिक नहीं होती है।

सेमीकंडक्टर लेजर में विकिरण उत्पादन प्रक्रिया की विशिष्ट प्रकृति के कारण, विकिरण स्पेक्ट्रम की चौड़ाई हे-ने लेजर स्पेक्ट्रम की चौड़ाई से बहुत अधिक है, चित्र। सही।

कार्यशील समोच्च की चौड़ाई लगभग 4 एनएम है। वर्णक्रमीय हार्मोनिक्स की संख्या कई दसियों तक पहुँच सकती है। यह लेजर सुसंगतता लंबाई पर एक गंभीर सीमा लगाता है। यदि हम सूत्र (1), (5) का उपयोग करते हैं, तो सैद्धांतिक सुसंगत लंबाई केवल 0.1 मिमी होगी। हालाँकि, जैसा कि माइकलसन इंटरफेरोमीटर पर सुसंगत लंबाई के प्रत्यक्ष माप और परावर्तक होलोग्राम की रिकॉर्डिंग से पता चलता है, अर्धचालक लेजर की वास्तविक सुसंगत लंबाई 4-5 सेमी तक पहुंच जाती है, इससे पता चलता है कि अर्धचालक लेजर का वास्तविक उत्सर्जन स्पेक्ट्रम इतना समृद्ध नहीं है हार्मोनिक्स और इसमें इतनी बड़ी समोच्च चौड़ाई वाला कार्यकर्ता संक्रमण नहीं है, जैसा कि सिद्धांत भविष्यवाणी करता है। हालांकि, निष्पक्षता में, यह ध्यान देने योग्य है कि सेमीकंडक्टर लेजर विकिरण की सुसंगतता की डिग्री नमूना से नमूना और इसके ऑपरेटिंग मोड (पंप वर्तमान, शीतलन की स्थिति इत्यादि) दोनों से काफी भिन्न होती है।