লেজার উৎপাদনের নীতি

লেজারের মূলনীতি আমাদের কেন জানা প্রয়োজন?

সাধারণ সেমিকন্ডাক্টর লেজার, ফাইবার, ডিস্ক এবং এর মধ্যে পার্থক্য জানাYAG লেজারএটি নির্বাচন প্রক্রিয়া চলাকালীন আরও ভালোভাবে বুঝতে এবং আরও আলোচনায় অংশ নিতেও সাহায্য করতে পারে।

এই নিবন্ধটি মূলত জনপ্রিয় বিজ্ঞানের উপর আলোকপাত করে: লেজার উৎপাদনের নীতির একটি সংক্ষিপ্ত পরিচিতি, লেজারের প্রধান কাঠামো এবং কয়েকটি সাধারণ ধরনের লেজার।

প্রথমত, লেজার উৎপাদনের নীতি

আলো ও পদার্থের পারস্পরিক ক্রিয়ার মাধ্যমে লেজার উৎপন্ন হয়, যা উদ্দীপিত বিকিরণ বিবর্ধন নামে পরিচিত; উদ্দীপিত বিকিরণ বিবর্ধন বোঝার জন্য আইনস্টাইনের স্বতঃস্ফূর্ত নিঃসরণ, উদ্দীপিত শোষণ এবং উদ্দীপিত বিকিরণ-এর ধারণাগুলোর পাশাপাশি কিছু প্রয়োজনীয় তাত্ত্বিক ভিত্তি বোঝা প্রয়োজন।

তাত্ত্বিক ভিত্তি ১: বোর মডেল

বোর মডেল প্রধানত পরমাণুর অভ্যন্তরীণ গঠন সম্পর্কে ধারণা দেয়, যার ফলে লেজার কীভাবে উৎপন্ন হয় তা সহজে বোঝা যায়। একটি পরমাণু একটি নিউক্লিয়াস এবং নিউক্লিয়াসের বাইরে ইলেকট্রন দ্বারা গঠিত, এবং ইলেকট্রনের কক্ষপথগুলো যথেচ্ছ নয়। ইলেকট্রনের কেবল নির্দিষ্ট কিছু কক্ষপথ থাকে, যার মধ্যে সবচেয়ে ভেতরের কক্ষপথটিকে ভূমি অবস্থা (ground state) বলা হয়; যখন একটি ইলেকট্রন ভূমি অবস্থায় থাকে, তখন তার শক্তি সর্বনিম্ন হয়। যদি একটি ইলেকট্রন কোনো কক্ষপথ থেকে লাফিয়ে বেরিয়ে আসে, তবে তাকে প্রথম উত্তেজিত অবস্থা (first excited state) বলা হয়, এবং প্রথম উত্তেজিত অবস্থার শক্তি ভূমি অবস্থার চেয়ে বেশি হবে; অন্য কক্ষপথটিকে দ্বিতীয় উত্তেজিত অবস্থা (second excited state) বলা হয়;

এই মডেলে ইলেকট্রনগুলো বিভিন্ন কক্ষপথে চলাচল করার কারণেই লেজার উৎপন্ন হতে পারে। ইলেকট্রন শক্তি শোষণ করলে, তারা ভূমি অবস্থা থেকে উত্তেজিত অবস্থায় যেতে পারে; যখন একটি ইলেকট্রন উত্তেজিত অবস্থা থেকে ভূমি অবস্থায় ফিরে আসে, তখন এটি শক্তি নির্গত করে, যা প্রায়শই লেজার আকারে নির্গত হয়।

