لیزر جنریشن کا اصول

ہمیں لیزرز کے اصول کو جاننے کی ضرورت کیوں ہے؟

عام سیمی کنڈکٹر لیزرز، ریشوں، ڈسکس اور کے درمیان فرق کو جانناYAG لیزرانتخاب کے عمل کے دوران بہتر تفہیم حاصل کرنے اور مزید بات چیت میں مشغول ہونے میں بھی مدد کر سکتے ہیں۔

مضمون بنیادی طور پر مشہور سائنس پر مرکوز ہے: لیزر جنریشن کے اصول کا ایک مختصر تعارف، لیزرز کی بنیادی ساخت، اور لیزرز کی کئی عام اقسام۔

سب سے پہلے، لیزر نسل کے اصول

لیزر روشنی اور مادے کے درمیان تعامل کے ذریعے پیدا ہوتا ہے، جسے محرک تابکاری امپلیفیکیشن کہا جاتا ہے۔ محرک ریڈی ایشن ایمپلیفیکیشن کو سمجھنے کے لیے آئن اسٹائن کے بے ساختہ اخراج، محرک جذب، اور محرک تابکاری کے ساتھ ساتھ کچھ ضروری نظریاتی بنیادوں کو سمجھنے کی ضرورت ہے۔

نظریاتی بنیاد 1: بوہر ماڈل

بوہر ماڈل بنیادی طور پر ایٹموں کی اندرونی ساخت فراہم کرتا ہے، جس سے یہ سمجھنا آسان ہو جاتا ہے کہ لیزر کیسے ہوتے ہیں۔ ایک ایٹم نیوکلئس اور نیوکلئس کے باہر الیکٹرانوں پر مشتمل ہوتا ہے، اور الیکٹرانوں کے مدار صوابدیدی نہیں ہوتے ہیں۔ الیکٹران کے صرف کچھ مدار ہوتے ہیں، جن میں سے سب سے اندرونی مدار کو زمینی حالت کہتے ہیں۔ اگر الیکٹران زمینی حالت میں ہے تو اس کی توانائی سب سے کم ہے۔ اگر ایک الیکٹران مدار سے باہر چھلانگ لگاتا ہے، تو اسے پہلی پرجوش حالت کہا جاتا ہے، اور پہلی پرجوش حالت کی توانائی زمینی حالت سے زیادہ ہوگی۔ ایک اور مدار کو دوسری پرجوش حالت کہا جاتا ہے۔

لیزر ہونے کی وجہ یہ ہے کہ اس ماڈل میں الیکٹران مختلف مداروں میں حرکت کریں گے۔ اگر الیکٹران توانائی جذب کرتے ہیں، تو وہ زمینی حالت سے پرجوش حالت میں چل سکتے ہیں۔ اگر ایک الیکٹران پرجوش حالت سے زمینی حالت میں واپس آجاتا ہے، تو یہ توانائی جاری کرے گا، جو اکثر لیزر کی شکل میں خارج ہوتی ہے۔

نظریاتی بنیاد 2: آئن سٹائن کا محرک ریڈی ایشن تھیوری

1917 میں، آئن سٹائن نے محرک تابکاری کا نظریہ پیش کیا، جو لیزرز اور لیزر کی پیداوار کی نظریاتی بنیاد ہے: مادے کا جذب یا اخراج بنیادی طور پر تابکاری کے میدان اور مادے کو بنانے والے ذرات کے درمیان تعامل کا نتیجہ ہے، اور اس کا بنیادی حصہ۔ جوہر مختلف توانائی کی سطحوں کے درمیان ذرات کی منتقلی ہے۔ روشنی اور مادے کے درمیان تعامل میں تین مختلف عمل ہیں: بے ساختہ اخراج، محرک اخراج، اور محرک جذب۔ ایک ایسے نظام کے لیے جس میں ذرّات کی ایک بڑی تعداد ہوتی ہے، یہ تینوں عمل ہمیشہ ایک ساتھ رہتے ہیں اور ان کا گہرا تعلق ہے۔

بے ساختہ اخراج:

جیسا کہ تصویر میں دکھایا گیا ہے: اعلی توانائی کی سطح E2 پر ایک الیکٹران بے ساختہ کم توانائی کی سطح E1 پر منتقل ہوتا ہے اور hv کی توانائی کے ساتھ فوٹوون خارج کرتا ہے، اور hv=E2-E1؛ اس بے ساختہ اور غیر متعلقہ منتقلی کے عمل کو spontaneous transition کہا جاتا ہے، اور spontaneous transitions سے خارج ہونے والی روشنی کی لہروں کو spontaneous radiation کہا جاتا ہے۔

