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लेज़र: उद्दीप्त उत्सर्जन से प्रकाश की किरण कैसे बनती है

LASER का पूरा नाम है Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, यानी विकिरण के उद्दीप्त उत्सर्जन से प्रकाश का प्रवर्धन। पंप परमाणुओं को ऊँचे ऊर्जा स्तर पर पहुँचाता है। सही ऊर्जा का फ़ोटॉन उत्तेजित परमाणु के पास से गुज़रे तो परमाणु एक बिल्कुल एक-जैसा दूसरा फ़ोटॉन छोड़ता है। जब उत्तेजित परमाणु ज़्यादा हों (समष्टि प्रतिलोमन) और दोनों सिरों पर दर्पण हों, तो प्रकाश बढ़ते-बढ़ते पतली, एक रंग की, कला-संबद्ध किरण बन जाता है। X-किरणें भी ऊँची ऊर्जा का प्रकाश हैं, जो तेज़ इलेक्ट्रॉनों के धातु से टकराने पर बनती हैं।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. अवशोषण: फ़ोटॉन परमाणु से टकराता है। परमाणु ऊर्जा ले लेता है और इलेक्ट्रॉन ऊपर के स्तर पर कूद जाता है।
  2. स्वतः उत्सर्जन: उत्तेजित परमाणु अपने आप नीचे आता है और किसी भी दिशा में फ़ोटॉन छोड़ता है।
  3. उद्दीप्त उत्सर्जन: गुज़रता फ़ोटॉन उत्तेजित परमाणु से जुड़वाँ फ़ोटॉन निकलवाता है: वही दिशा, वही रंग, एक ही ताल में।
  4. समष्टि प्रतिलोमन: पंप ज़्यादातर परमाणुओं को उत्तेजित रखता है। अब नकल बनना अवशोषण से तेज़ होता है।
  5. दो दर्पण प्रकाश को आगे-पीछे भेजते हैं, हर चक्कर में वह बढ़ता है। आंशिक दर्पण से किरण बाहर आती है।
  6. खुद करो: पंप बदलो। आधे से कम परमाणु उत्तेजित हों तो किरण बुझ जाती है।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

नया फ़ोटॉन किसी भी दिशा में क्यों नहीं जाता?

उद्दीप्त उत्सर्जन में नया फ़ोटॉन उकसाने वाले की नकल है, इसलिए दोनों साथ चलते हैं। चरण 3 देखो।

पंप क्यों चाहिए?

ऊर्जा न मिले तो परमाणु निम्न अवस्था में लौटकर फ़ोटॉन सोखने लगते हैं। खुद करो वाले चरण में पंप 0 करके देखो।

दो दर्पण क्यों?

नली से एक बार गुज़रने में कम ही नकलें बनती हैं। बार-बार लौटने से प्रकाश कई गुना बढ़ता है।

क्या लेज़र और टॉर्च की किरण एक जैसी है?

नहीं। टॉर्च स्वतः उत्सर्जन से चलती है: हर दिशा, कई रंग। लेज़र एक रंग, एक ताल और पतली किरण।

परमाणु सिर्फ़ सही फ़ोटॉन से ही ऊपर क्यों जाता है?

ऊर्जा स्तर तय हैं। फ़ोटॉन में ठीक ΔE होना चाहिए, जैसे एक चाबी एक ही ताले में लगती है।

इसे प्रवर्धन क्यों कहते हैं?

हर फ़ोटॉन एक जुड़वाँ बनाता है, तो संख्या दोगुनी होती जाती है। फ़ोटॉन गिनती बढ़ती देखो।

ऊर्जा स्तर, अवशोषण और उत्सर्जन

परमाणु में इलेक्ट्रॉन सिर्फ़ कुछ तय ऊर्जाएँ रख सकते हैं, इन्हें ऊर्जा स्तर कहते हैं। ऊपर जाने के लिए इलेक्ट्रॉन को ठीक ΔE ऊर्जा चाहिए। नीचे आते समय वह E = hf = ΔE ऊर्जा का फ़ोटॉन छोड़ता है।

साधारण बल्ब स्वतः उत्सर्जन से चमकता है, इसलिए उसका प्रकाश हर दिशा में और कई रंगों का होता है।

उद्दीप्त उत्सर्जन

आइंस्टाइन ने 1917 में बताया कि ΔE ऊर्जा वाला फ़ोटॉन उत्तेजित परमाणु के पास से गुज़रे तो उसे जल्दी नीचे आने के लिए उकसा सकता है। नया फ़ोटॉन हूबहू नकल होता है: वही आवृत्ति (रंग), वही दिशा और वही कला (तरंगें साथ उठती-गिरती हैं)। एक से दो, दो से चार, और प्रकाश प्रवर्धित होता जाता है।

समष्टि प्रतिलोमन और लेज़र गुहा

आम तौर पर ज़्यादातर परमाणु सबसे निचले स्तर पर होते हैं, इसलिए फ़ोटॉन नकल बनने से ज़्यादा अवशोषित होते हैं। पंप (फ़्लैश लैंप, विद्युत धारा या दूसरा लेज़र) ऊर्जा देता है ताकि उत्तेजित परमाणु ज़्यादा हों। इसे समष्टि प्रतिलोमन कहते हैं। कई लेज़र मितस्थायी (metastable) स्तर का उपयोग करते हैं, जहाँ परमाणु थोड़ी देर ज़्यादा टिकते हैं।