তাত্ত্বিক ভিত্তি ২: আইনস্টাইনের উদ্দীপিত বিকিরণ তত্ত্ব

১৯১৭ সালে আইনস্টাইন উদ্দীপিত বিকিরণ তত্ত্ব প্রস্তাব করেন, যা লেজার এবং লেজার উৎপাদনের তাত্ত্বিক ভিত্তি: পদার্থের শোষণ বা নির্গমন মূলত বিকিরণ ক্ষেত্র এবং পদার্থ গঠনকারী কণাগুলোর মধ্যে মিথস্ক্রিয়ার ফল, এবং এর মূল সারমর্ম হলো কণাগুলোর বিভিন্ন শক্তিস্তরের মধ্যে স্থানান্তর। আলো এবং পদার্থের মিথস্ক্রিয়ায় তিনটি ভিন্ন প্রক্রিয়া রয়েছে: স্বতঃস্ফূর্ত নির্গমন, উদ্দীপিত নির্গমন এবং উদ্দীপিত শোষণ। বিপুল সংখ্যক কণাযুক্ত কোনো ব্যবস্থার ক্ষেত্রে, এই তিনটি প্রক্রিয়া সর্বদা সহাবস্থান করে এবং ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত থাকে।

স্বতঃস্ফূর্ত নির্গমন:

চিত্রে যেমন দেখানো হয়েছে: উচ্চ-শক্তি স্তর E2-তে থাকা একটি ইলেকট্রন স্বতঃস্ফূর্তভাবে নিম্ন-শক্তি স্তর E1-এ স্থানান্তরিত হয় এবং hv শক্তিবিশিষ্ট একটি ফোটন নির্গত করে, যেখানে hv=E2-E1; এই স্বতঃস্ফূর্ত এবং সম্পর্কহীন স্থানান্তর প্রক্রিয়াকে স্বতঃস্ফূর্ত স্থানান্তর বলা হয়, এবং স্বতঃস্ফূর্ত স্থানান্তরের ফলে নির্গত আলোক তরঙ্গকে স্বতঃস্ফূর্ত বিকিরণ বলা হয়।

স্বতঃস্ফূর্ত নিঃসরণের বৈশিষ্ট্য হলো: প্রতিটি ফোটন স্বাধীন, এদের দিক ও দশা ভিন্ন হয় এবং এদের আবির্ভাবের সময়ও এলোমেলো। এটি অসংলগ্ন এবং বিশৃঙ্খল আলোর অন্তর্ভুক্ত, যা লেজারের জন্য প্রয়োজনীয় আলো নয়। তাই, লেজার উৎপাদন প্রক্রিয়ায় এই ধরনের বিচ্ছুরিত আলো কমাতে হয়। বিভিন্ন লেজারের তরঙ্গদৈর্ঘ্যে বিচ্ছুরিত আলো থাকার এটিও একটি কারণ। ভালোভাবে নিয়ন্ত্রণ করা গেলে, লেজারে স্বতঃস্ফূর্ত নিঃসরণের অনুপাতকে উপেক্ষা করা যায়। লেজার যত বিশুদ্ধ হয়, যেমন ১০৬০ ন্যানোমিটার, এর পুরোটাই ১০৬০ ন্যানোমিটার, এই ধরনের লেজারের শোষণ হার এবং শক্তি তুলনামূলকভাবে স্থিতিশীল থাকে।

উদ্দীপিত শোষণ:

নিম্ন শক্তি স্তরের (নিম্ন অরবিটাল) ইলেকট্রন ফোটন শোষণ করার পর উচ্চতর শক্তি স্তরে (উচ্চ অরবিটাল) স্থানান্তরিত হয় এবং এই প্রক্রিয়াকে উদ্দীপিত শোষণ বলা হয়। উদ্দীপিত শোষণ অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ এবং এটি অন্যতম প্রধান পাম্পিং প্রক্রিয়া। লেজারের পাম্প উৎস ফোটন শক্তি সরবরাহ করে, যা গেইন মিডিয়ামের কণাগুলোকে স্থানান্তরিত হতে এবং উচ্চতর শক্তি স্তরে উদ্দীপিত বিকিরণের জন্য অপেক্ষা করতে উৎসাহিত করে, যার ফলে লেজার নির্গত হয়।

উদ্দীপিত বিকিরণ:

