Read Time:30 Minute
സ്മിതാ ഹരിദാസ്
HSST Physics
ലേസറാണ് താരം
എന്താണ് ലേസറിനെ സാധാരണ പ്രകാശത്തിൽനിന്നു വ്യത്യസ്തമാക്കുന്നത്? ലേസറിനെക്കുറിച്ച് വിശദമായി വായിക്കാം.. സ്മിതാ ഹരിദാസ് എഴുതുന്നു…
ലേസർ എന്ന വാക്ക് വളരെ പരിചിതമാണ്. കണ്ണഞ്ചിപ്പിക്കുന്ന ചില ഷോകളിൽ വർണ്ണവിസ്മയം തീർക്കുന്ന ലേസർ വെളിച്ചം കണ്ടിട്ടില്ലേ? ഇതു വരുന്നത് ലേസറുകളിൽനിന്നാണ്. സൂപ്പർ മാർക്കറ്റിൽനിന്ന് സാധനം വാങ്ങി ബില്ലിനായി നിൽക്കുമ്പോൾ, ഓരോ സാധനമായി എടുത്ത്, കൗണ്ടറിലുള്ളയാൾ അതിൽ പ്രിന്റ് ചെയ്തിരിക്കുന്ന ബാർകോഡിലേക്ക് ഒരു ലൈറ്റ് അടിച്ചു നോക്കുന്നത് കാണാറില്ലേ? ഈ വെളിച്ചവും ലേസർതന്നെ. ബാർകോഡ് സ്കാനർ എന്ന ഈ ഉപകരണത്തിൽ തുടങ്ങി സിനിമാ തീയറ്ററുകളിലെ പ്രൊജക്ടറുകളിൽവരെ ഇന്ന് ലേസർ ഒരു പ്രധാനഘടകമാണ്. കണ്ണിന് സർജറി നടത്താൻ ആശുപത്രികളിൽ ലേസർ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഇന്ന് ഏതൊരു ഗവേഷണമേഖലയ്ക്കും സാങ്കേതികമേഖലയ്ക്കും ലേസറിനെ ഒഴിവാക്കാനാവില്ല.
എന്താണ് ലേസർ ?
എന്താണ് ലേസറിനെ സാധാരണ പ്രകാശത്തിൽനിന്നും വ്യത്യസ്തമാക്കുന്നത്?
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation എന്നതിന്റെ ചുരുക്കപ്പേരാണ് ലേസർ. മൂന്നു ഗുണങ്ങളാണ് ലേസറിനെ നാം ചുറ്റും കാണുന്ന പ്രകാശത്തിൽനിന്നും വ്യത്യസ്തമാക്കുന്നത്.
ലേസർ രശ്മികളിൽ ഒറ്റനിറം മാത്രമേ ഉണ്ടാകുകയുള്ളൂ എന്നതാണ് ആദ്യത്തെ ഗുണം. അതായത്, ലേസർ പ്രകാശം മോണോക്രൊമാറ്റിക് ആണ്. ഇതിനെ ഒരു പ്രിസത്തിലൂടെ കടത്തിവിട്ടാൽ പല നിറങ്ങളായി തിരിയില്ല. അതിലെ പ്രകാശതരംഗങ്ങൾ എല്ലാംതന്നെ ഒരേ തരംഗദൈർഘ്യം ഉള്ളവയാണ്.
Coherence എന്നതാണ് ലേസറിന്റെ അടുത്ത ഗുണം. ഒരുദാഹരണംകൊണ്ട് ഇത് എന്തെന്ന് വ്യക്തമാക്കാം. തിരക്കുള്ള ഒരു കവലയിൽ ചെന്നാൽ എന്താണ് കാണുക? പല തരത്തിലുള്ള വേഷങ്ങൾ ധരിച്ചവർ പല ഭാഗങ്ങളിലേക്ക് പോകുന്നു. ഇതുപോലെയാണ് സാധാരണ പ്രകാശസ്രോതസ്സുകൾ. അവ പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന പ്രകാശകണങ്ങൾ എല്ലാ ദിശകളിലേക്കും പോകുന്നു. ഇവ തമ്മിൽ പൊരുത്തം ഒന്നും ഉണ്ടാവില്ല.