गुहा (cavity) के एक सिरे पर पूरा दर्पण और दूसरे पर आंशिक दर्पण होता है। अक्ष के साथ चलने वाला प्रकाश बढ़ता रहता है; तिरछा प्रकाश निकल जाता है। थोड़ा प्रकाश आंशिक दर्पण से किरण बनकर बाहर आता है।

लेज़र प्रकाश के गुण और उपयोग

उपयोग: सर्जरी और आँख का इलाज, बारकोड स्कैनर, ऑप्टिकल फ़ाइबर संचार, काटना और वेल्डिंग, दूरी नापना (लिडार), होलोग्राम, डिस्क पढ़ना।

सावधानी: लेज़र किरण में कभी मत देखो। छोटा पॉइंटर भी आँख के रेटिना को नुकसान पहुँचा सकता है।

X-किरणें

X-किरणें बहुत छोटी तरंगदैर्ध्य (लगभग 0.01–10 nm) और ऊँची ऊर्जा वाली विद्युतचुंबकीय तरंगें हैं। X-किरण नली में ऊँची वोल्टता से इलेक्ट्रॉन तेज़ होकर धातु के लक्ष्य से टकराते हैं। अचानक रुकने पर वे X-किरणें छोड़ते हैं (ब्रेकिंग विकिरण), और भीतरी इलेक्ट्रॉन बाहर करके तीखी "अभिलाक्षणिक" रेखाएँ भी देते हैं। X-किरणें नरम ऊतक से निकल जाती हैं पर हड्डी उन्हें ज़्यादा रोकती है, इसलिए हड्डियाँ दिखती हैं। ये पदार्थ को आयनित करती हैं, इसलिए कम से कम संपर्क और सीसे की ढाल रखी जाती है।

लेज़र प्रकाश और X-किरणें दोनों फ़ोटॉन हैं; अंतर ऊर्जा और बनने के तरीक़े में है।

करके देखो: अंतर पहचानो

अँधेरे कमरे में 3 m दूर से दीवार पर टॉर्च और लेज़र पॉइंटर चमकाओ (आँखों की ओर कभी नहीं)। धब्बों का आकार मिलाओ। टॉर्च फैल जाती है, लेज़र छोटा बिंदु रहता है। फिर 3D में पंप स्लाइडर से सबसे कम पंप खोजो जिस पर किरण बनी रहे।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. लाल लेज़र की λ = 650 nm है। एक फ़ोटॉन की ऊर्जा ज्ञात करो।

E = hc/λ = (6.63 × 10⁻³⁴ × 3 × 10⁸) / (650 × 10⁻⁹) = 3.06 × 10⁻¹⁹ J ≈ 1.9 eV।

2. दो स्तरों में 2.0 eV का अंतर है। उद्दीप्त फ़ोटॉन की तरंगदैर्ध्य?

ΔE = 3.2 × 10⁻¹⁹ J। λ = hc/ΔE = 6.2 × 10⁻⁷ m = 620 nm (नारंगी-लाल)।

3. 1 mW लेज़र 3.0 × 10⁻¹⁹ J के फ़ोटॉन देता है। प्रति सेकंड कितने फ़ोटॉन?

N = P/E = 1 × 10⁻³ / 3.0 × 10⁻¹⁹ = 3.3 × 10¹⁵ फ़ोटॉन प्रति सेकंड।

4. X-किरण नली 30 kV पर चलती है। न्यूनतम तरंगदैर्ध्य?

अधिकतम ऊर्जा = eV = 4.8 × 10⁻¹⁵ J। λmin = hc/E = 4.1 × 10⁻¹¹ m = 0.041 nm।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. LASER में "S" का अर्थ है
2. समष्टि प्रतिलोमन का अर्थ है
3. उद्दीप्त फ़ोटॉन में क्या समान होता है?
4. लेज़र का आंशिक दर्पण
5. X-किरणें बनती हैं जब

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

लेज़र आसान शब्दों में कैसे काम करता है?

पंप बहुत से परमाणुओं को उत्तेजित करता है। एक फ़ोटॉन उत्तेजित परमाणु से एक-जैसा फ़ोटॉन निकलवाता है, दर्पण इन्हें लौटाकर बहुत बढ़ाते हैं और आंशिक दर्पण से पतली किरण निकलती है।

स्वतः और उद्दीप्त उत्सर्जन में क्या अंतर है?

स्वतः उत्सर्जन अपने आप किसी भी दिशा में होता है। उद्दीप्त उत्सर्जन गुज़रते फ़ोटॉन से होता है और उसी दिशा में एक-जैसा फ़ोटॉन देता है।

क्या X-किरणें और लेज़र एक हैं?

दोनों विद्युतचुंबकीय विकिरण हैं, पर X-किरणों की तरंगदैर्ध्य बहुत छोटी है और वे तेज़ इलेक्ट्रॉनों के धातु से टकराने पर बनती हैं; लेज़र उद्दीप्त उत्सर्जन से बनता है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

रोमानियाClasa a XII-aAtomic physics
दक्षिण कोरिया고등학교 2학년Light and communication

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