लेज़र असल में कैसे काम करता है

टॉर्च दीवार पर मारिए और रोशनी फैल जाती है, हर रंग मिला देती है, और उसकी तरंगें एक-दूसरे से बिना किसी तालमेल के उठती-गिरती हैं। लेज़र तीनों मामलों में उलटा करता है: एक रंग, एक दिशा, और हर तरंग-शिखर बाक़ी सबके साथ क़तार में। यही आख़िरी गुण, संसक्ति (coherence), वह पूरी वजह है कि चावल के दाने जितना उपकरण समुद्र पार फ़ाइबर में डेटा धकेल सकता है, और उससे बड़ा एक स्टील की चादर जला सकता है।

स्वतःस्फूर्त बनाम उद्दीपित उत्सर्जन

परमाणु अपने इलेक्ट्रॉनों को निश्चित ऊर्जा स्तरों पर रखता है। इलेक्ट्रॉन को ऊर्जा दीजिए और वह ऊँचे स्तर पर चला जाता है; देर-सबेर वह वापस गिरता है और अंतर की ऊर्जा फ़ोटॉन के रूप में छोड़ देता है। साधारण लैंप में यह स्वतःस्फूर्त होता है — हर परमाणु जब मन हो तब, किसी भी दिशा में, किसी भी कला में उत्सर्जन करता है। नतीजा असंसक्त प्रकाश।

आइंस्टीन ने 1917 में दूसरी संभावना बताई। अगर ठीक सही ऊर्जा वाला फ़ोटॉन ऐसे परमाणु के पास से गुज़रे जो पहले से उत्तेजित है, तो वह उसे जल्दी गिरने के लिए उकसा सकता है, और निकलने वाला फ़ोटॉन गुज़रने वाले जैसा भर नहीं होता — वह तरंगदैर्घ्य, दिशा, कला और ध्रुवण में एकदम समान होता है। यही उद्दीपित उत्सर्जन है, जो एक फ़ोटॉन को दो अभेद्य फ़ोटॉनों में बदल देता है। इसे काफ़ी बार दोहराइए और आपके पास ऐसी किरण होगी जिसका हर फ़ोटॉन बाक़ी सबकी नक़ल है।

जनसंख्या प्रतिलोमन: इसके लिए मेहनत क्यों चाहिए

एक अड़चन है। मूल अवस्था वाला परमाणु गुज़रते फ़ोटॉन को सोख लेगा, उससे उद्दीपित नहीं होगा। किसी भी साधारण पदार्थ में उत्तेजित से कहीं ज़्यादा परमाणु मूल अवस्था में बैठे होते हैं, इसलिए अवशोषण भारी पड़ता है और किरण बढ़ने के बजाय क्षीण होती है।

प्रवर्धन के लिए वह अस्वाभाविक स्थिति चाहिए जहाँ उत्तेजित परमाणु ग़ैर-उत्तेजित से ज़्यादा हों — यानी जनसंख्या प्रतिलोमन। इसके लिए बाहर से ऊर्जा चाहिए, जिसे पंपिंग कहते हैं: फ़्लैश लैंप, कोई दूसरा लेज़र, विद्युत विसर्जन, या सेमीकंडक्टर संधि से बहती धारा।

सीधे दो-स्तरीय तंत्र का प्रतिलोमन हो ही नहीं सकता, क्योंकि जो प्रकाश परमाणुओं को उत्तेजित करता है वही उन्हें नीचे भी गिरा देता है, और ज़्यादा से ज़्यादा बराबर बँटवारा मिलता है। इसलिए व्यावहारिक लेज़र तीन-स्तरीय या चार-स्तरीय योजनाएँ इस्तेमाल करते हैं, जिनमें परमाणु अल्पजीवी ऊँची अवस्था तक पंप किए जाते हैं, तेज़ी से लंबी उम्र वाली मेटास्टेबल अवस्था में गिरते हैं, और वहाँ से ऐसे स्तर तक लेज़िंग करते हैं जो जल्दी ख़ाली हो जाता है। उम्र का यही असंतुलन ऊपरी स्तर को भरने देता है जबकि निचला ख़ाली बना रहता है।

लेज़र दोनों सिरों पर दर्पण लगा एक प्रवर्धक है। सामने से जो निकलता है वह प्रकाश का वही छोटा हिस्सा है जिसे डिज़ाइनर ने जान-बूझकर बाहर जाने दिया।