ലേസർ ലൈറ്റാകട്ടെ, ഒരു പട്ടാളം മാർച്ച് ചെയ്യുന്നതുപോലെയാണ്. ഒരേ വേഷമിട്ട്, വരിവരിയായി ഒരേ ദിശയിൽ, ഒരുപോലെ കൈകാലുകൾ ചലിപ്പിച്ച്, ചിട്ടയോടെ നീങ്ങുന്ന പട്ടാളക്കാരെപ്പോലെയാണ് ലേസർ ലൈറ്റിലെ ഓരോ പ്രകാശകണവും. അതിനാലാണ് ലേസർ വെളിച്ചം പടർന്നു പോകാത്തത്.
ഈ ഗുണത്തിൽനിന്നാണ്, ഒരർത്ഥത്തിൽ മൂന്നാമത്തെ ഗുണം ഉണ്ടാകുന്നത്. തീവ്രത അഥവാ intensity ആണ് ആ ഗുണം. ഒരു AK 47 തോക്കിൽനിന്നും തുടർച്ചായി ബുള്ളറ്റുകൾ പതിക്കുംപോലെ, തുടർച്ചയായി ഫോട്ടോണുകൾ ഒരേയിടത്ത് പതിക്കുന്നതിനാൽ ലേസർ രശ്മികളുടെ തീവ്രത വളരെ കൂടുതലാണ്. താപകിരണങ്ങളായ ഇൻഫ്രാറെഡ് രശ്മികളാണ് ലേസർ പുറപ്പെടുവിക്കുന്നതെങ്കിൽ അവ വീഴുന്ന പ്രതലം ഭയങ്കരമായി ചൂടുപിടിക്കും. തീവ്രത വളരെ കൂടുതൽ ആണെങ്കിൽ ആ പ്രതലം ഉരുകിപ്പോകും.
വളരെ പെട്ടെന്നാണ് ഇതു സംഭവിക്കുക എന്നതിനാൽ മികച്ച താപചാലകങ്ങളായ ലോഹങ്ങൾപോലും ഇങ്ങനെ ഉരുകും. അതിനാൽ ഇൻഫ്രാറെഡ് ലേസറുകൾ ലോഹപാളികൾ മുറിക്കാനും, അവയിൽ ദ്വാരമിടാനും ഉപയോഗിച്ചു വരുന്നു. ഇത്തരത്തിലുള്ള കുറെയേറെ ലേസറുകൾ ഉപയോഗിച്ച് മിസൈലുകളുടെ പുറത്ത് ദ്വാരങ്ങൾ ഉണ്ടാക്കിയാൽ ഘർഷണം കൂടുകയും, വായുവുമായി ഉരസി താപനില ഉയർന്ന് മിസൈലുകൾ തകരുകയും ചെയ്യും എന്നതാണ് അയേൺ ബീമിന്റെ പ്രവർത്തനതത്വം.
1917-ൽ ഐൻസ്റ്റൈൻ മുമ്പോട്ടു വച്ച stimulated emission എന്ന പ്രതിഭാസത്തെ ആധാരമാക്കിയാണ് ലേസറുകൾ പ്രവർത്തിക്കുന്നത്.
ഇതെന്താണെന്ന് മനസ്സിലാക്കാൻ ശ്രമിക്കാം.
ആറ്റങ്ങളിലെ ഊർജനിലകൾ ഏണിപ്പടികൾപോലെയാണ്. താഴത്തെ പടിയിൽനിന്നും മുകളിലത്തെ പടിയിലേക്കോ തിരിച്ചോ മാത്രമേ ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് നീങ്ങാനാവൂ. രണ്ട് പടികൾക്കിടയ്ക്ക് നിൽക്കാനാവില്ല.
മൂന്നു തരത്തിലുള്ള പ്രവർത്തനങ്ങളാണ് ഇത്തരത്തിലുള്ള ആറ്റങ്ങൾക്കും പ്രകാശത്തിനുമിടയ്ക്ക് നടക്കുക.
ഒന്ന്, ഫോട്ടോണുകളെ ആഗിരണം ചെയ്ത്, ഏറ്റവും താണ ഊർജനില അഥവാ ground state-ൽ നിന്നും ഉയർന്ന ഊർജനിലയിലേക്ക് അതായത് excited state ലേക്ക് പോകാൻ ആറ്റങ്ങൾക്ക് കഴിയും. ആഗിരണം ചെയ്യപ്പെടുന്ന ഫോട്ടോണിന്റെ ഊർജം, ഗ്രൗണ്ട് സ്റ്റേറ്റും എക്സൈറ്റഡ് സ്റ്റേറ്റും തമ്മിലുള്ള വ്യത്യാസത്തിന് തുല്യമാണെങ്കിൽ മാത്രമേ ഇങ്ങനെ സംഭവിക്കൂ. ഇത്തരത്തിൽ ഊർജം ആഗിരണം ചെയ്യുന്നതിനെ stimulated absorption എന്നാണ് പറയുക.