বাহ্যিক শক্তির (hv=E2-E1) আলো দ্বারা বিকিরিত হলে, উচ্চ শক্তি স্তরের ইলেকট্রনটি বাহ্যিক ফোটন দ্বারা উত্তেজিত হয় এবং নিম্ন শক্তি স্তরে লাফিয়ে পড়ে (উচ্চ কক্ষপথ নিম্ন কক্ষপথে চলে যায়)। একই সময়ে, এটি বাহ্যিক ফোটনটির হুবহু অনুরূপ একটি ফোটন নির্গত করে। এই প্রক্রিয়াটি মূল উদ্দীপক আলো শোষণ করে না, ফলে দুটি অভিন্ন ফোটন তৈরি হয়, যাকে এভাবে বোঝা যেতে পারে যে ইলেকট্রনটি পূর্বে শোষিত ফোটনটি নির্গত করে দেয়। এই আলোক নিঃসরণ প্রক্রিয়াকে উদ্দীপিত বিকিরণ বলা হয়, যা উদ্দীপিত শোষণের বিপরীত প্রক্রিয়া।

তত্ত্বটি পরিষ্কার হয়ে গেলে, একটি লেজার তৈরি করা খুব সহজ, যেমনটি উপরের চিত্রে দেখানো হয়েছে: পদার্থের স্থিতিশীলতার স্বাভাবিক অবস্থায়, সিংহভাগ ইলেকট্রন ভূমি অবস্থায় থাকে এবং লেজার উদ্দীপিত বিকিরণের উপর নির্ভর করে। অতএব, লেজারের গঠনটি হলো প্রথমে উদ্দীপিত শোষণের মাধ্যমে ইলেকট্রনগুলোকে উচ্চ শক্তি স্তরে নিয়ে আসা, এবং তারপর একটি উদ্দীপনা প্রদানের মাধ্যমে উচ্চ শক্তি স্তরের বিপুল সংখ্যক ইলেকট্রনকে উদ্দীপিত বিকিরণের মধ্য দিয়ে যেতে বাধ্য করা, যা ফোটন নির্গত করে। এর থেকে লেজার উৎপন্ন হতে পারে। এরপরে, আমরা লেজারের গঠন সম্পর্কে আলোচনা করব।

লেজার কাঠামো:

পূর্বে উল্লিখিত লেজার উৎপাদন শর্তগুলির সাথে লেজার কাঠামোটি এক এক করে মেলান:

সংঘটনের শর্ত এবং সংশ্লিষ্ট কাঠামো:

১. লেজারের কার্যকারী মাধ্যম হিসেবে একটি গেইন মাধ্যম থাকে যা বিবর্ধন প্রভাব প্রদান করে, এবং এর সক্রিয় কণাগুলোর একটি শক্তি স্তরের কাঠামো থাকে যা উদ্দীপিত বিকিরণ উৎপন্ন করার জন্য উপযুক্ত (প্রধানত ইলেকট্রনগুলোকে উচ্চ-শক্তি কক্ষপথে পাম্প করতে এবং একটি নির্দিষ্ট সময়ের জন্য সেখানে থাকতে সক্ষম, এবং তারপর উদ্দীপিত বিকিরণের মাধ্যমে একবারে ফোটন নির্গত করে);

২. একটি বাহ্যিক উদ্দীপক উৎস (পাম্প উৎস) থাকে যা ইলেকট্রনকে নিম্ন স্তর থেকে উচ্চ স্তরে পাম্প করতে পারে, যার ফলে লেজারের উচ্চ এবং নিম্ন স্তরের মধ্যে কণার সংখ্যার বিপরীতকরণ ঘটে (অর্থাৎ, যখন কম-শক্তির কণার চেয়ে উচ্চ-শক্তির কণা বেশি থাকে), যেমন YAG লেজারের জেনন ল্যাম্প;

৩. এখানে একটি রেজোনেন্ট ক্যাভিটি রয়েছে যা লেজার অসিলেশন ঘটাতে, লেজার ওয়ার্কিং মেটেরিয়ালের কার্যকরী দৈর্ঘ্য বাড়াতে, আলোক তরঙ্গ মোডকে স্ক্রিন করতে, বিমের প্রসারণের দিক নিয়ন্ত্রণ করতে এবং মনোক্রোমাটিসিটি উন্নত করার জন্য স্টিমুলেটেড রেডিয়েশন ফ্রিকোয়েন্সিকে বেছে বেছে বিবর্ধিত করতে পারে (এবং এটি নিশ্চিত করে যে লেজার একটি নির্দিষ্ট শক্তিতে আউটপুট হয়)।