بے ساختہ اخراج کی خصوصیات: ہر فوٹون آزاد ہے، مختلف سمتوں اور مراحل کے ساتھ، اور ظہور کا وقت بھی بے ترتیب ہے۔ اس کا تعلق متضاد اور افراتفری والی روشنی سے ہے، جو لیزر کو درکار روشنی نہیں ہے۔ لہذا، لیزر نسل کے عمل کو اس قسم کی آوارہ روشنی کو کم کرنے کی ضرورت ہے۔ یہ بھی ایک وجہ ہے کہ مختلف لیزرز کی طول موج میں آوارہ روشنی ہوتی ہے۔ اگر اچھی طرح سے کنٹرول کیا جائے تو لیزر میں بے ساختہ اخراج کے تناسب کو نظر انداز کیا جا سکتا ہے۔ لیزر جتنا خالص ہے، جیسے 1060 nm، یہ سب 1060 nm ہے، اس قسم کے لیزر میں جذب کی شرح اور طاقت نسبتاً مستحکم ہوتی ہے۔

حوصلہ افزائی جذب:

کم توانائی کی سطح پر الیکٹران (کم مدار)، فوٹون کو جذب کرنے کے بعد، اعلی توانائی کی سطح (اعلی مدار) میں منتقلی، اور اس عمل کو محرک جذب کہا جاتا ہے۔ حوصلہ افزائی جذب اہم ہے اور پمپنگ کے کلیدی عملوں میں سے ایک ہے۔ لیزر کا پمپ ماخذ فوٹان توانائی فراہم کرتا ہے تاکہ حاصل کرنے والے ذرات کو منتقلی کی طرف لے جا سکے اور اعلی توانائی کی سطح پر محرک تابکاری کا انتظار کریں، لیزر کا اخراج۔

محرک تابکاری:

جب بیرونی توانائی (hv=E2-E1) کی روشنی سے شعاع کیا جاتا ہے، تو اعلی توانائی کی سطح پر الیکٹران بیرونی فوٹوون سے پرجوش ہوتا ہے اور کم توانائی کی سطح پر چھلانگ لگاتا ہے (اعلی مدار کم مدار کی طرف چلتا ہے)۔ ایک ہی وقت میں، یہ ایک ایسے فوٹون کا اخراج کرتا ہے جو بالکل بیرونی فوٹوون جیسا ہوتا ہے۔ یہ عمل اصل جوش کی روشنی کو جذب نہیں کرتا، اس لیے دو ایک جیسے فوٹون ہوں گے، جن کو سمجھا جا سکتا ہے کہ الیکٹران پہلے سے جذب شدہ فوٹوون کو باہر پھینک دیتا ہے، اس روشنی کے عمل کو محرک ریڈی ایشن کہا جاتا ہے، جو محرک جذب کا الٹا عمل ہے۔

نظریہ واضح ہونے کے بعد، لیزر بنانا بہت آسان ہے، جیسا کہ اوپر کی تصویر میں دکھایا گیا ہے: مادی استحکام کی عام حالات میں، الیکٹران کی اکثریت زمینی حالت میں ہوتی ہے، الیکٹران زمینی حالت میں ہوتے ہیں، اور لیزر انحصار کرتا ہے۔ حوصلہ افزائی تابکاری. لہذا، لیزر کا ڈھانچہ یہ ہے کہ پہلے محرک جذب ہونے کی اجازت دی جائے، الیکٹرانوں کو اعلی توانائی کی سطح پر لایا جائے، اور پھر ایک حوصلہ افزائی فراہم کی جائے جس سے بڑی تعداد میں اعلی توانائی کی سطح کے الیکٹرانوں کو محرک تابکاری سے گزرنا پڑے، فوٹان جاری کیے جائیں، اس سے، لیزر پیدا کیا جا سکتا ہے. اگلا، ہم لیزر ڈھانچہ متعارف کرائیں گے.