പ്രപഞ്ചത്തിലെ എല്ലാ വസ്തുക്കളും, ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ ഊർജനിലയിലെത്താനാണ് ശ്രമിക്കുന്നത്. അതിനാൽ, excited state-ൽ ഒരുപാടു നേരം തുടരാൻ ആറ്റത്തിനു കഴിയില്ല. കുറച്ച് സമയം കഴിയുമ്പോൾ, അത് സ്വയമേ ground state-ലേക്ക് വരും. അധികോർജം പ്രകാശകണമായി പുറത്തേക്ക് വിടുകയും ചെയ്യും. സ്വാഭാവികമായി സംഭവിക്കുന്നതാതാകയാൽ, ഇതിനെ spontaneoues emission അഥവാ natural emission എന്നു പറയും. നമുക്കു ചുറ്റുമുള്ള പ്രകാശസ്രോതസ്സുകളെല്ലാം വെളിച്ചം പുറപ്പെടുവിക്കുന്നത് spontaneous emission വഴിയാണ്.
ഇവിടെ, എല്ലാ excited ആറ്റങ്ങളും ഒരേ സമയമോ, ഒരേ ദിശയിലേക്കോ അല്ല പ്രകാശകണങ്ങളെ പുറത്തേക്ക് വിടുന്നത്. പല ദിശകളിലായി, പല സമയത്താണ് ഇവ പുറത്തുവരിക. അതിനാൽ ഇങ്ങനെയുണ്ടാകുന്ന പ്രകാശത്തിന് തീവ്രത കുറവായിരിക്കും.
ഇനി, spontaneous emission നടക്കുന്നതിനു മുമ്പായി, അതേ ഊർജമുള്ള മറ്റൊരു ഫോട്ടോൺ excited ആറ്റത്തിന്റെ വളരെ അടുത്തെത്തി എന്നിരിക്കട്ടെ. ഫോട്ടോണിന്റെ വൈദ്യുതകാന്തികമണ്ഡലത്തിൽപ്പെടുന്ന excited ആറ്റം ഉടൻതന്നെ അധികോർജം പ്രകാശകണമായി പുറത്തുവിടും. ഈ പ്രതിഭാസത്തെയാണ് stimulated emission എന്നു വിളിക്കുന്നത്. ഇങ്ങനെ പുറപ്പെടുവിക്കപ്പെടുന്ന പ്രകാശകണം ആദ്യത്തേതിന്റെ ഇരട്ടപോലെയായിരിക്കും. തരംഗദൈർഘ്യവും ദിശയുമെല്ലാം ഒന്നുതന്നെ!
ഈ ഇരട്ടകൾ ഉത്തേജിതാവസ്ഥയിലുള്ള മറ്റു രണ്ട് ആറ്റങ്ങളെ കണ്ടുമുട്ടിയാലോ?
ഇവ ഓരോന്നും, തന്നെപ്പോലെയുള്ള മറ്റൊരു ഫോട്ടോണിനെ സൃഷ്ടിക്കും. അങ്ങനെ, ഒരുപോലെയുള്ള ഫോട്ടോണുകൾ നാലാകും. ഈ നാലുപേർ ഒരുപോലെയുള്ള നാലുപേരെക്കൂടി സൃഷ്ടിച്ച് എട്ടാകും. 8 ഇരട്ടിച്ച് 16, 16 ഇരട്ടിച്ച് 32, 32 ഇരട്ടിച്ച് 64 എന്നിങ്ങനെ വളരെ പെട്ടെന്ന് ലക്ഷക്കണക്കിന് ഒരുപോലെയുള്ള ഫോട്ടോണുകൾ സൃഷ്ടിക്കപ്പെടും.
എന്നാൽ, ഇവിടെയൊരു കുഴപ്പമുണ്ട്. stimulated emission നടക്കുന്നതുപോലെതന്നെ, stimulated absorption -നും ഇതേ സമയം നടക്കുന്നുണ്ടാവും. കുറഞ്ഞ ഊർജനിലയിൽ ഉള്ള ആറ്റങ്ങളുടെ എണ്ണം കൂടുതലാകയാൽ ആഗിരണം ചെയ്യപ്പെടുന്ന ഫോട്ടോണുകളുടെ എണ്ണം വളരെ കൂടുതലായിരിക്കും. തന്മൂലം ഒരു പ്രകാശസ്രോതസ്സിൽനിന്നു പുറത്തുവരുന്ന പ്രകാശത്തിൽ ലക്ഷത്തിലൊരംശം മാത്രമേ stimulated emission ആവൂ.