সংশ্লিষ্ট কাঠামোটি উপরের চিত্রে দেখানো হয়েছে, যা একটি YAG লেজারের সরল কাঠামো। অন্যান্য কাঠামো আরও জটিল হতে পারে, কিন্তু মূলটি এটাই। লেজার উৎপাদন প্রক্রিয়াটি চিত্রে দেখানো হয়েছে:

লেজারের শ্রেণিবিভাগ: সাধারণত গেইন মিডিয়াম বা লেজার শক্তির ধরন অনুসারে শ্রেণিবদ্ধ করা হয়।

মাঝারি শ্রেণীবিভাগ অর্জন করুন:

কার্বন ডাই অক্সাইড লেজারকার্বন ডাই অক্সাইড লেজারের গেইন মাধ্যম হলো হিলিয়াম এবংCO2 লেজার,১০.৬ মাইক্রোমিটার লেজার তরঙ্গদৈর্ঘ্য সহ, যা বাজারে আসা প্রথম দিকের লেজার পণ্যগুলির মধ্যে অন্যতম। প্রাথমিক লেজার ওয়েল্ডিং মূলত কার্বন ডাই অক্সাইড লেজারের উপর ভিত্তি করে ছিল, যা বর্তমানে প্রধানত অধাতব পদার্থ (কাপড়, প্লাস্টিক, কাঠ, ইত্যাদি) ঝালাই এবং কাটার জন্য ব্যবহৃত হয়। এছাড়াও, এটি লিথোগ্রাফি মেশিনেও ব্যবহৃত হয়। কার্বন ডাই অক্সাইড লেজার অপটিক্যাল ফাইবারের মাধ্যমে প্রেরণ করা যায় না এবং এটি স্থানিক অপটিক্যাল পথের মাধ্যমে ভ্রমণ করে, প্রথম দিকের টংকুয়াই তুলনামূলকভাবে ভালোভাবে করা হয়েছিল এবং প্রচুর কাটিং সরঞ্জাম ব্যবহৃত হয়েছিল;

YAG (ইট্রিয়াম অ্যালুমিনিয়াম গারনেট) লেজার: নিওডিমিয়াম (Nd) বা ইট্রিয়াম (Yb) ধাতব আয়ন দ্বারা ডোপ করা YAG ক্রিস্টাল লেজার গেইন মিডিয়াম হিসেবে ব্যবহৃত হয়, যার নির্গমন তরঙ্গদৈর্ঘ্য ১.০৬ মাইক্রোমিটার। YAG লেজার উচ্চতর পালস আউটপুট করতে পারে, কিন্তু এর গড় শক্তি কম এবং সর্বোচ্চ শক্তি গড় শক্তির ১৫ গুণ পর্যন্ত হতে পারে। যেহেতু এটি মূলত একটি পালস লেজার, তাই অবিচ্ছিন্ন আউটপুট অর্জন করা সম্ভব নয়; কিন্তু এটি অপটিক্যাল ফাইবারের মাধ্যমে প্রেরণ করা যায় এবং একই সাথে ধাতব পদার্থের শোষণ হার বৃদ্ধি পায়, তাই এটি উচ্চ প্রতিফলন ক্ষমতাসম্পন্ন পদার্থে প্রয়োগ হতে শুরু করেছে এবং প্রথম 3C ক্ষেত্রে ব্যবহৃত হয়েছে।

ফাইবার লেজার: বর্তমানে বাজারে প্রচলিত মূলধারায় গেইন মিডিয়াম হিসেবে ইটারবিয়াম ডোপড ফাইবার ব্যবহৃত হয়, যার তরঙ্গদৈর্ঘ্য ১০৬০ ন্যানোমিটার। মিডিয়ামের আকৃতির উপর ভিত্তি করে একে ফাইবার এবং ডিস্ক লেজারে বিভক্ত করা হয়; ফাইবার অপটিক বলতে আইপিজি (IPG) এবং ডিস্ক বলতে টংকুয়াই (Tongkuai) বোঝানো হয়।