गुहा: प्रवर्धन को किरण में बदलना

जनसंख्या प्रतिलोमन वाला गेन माध्यम उससे गुज़रते प्रकाश को बढ़ाता है, पर एक बार गुज़रने से बहुत कम बढ़त मिलती है। इसलिए माध्यम को प्रकाशिक गुहा के भीतर रखा जाता है — आमने-सामने दो दर्पण, एक पूरी तरह परावर्तक, दूसरा आंशिक रूप से पारदर्शी। प्रकाश आगे-पीछे टकराता है, हर चक्कर में मज़बूत होता है, और आउटपुट दर्पण से रिसने वाला छोटा हिस्सा ही किरण है।

गुहा सिर्फ़ तीव्रता नहीं बढ़ाती, चुनती भी है: सिर्फ़ वही प्रकाश जो लगभग ठीक अक्ष के साथ चलता है कई चक्कर बच पाता है — इसीलिए किरण इतनी दिशात्मक होती है; और सिर्फ़ वही तरंगदैर्घ्य अनुनाद करते हैं जो दर्पणों के बीच पूरी संख्या में अर्ध-तरंगों में बैठ जाएँ — इससे रंग और तीखा होता है। लेज़िंग देहली तब आती है जब प्रति चक्कर लाभ हानियों से ज़्यादा हो जाए; उससे नीचे उपकरण महज़ एक मद्धिम लैंप है।

किरण सतत तरंग में चल सकती है, या क्यू-स्विचिंग व मोड-लॉकिंग जैसी तकनीकों से स्पंदित की जा सकती है। मोड-लॉकिंग ऊर्जा को फेम्टोसेकंड तक छोटी स्पंदों में समेट देती है, और चूँकि शिखर शक्ति ऊर्जा बँटा अवधि होती है, ऐसी स्पंदें भारी तीव्रता तक पहुँचती हैं पर कुल ऊष्मा बहुत कम छोड़ती हैं — यही उन्हें नाज़ुक नेत्र शल्य और सूक्ष्म मशीनिंग के लिए सुरक्षित बनाता है।

मुख्य परिवार

• सेमीकंडक्टर डायोड लेज़र संख्या में सबसे ज़्यादा हैं। अग्र-अभिनत p-n संधि इलेक्ट्रॉन और होल एक सक्रिय क्षेत्र में भेजती है जहाँ वे पुनर्संयोजित होकर प्रकाश छोड़ते हैं, और क्रिस्टल के कटे फलक दर्पण का काम करते हैं। ये नन्हे, कुशल और सस्ते हैं, और हर फ़ाइबर-ऑप्टिक ट्रांसमिटर, बारकोड स्कैनर व लेज़र पॉइंटर में बैठे हैं।
• ठोस-अवस्था लेज़र आयन-मिश्रित क्रिस्टल या काँच इस्तेमाल करते हैं — Nd:YAG इनका घोड़ा है — जिन्हें फ़्लैश लैंप या डायोड से पंप किया जाता है। फ़ाइबर लेज़र, जिनमें गेन माध्यम एक डोप्ड ऑप्टिकल फ़ाइबर होता है, औद्योगिक कटाई व वेल्डिंग का बड़ा हिस्सा ले चुके हैं क्योंकि उनकी लंबी-पतली बनावट ऊष्मा आसानी से छोड़ती है और किरण की गुणवत्ता बेहतरीन देती है।
• गैस लेज़र जैसे हीलियम-नियॉन और कार्बन डाइऑक्साइड विद्युत विसर्जन से उत्तेजित होते हैं। दूर-अवरक्त में उत्सर्जन करने वाला CO₂ लेज़र आज भी ग़ैर-धातुओं की कटाई में ख़ूब इस्तेमाल होता है।
• अन्य ख़ास ज़रूरतें पूरी करते हैं: डाई लेज़र तरंगदैर्घ्य की एक श्रेणी में ट्यून हो सकते हैं, और पराबैंगनी एक्साइमर लेज़र ऊतक को इतनी सफ़ाई से हटाते हैं कि दृष्टि-सुधार शल्य उन्हीं पर टिकी है।