Stimulated emission കൂടുതലായി നടക്കാനുള്ള ഒരേയൊരു വഴി excited സ്റ്റേറ്റിൽ ഉള്ള ആറ്റങ്ങളുടെ എണ്ണം ground state -ൽ ഉണ്ടാവുക എന്നതാണ്. ഈ അവസ്ഥയെയാണ് പോപ്പുലേഷൻ ഇൻവെർഷൻ എന്നു വിളിക്കുന്നത്. നമ്മുടെ നാട്ടിലെ പണക്കാരുടെ എണ്ണം ദരിദ്രരുടെതിനെക്കാൾ കൂട്ടുക എന്നതുപോലുള്ള ഈ സ്ഥിതി സാധാരണഗതിയിൽ ഒരിക്കലും ഉണ്ടാകില്ല.
N2 = N1 exp(-E/(kT)) എന്ന ബോൾട്ട്സ്മാന്റെ സമവാക്യമനുസരിച്ചാണ് ആറ്റങ്ങളിൽ ഇലക്ട്രോൺവിന്യാസം എന്നതിനാൽ ഒരിക്കലും ഉത്തേജിതഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം, താപസന്തുലിതാവസ്ഥയിൽ, ground state ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണത്തെക്കാൾ കൂടാൻ കഴിയില്ല.
ഇതു മൂലമാണ് ഐൻസ്റ്റൈൻ stimulated emission എന്ന പ്രതിഭാസം സൈദ്ധാന്തികമായി അവതരിപ്പിച്ചതിനും ആദ്യലേസറിന്റെ നിർമ്മാണത്തിനുമിടയ്ക്ക് 43 വർഷങ്ങളുടെ ഇടവേളയുണ്ടായത്. സത്യത്തിൽ പോപ്പുലേഷൻ ഇൻവേർഷൻ എന്ന പ്രതിഭാസം ഉപയോഗപ്പെടുത്തിയ ആദ്യത്തെ ഉപകരണം ലേസർ അല്ല; Maser ആണ്. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation എന്നതാണ് ഇതിന്റെ പൂർണ്ണരൂപം.
മേസർ
1954-ൽ, കൊളംബിയ യൂണിവേഴ്സിറ്റിയിൽ പ്രൊഫസറായിരുന്ന ചാൾസ് ടൗൺസ് ആണ് അമോണിയയിൽ പോപ്പുലേഷൻ ഇൻവേർഷനും, അതുവഴി മൈക്രോവേവുകളുടെ ആംപ്ലിഫിക്കേഷനും സാദ്ധ്യമാണ് എന്നു തെളിയിച്ച് മേസർ നിർമ്മിച്ചത്. 5 സെ.മീ ആയിരുന്നു അമോണിയ മേസറിന്റെ തരംഗദൈർഘ്യം
അമോണിയ തന്മാത്രയ്ക്ക് ഭാരം കൂടിയ നൈട്രജൻ ആറ്റത്തെ അക്ഷമാക്കി സ്വയം തിരിയാൻ കഴിയും. സാധാരണഗതിയിൽ ഈ തന്മാത്ര ഏതു ദിശയിലേക്ക് തിരിഞ്ഞാലും ഇതുമൂലമുള്ള ഗതികോർജം ഒന്നുതന്നെയാവും. എന്നാൽ, ഈ തിരിയൽ സംഭവിക്കുന്നത് ഒരു കാന്തികമണ്ഡലത്തിലാണെങ്കിൽ കഥ മാറും. ചാർജുള്ള കണങ്ങളാണ് ആറ്റങ്ങൾക്കുള്ളിൽ, എന്നതിനാൽ കാന്തികമണ്ഡലത്തിനുള്ളിൽ, ഇടത്തേക്ക് തിരിയുന്ന അമോണിയ തന്മാത്രയുടെ ഊർജമാവില്ല വലത്തേക്ക് തിരിയുന്നതിന്. ഇവ രണ്ട് ഊർജനിലകളായി മാറും. ഒന്ന് ഊർജം കുറഞ്ഞതും മറ്റേത് കൂടിയതും. സ്വാഭാവികമായും പ്രകൃതിനിയമമനുസരിച്ച് അമോണിയ തന്മാത്രകൾ, കുറഞ്ഞ ഊർജമുള്ള ദിശ തിരഞ്ഞെടുക്കും. ഈ ഊർജനിലകൾ തമ്മിലുള്ള വ്യത്യാസം കാന്തികമണ്ഡലത്തിന്റെ ശക്തിക്ക് ആനുപാതികമായിരിക്കുകയും ചെയ്യും. ഇതിലെ ഊർജം കുറഞ്ഞ നിലയെ ground state ആയും ഊർജം കൂടിയ നിലയെ excited state ആയും ഉപയോഗിച്ചാണ് ചാൾസ് ടൗൺസ് മേസർ നിർമിച്ചത്.