لیزر ساخت:

لیزر کے ڈھانچے کو لیزر جنریشن کے حالات کے ساتھ جوڑیں جن کا ذکر پہلے ایک ایک کرکے کیا گیا ہے:

وقوع کی حالت اور متعلقہ ساخت:

1. ایک گین میڈیم ہے جو لیزر ورکنگ میڈیم کے طور پر ایمپلیفیکیشن اثر فراہم کرتا ہے، اور اس کے متحرک ذرات میں توانائی کی سطح کا ڈھانچہ ہوتا ہے جو محرک تابکاری پیدا کرنے کے لیے موزوں ہوتا ہے (بنیادی طور پر الیکٹرانوں کو اعلی توانائی والے مداروں میں پمپ کرنے کے قابل ہوتا ہے اور ایک خاص مدت کے لیے موجود ہوتا ہے۔ ، اور پھر محرک تابکاری کے ذریعے ایک سانس میں فوٹان جاری کریں)

2. ایک بیرونی حوصلہ افزائی کا ذریعہ (پمپ سورس) ہے جو الیکٹرانوں کو نچلی سطح سے اوپری سطح تک پمپ کر سکتا ہے، جس سے لیزر کی اوپری اور نچلی سطح کے درمیان پارٹیکل نمبر الٹ جاتا ہے (یعنی، جب وہاں زیادہ توانائی والے ذرات ہوتے ہیں۔ کم توانائی والے ذرات)، جیسے YAG لیزرز میں زینون لیمپ؛

3. ایک گونجنے والی گہا ہے جو لیزر دولن کو حاصل کر سکتی ہے، لیزر ورکنگ میٹریل کی کام کی لمبائی کو بڑھا سکتی ہے، لائٹ ویو موڈ کو اسکرین کر سکتی ہے، بیم کے پھیلاؤ کی سمت کو کنٹرول کر سکتی ہے، یک رنگی کو بہتر بنانے کے لیے محرک تابکاری کی فریکوئنسی کو منتخب طور پر بڑھا سکتی ہے (اس بات کو یقینی بنانا کہ لیزر ایک خاص توانائی پر آؤٹ پٹ ہوتا ہے)۔

متعلقہ ڈھانچہ اوپر کے اعداد و شمار میں دکھایا گیا ہے، جو YAG لیزر کا ایک سادہ ڈھانچہ ہے۔ دیگر ڈھانچے زیادہ پیچیدہ ہوسکتے ہیں، لیکن بنیادی یہ ہے. لیزر پیدا کرنے کا عمل تصویر میں دکھایا گیا ہے:

لیزر کی درجہ بندی: عام طور پر گین میڈیم یا لیزر انرجی فارم کے ذریعے درجہ بندی کی جاتی ہے۔

درمیانی درجہ بندی حاصل کریں:

کاربن ڈائی آکسائیڈ لیزر: کاربن ڈائی آکسائیڈ لیزر کا حاصل کرنے والا ذریعہ ہیلیم اور ہے۔CO2 لیزر،10.6um کی لیزر طول موج کے ساتھ، جو لانچ ہونے والی ابتدائی لیزر مصنوعات میں سے ایک ہے۔ ابتدائی لیزر ویلڈنگ بنیادی طور پر کاربن ڈائی آکسائیڈ لیزر پر مبنی تھی، جو فی الحال بنیادی طور پر غیر دھاتی مواد (کپڑے، پلاسٹک، لکڑی وغیرہ) کو ویلڈنگ اور کاٹنے کے لیے استعمال ہوتی ہے۔ اس کے علاوہ اسے لیتھوگرافی مشینوں پر بھی استعمال کیا جاتا ہے۔ کاربن ڈائی آکسائیڈ لیزر آپٹیکل ریشوں کے ذریعے منتقل نہیں کیا جا سکتا اور مقامی آپٹیکل راستوں سے سفر کرتا ہے، قدیم ترین ٹونگکوئی نسبتاً اچھی طرح سے کیا گیا تھا، اور بہت زیادہ کاٹنے کا سامان استعمال کیا گیا تھا۔

YAG (یٹریئم ایلومینیم گارنیٹ) لیزر: نیوڈیمیم (Nd) یا yttrium (Yb) دھاتی آئنوں کے ساتھ ڈوپڈ YAG کرسٹل لیزر گین میڈیم کے طور پر استعمال ہوتے ہیں، جس کی اخراج طول موج 1.06um ہے۔ YAG لیزر زیادہ دالیں نکال سکتا ہے، لیکن اوسط طاقت کم ہے، اور چوٹی کی طاقت اوسط طاقت سے 15 گنا تک پہنچ سکتی ہے۔ اگر یہ بنیادی طور پر پلس لیزر ہے، تو مسلسل پیداوار حاصل نہیں کی جا سکتی۔ لیکن یہ آپٹیکل ریشوں کے ذریعے منتقل کیا جا سکتا ہے، اور اسی وقت، دھاتی مواد کی جذب کی شرح بڑھ جاتی ہے، اور یہ اعلی عکاسی والے مواد میں لاگو ہونا شروع ہو گیا ہے، جو پہلے 3C فیلڈ میں لاگو ہوتا ہے۔