उपयोग इन्हीं गुणों से निकलते हैं। दिशात्मकता दूरी-मापन व संरेखण देती है — जिसमें अपोलो अभियानों के छोड़े रेट्रोरिफ़्लेक्टरों से पृथ्वी–चंद्रमा दूरी का माप भी शामिल है। एकवर्णता व संसक्ति स्पेक्ट्रोस्कोपी, होलोग्राफ़ी और व्यतिकरणमिति देती हैं — गुरुत्वीय तरंग खोज इसी तकनीक पर खड़ी है। संकेंद्रित शक्ति कटाई, वेल्डिंग और शल्य देती है। और डायोड को सेकंड में अरबों बार चालू-बंद कर पाने की क्षमता प्रकाशिक संचार देती है, जो लगभग सारा लंबी दूरी का इंटरनेट ट्रैफ़िक ढोता है।

विद्यार्थियों और शोधकर्ताओं के लिए क्यों मायने रखता है

लेज़र वह जगह है जहाँ क्वांटम यांत्रिकी, विद्युतचुंबकत्व और पदार्थ विज्ञान एक कार्यमेज़ पर मिलते हैं, और यह भौतिकी के सबसे उपजाऊ उपकरण-निर्माण क्षेत्रों में बना हुआ है — कई नोबेल पुरस्कार लेज़र सिद्धांत को नहीं, लेज़र तकनीकों को मिले हैं, क्योंकि यह यंत्र नए क्षेत्र खोलता रहता है। लेज़र शीतलन ने अति-शीत परमाणु व प्रकाशिक घड़ियाँ संभव कीं; फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब ने प्रकाशिक आवृत्ति मापन को रोज़मर्रा का काम बना दिया; अति-तीव्र स्पंदों ने रसायनज्ञों को बंध टूटते हुए वास्तविक समय में दिखाया। उच्च-शक्ति फ़ाइबर तंत्र, कठिन तरंगदैर्घ्यों पर सेमीकंडक्टर स्रोत, एटोसेकंड स्पंद और क्वांटम प्रकाश पर शोध जारी है। पीयर-रिव्यूड साहित्य का अनुसरण करके ही भौतिकी व इंजीनियरिंग के छात्र प्रकाशिकी और फ़ोटोनिक्स की उस रफ़्तार के साथ चलते हैं जिसे पाठ्यपुस्तकें पकड़ नहीं पातीं।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

LASER शब्द का पूरा अर्थ क्या है?

यह Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation का संक्षिप्त रूप है, यानी उद्दीपित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश का प्रवर्धन। नाम ठीक वही क्रियाविधि बताता है: प्रकाश इसलिए बढ़ता है क्योंकि उत्तेजित परमाणु गुज़रते फ़ोटॉनों से उकसकर उनकी हूबहू नक़लें छोड़ते हैं।

जनसंख्या प्रतिलोमन क्या है और यह क्यों ज़रूरी है?

जनसंख्या प्रतिलोमन वह स्थिति है जिसमें गेन माध्यम के उत्तेजित अवस्था वाले परमाणु निचली अवस्था वालों से ज़्यादा हो जाएँ। इसके बिना मूल-अवस्था परमाणुओं का अवशोषण उद्दीपित उत्सर्जन पर भारी पड़ता है और किरण बढ़ने के बजाय कमज़ोर होती है, इसलिए लेज़िंग हो ही नहीं सकती।

लेज़र प्रकाश एक ही रंग का और पतली किरण क्यों होता है?

दोनों गुण उद्दीपित उत्सर्जन और प्रकाशिक गुहा से आते हैं। उद्दीपित फ़ोटॉन उन्हीं फ़ोटॉनों जैसे होते हैं जो उन्हें उकसाते हैं, इसलिए तरंगदैर्घ्य टिका रहता है; और सिर्फ़ वही प्रकाश जो गुहा की अक्ष के साथ चले और दर्पणों के बीच अनुनाद करे, इतने चक्कर बचता है कि बढ़ सके — अक्ष से हटा और दूसरी तरंगदैर्घ्य वाला प्रकाश मर जाता है।

लेज़र के मुख्य प्रकार कौन-से हैं?

बड़े परिवार हैं सेमीकंडक्टर डायोड लेज़र, Nd:YAG व डोप्ड-फ़ाइबर जैसे ठोस-अवस्था लेज़र, हीलियम-नियॉन व कार्बन डाइऑक्साइड जैसे गैस लेज़र, और ट्यून होने वाले डाई लेज़र व पराबैंगनी एक्साइमर लेज़र जैसे विशेष प्रकार। ये गेन माध्यम, पंपिंग विधि, तरंगदैर्घ्य और शक्ति में अलग होते हैं, और हर एक अलग कामों के लिए उपयुक्त है।