সেমিকন্ডাক্টর লেজার: এর গেইন মিডিয়াম হলো একটি সেমিকন্ডাক্টর পিএন জাংশন, এবং সেমিকন্ডাক্টর লেজারের তরঙ্গদৈর্ঘ্য প্রধানত ৯৭৬ ন্যানোমিটারে হয়ে থাকে। বর্তমানে, সেমিকন্ডাক্টর নিয়ার-ইনফ্রারেড লেজারগুলো প্রধানত ক্ল্যাডিং-এর জন্য ব্যবহৃত হয়, যেগুলোর আলোকবিন্দু ৬০০ মাইক্রোমিটারের বেশি। লেজারলাইন হলো সেমিকন্ডাক্টর লেজারের একটি প্রতিনিধিত্বকারী প্রতিষ্ঠান।

শক্তির ক্রিয়ার ধরণ অনুসারে শ্রেণিবিভাগ: পালস লেজার (PULSE), কোয়াসি কন্টিনিউয়াস লেজার (QCW), কন্টিনিউয়াস লেজার (CW)

পালস লেজার: ন্যানোসেকেন্ড, পিকোসেকেন্ড, ফেমটোসেকেন্ড, এই উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সির পালস লেজার (ns, পালস প্রস্থ) প্রায়শই উচ্চ পিক এনার্জি এবং উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি (MHZ) প্রক্রিয়াকরণ করতে পারে, যা মূলত পাতলা তামা এবং অ্যালুমিনিয়ামের মতো ভিন্ন ভিন্ন পদার্থের প্রক্রিয়াকরণ এবং পরিষ্কারের কাজে ব্যবহৃত হয়। উচ্চ পিক এনার্জি ব্যবহার করে, এটি কম কার্যকাল এবং ছোট তাপ-প্রভাবিত অঞ্চলের মাধ্যমে দ্রুত মূল পদার্থকে গলিয়ে ফেলতে পারে। অতি-পাতলা পদার্থ (০.৫ মিমি-এর নিচে) প্রক্রিয়াকরণে এর সুবিধা রয়েছে;

কোয়াসি কন্টিনিউয়াস লেজার (QCW): উচ্চ পুনরাবৃত্তি হার এবং কম ডিউটি ​​সাইকেলের (৫০% এর নিচে) কারণে, এর পালস প্রস্থQCW লেজারএর সময়কাল ৫০ মাইক্রোসেকেন্ড থেকে ৫০ মিলিসেকেন্ড পর্যন্ত পৌঁছায়, যা কিলোওয়াট স্তরের কন্টিনিউয়াস ফাইবার লেজার এবং কিউ-সুইচড পালস লেজারের মধ্যবর্তী শূন্যস্থান পূরণ করে; একটি কোয়াসি কন্টিনিউয়াস ফাইবার লেজারের সর্বোচ্চ শক্তি কন্টিনিউয়াস মোডে পরিচালনার সময় গড় শক্তির ১০ গুণ পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে। QCW লেজারগুলিতে সাধারণত দুটি মোড থাকে, একটি হলো কম শক্তিতে কন্টিনিউয়াস ওয়েল্ডিং, এবং অন্যটি হলো গড় শক্তির ১০ গুণ সর্বোচ্চ শক্তিসহ পালসড লেজার ওয়েল্ডিং, যার মাধ্যমে আরও পুরু উপাদান এবং অধিক তাপে ওয়েল্ডিং করা সম্ভব, এবং একই সাথে তাপকে একটি খুব ছোট পরিসরের মধ্যে নিয়ন্ত্রণ করা যায়;

কন্টিনিউয়াস লেজার (CW): এটি সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত হয় এবং বাজারে উপলব্ধ বেশিরভাগ লেজারই হলো CW লেজার, যা ওয়েল্ডিং প্রক্রিয়ার জন্য অবিচ্ছিন্নভাবে লেজার রশ্মি নির্গত করে। ফাইবার লেজারগুলোকে বিভিন্ন কোর ডায়ামিটার এবং বিম কোয়ালিটি অনুসারে সিঙ্গেল-মোড এবং মাল্টি-মোড লেজারে ভাগ করা হয় এবং এগুলোকে বিভিন্ন অ্যাপ্লিকেশন সিনারিওর সাথে খাপ খাইয়ে নেওয়া যায়।