فائبر لیزر: مارکیٹ میں موجودہ مین اسٹریم 1060nm کی طول موج کے ساتھ ytterbium ڈوپڈ فائبر کو حاصل کرنے والے میڈیم کے طور پر استعمال کرتا ہے۔ میڈیم کی شکل کی بنیاد پر اسے مزید فائبر اور ڈسک لیزرز میں تقسیم کیا گیا ہے۔ فائبر آپٹک آئی پی جی کی نمائندگی کرتا ہے، جبکہ ڈسک ٹونگکوئی کی نمائندگی کرتی ہے۔

سیمی کنڈکٹر لیزر: گین میڈیم ایک سیمی کنڈکٹر پی این جنکشن ہے، اور سیمی کنڈکٹر لیزر کی طول موج بنیادی طور پر 976nm ہے۔ فی الحال، سیمی کنڈکٹر کے قریب اورکت لیزرز بنیادی طور پر 600um سے اوپر کے ہلکے دھبوں کے ساتھ کلیڈنگ کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ لیزر لائن سیمی کنڈکٹر لیزرز کا ایک نمائندہ ادارہ ہے۔

انرجی ایکشن کی شکل کے لحاظ سے درجہ بندی: پلس لیزر (پلس)، نیم مسلسل لیزر (QCW)، مسلسل لیزر (CW)

پلس لیزر: نینو سیکنڈ، پکوسیکنڈ، فیمٹوسیکنڈ، یہ ہائی فریکوئنسی پلس لیزر (این ایس، پلس چوڑائی) اکثر اعلی چوٹی توانائی، ہائی فریکوئنسی (MHZ) پروسیسنگ حاصل کر سکتا ہے، جو پتلے تانبے اور ایلومینیم کے مختلف مواد کی پروسیسنگ کے ساتھ ساتھ زیادہ تر صفائی کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ . اعلی چوٹی توانائی کا استعمال کرتے ہوئے، یہ تیزی سے بنیادی مواد کو پگھلا سکتا ہے، کم کارروائی کے وقت اور چھوٹے گرمی سے متاثرہ زون کے ساتھ. الٹرا پتلی مواد کی پروسیسنگ میں اس کے فوائد ہیں (0.5 ملی میٹر سے نیچے)؛

ارد گرد مسلسل لیزر (QCW): زیادہ تکرار کی شرح اور کم ڈیوٹی سائیکل (50% سے نیچے) کی وجہ سے، نبض کی چوڑائیQCW لیزرکلو واٹ کی سطح کے مسلسل فائبر لیزر اور Q-switched پلس لیزر کے درمیان خلا کو پُر کرتے ہوئے، 50 us-50 ms تک پہنچ جاتا ہے۔ ایک نیم مسلسل فائبر لیزر کی چوٹی کی طاقت مسلسل موڈ آپریشن کے تحت اوسط طاقت سے 10 گنا تک پہنچ سکتی ہے۔ کیو سی ڈبلیو لیزرز میں عام طور پر دو طریقے ہوتے ہیں، ایک کم پاور پر لگاتار ویلڈنگ، اور دوسرا پلس لیزر ویلڈنگ ہے جس کی چوٹی پاور اوسط سے 10 گنا زیادہ ہے، جو موٹی میٹریل اور زیادہ ہیٹ ویلڈنگ حاصل کر سکتی ہے، جبکہ گرمی کو بھی کنٹرول کرتی ہے۔ بہت چھوٹی رینج؛

مسلسل لیزر (CW): یہ سب سے زیادہ استعمال کیا جاتا ہے، اور مارکیٹ میں نظر آنے والے زیادہ تر لیزرز CW لیزر ہیں جو ویلڈنگ پروسیسنگ کے لیے مسلسل لیزر آؤٹ پٹ کرتے ہیں۔ فائبر لیزرز کو مختلف بنیادی قطروں اور بیم کی خصوصیات کے مطابق سنگل موڈ اور ملٹی موڈ لیزرز میں تقسیم کیا گیا ہے، اور انہیں مختلف ایپلیکیشن منظرناموں کے مطابق ڈھالا جا سکتا ہے۔