വളരെ കുറഞ്ഞ താപനിലയിൽ, വളരെ കുറച്ചു സമയം മാത്രമേ പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയൂ എന്ന പോരായ്മ മൂലം മേസർകൊണ്ട് കാര്യമായ പ്രയോജനം ഒന്നുമുണ്ടായില്ല. ലേസറിന്റെ വരവോടെ മേസർ വിസ്മരിക്കപ്പെട്ടു. എന്നാൽ, ഏതാനും വർഷങ്ങൾക്കു മുമ്പ് ഡയമണ്ടിൽ കുടുക്കിയ നൈട്രജൻ ആറ്റങ്ങളെ ഉപയോഗപ്പെടുത്തി, അന്തരീക്ഷതാപനിലയിൽ മേസർ നിർമ്മിക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് തെളിഞ്ഞതോടെ മേസറിലുള്ള താല്പര്യം ഗവേഷണരംഗത്ത് വീണ്ടും ശക്തിപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്. ന്യൂക്ലിയാർ മാഗ്നറ്റിക് റെസണൻസ് (NMR) എന്ന പ്രതിഭാസം ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്ന ഉപകരണങ്ങളിലും ഗവേഷണങ്ങളിലും മേസറിന് വളരെയധികം സാദ്ധ്യതകളുണ്ട് എന്നതിനാലാണിത്.
ലേസറിന്റെ പിറവി
ഇത്തരം സാദ്ധ്യതകൾ പ്രകാശത്തിന്റെ കാര്യത്തിൽ എങ്ങനെ നടപ്പിലാക്കാം എന്നുള്ള ശ്രമങ്ങൾ വിജയിക്കാൻ വീണ്ടും ആറുവർഷങ്ങൾ കൂടിയെടുത്തു. 1960-ൽ തിയോഡർ മെയ്ൻമാൻ എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ആദ്യത്തെ ലേസർ നിർമ്മിച്ചു.
ഒരു റൂബി ക്രിസ്റ്റലിലെ ഏതാനും അലുമിനിയം അയോണുകളെ മാറ്റി, പകരം അവിടെ ക്രോമിയം അയോണുകളെ പ്രതിഷ്ഠിച്ച് ക്രോമിയം അയോണുകളുടെ മൂന്നു ഊർജനിലകൾ ഉപയോഗപ്പെടുത്തിയാണ് മെയ്ൻമാനും കൂട്ടരും റൂബി ലേസർ നിർമ്മിച്ചത്.
ഗ്രൗണ്ട് ലെവൽ, പമ്പ് ലെവൽ, മെറ്റാ സ്റ്റേബിൾ ലെവൽ എന്നിങ്ങനെയാണ് ഈ മൂന്നു ഊർജനിലകളെ വിളിക്കുന്നത്.
ഏതാണ്ട്, ടോയിലറ്റ് ഫ്ലഷ് പ്രവർത്തിക്കുന്നതിന് സമാനമായാണ് ഇത്തരം ലേസറുകൾ പ്രർത്തിക്കുന്നത്. അതിനാൽ അക്കാര്യം ആദ്യം പരിഗണിക്കാം. കിണറിൽനിന്നും വെള്ളം പമ്പ് ചെയ്ത് ആദ്യം നമ്മുടെ വീടിന് മുകളിലേക്ക് വെള്ളം എത്തിക്കുന്നു. ടാങ്കിൽനിന്ന് വെള്ളം പൈപ്പിലൂടെ ടോയ്ലറ്റ് ഫ്ലഷിന്റെ ചെറിയ ടാങ്കിൽ നിറയുന്നു. ഫ്ലഷിന്റെ ഹാൻഡിൽ തിരിക്കുമ്പോൾ ഫ്ലഷ് ടാങ്കിലെ വെള്ളം ഒറ്റയടിക്ക് താഴേക്ക് പോകുന്നു.
ഇവിടെ, കിണറിനെ ഗ്രൗണ്ട് ലെവലായും പമ്പ് ചെയ്ത് കയറ്റുന്ന ടാങ്കിനെ പമ്പ് ലെവലായും കരുതുക, ഫ്ലഷിന്റെ ടാങ്കാണ് മെറ്റാ സ്റ്റേബിൾ ലെവൽ. ഫ്ലഷ് ടാങ്കിന്റെ പ്രത്യേകത എന്താണ്? കുറേശ്ശേ വരുന്ന വെള്ളം സംഭരിച്ച് വച്ചശേഷം ഹാൻഡിൽ തിരിക്കുമ്പോൾ ഒറ്റയടിക്ക് വെള്ളം പുറത്തേക്ക് പോകുന്നു. മെറ്റാ സ്റ്റേബിൾ ലെവൽ ചെയ്യുന്നതും അതുതന്നെ!
ഒരു സെനോൺ (xenon) ഫ്ലാഷ് ലാമ്പ് തീവ്രത കൂടിയ ധവളപ്രകാശം പുറപ്പെടുവിക്കുമ്പോൾ റൂബി ക്രിസ്റ്റലിൽ കൃത്രിമമായി ചേർത്ത ക്രോമിയം അയോണുകൾ ചില പ്രത്യേക തരംഗദൈർഘ്യമുള്ള ഫോട്ടോണുകളെ ആഗിരണം ചെയ്ത് പമ്പ് ലെവലിലേക്ക് പോകുന്നു. ഇത് സ്ഥിരതയുള്ള ഒരു ഊർജനിലയല്ല. അതിനാൽ അവ വളരെ പെട്ടെന്ന്, അല്പംകൂടി ഊർജം കുറഞ്ഞ നമ്മുടെ ഫ്ലഷ് ടാങ്കിനു സമാനമായ മെറ്റാസ്റ്റേബിൾ ലെവലിലേക്ക് വരുന്നു. ഈ ഊർജനിലയുടെ ആയുർദൈർഘ്യം പമ്പ് ലെവലിലെക്കാൾ കൂടുതലാണ്. അതിനാൽ ഈ നിലയിൽ കുറച്ചു നേരം തുടരാൻ അയോണുകൾക്ക് കഴിയും.
ഇത്തരത്തിൽ, മെറ്റാസ്റ്റേബിൾ ലെവലിൽ എത്തുന്ന അയോണുകളുടെ എണ്ണം ഗ്രൗണ്ട് ലെവലിൽ ഉള്ളതിനെക്കാൾ കൂടുതലാവുമെങ്കിൽ പോപ്പുലേഷൻ ഇൻവർഷൻ നടക്കും. ഇതു സംഭവിക്കുന്നത് സ്വയമേവ നടക്കുന്ന എമിഷൻ ആരംഭിക്കാനെടുക്കുന്ന സമയത്തിന് മുമ്പാണെങ്കിൽ ക്രിസ്റ്റലിലൂടെ കടന്നു പോകുന്ന ഒരു ഫോട്ടോണിന് സ്റ്റിമുലേററ്റഡ് എമിഷൻ ട്രിഗർ ചെയ്യാൻ കഴിയും. ഒരേ വരിയിൽ നിർത്തിയിരിക്കുന്ന കുറെ സൈക്കിളുകളിൽ ഒന്നിനെ അടുത്തതിന്റെ പുറത്തേക്ക് തള്ളിയിട്ടാൽ എല്ലാ സൈക്കിളുകളും മറിഞ്ഞു വീഴുന്നതുപോലെ മെറ്റാസ്റ്റേബിൾ ലെവലിലുള്ള എല്ലാ ആറ്റങ്ങളും ഒരുപോലെയുള്ള ഫോട്ടോണുകളെ പുറത്തുവിട്ട് വീണ്ടും ഗ്രൗണ്ട് സ്റ്റേറ്റിൽ എത്തും.
പിന്നെയും പഴയതെല്ലാം അവർത്തിക്കും. ഇങ്ങനെയാണ് റൂബി ലേസർ പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. ഇങ്ങനെ ആവർത്തിക്കാൻ സമയമെടുക്കും എന്നതിനാൽ റൂബി ലേസർ തുടർച്ചയായി അല്ല, മറിച്ച് പൾസുകളായാണ് പുറത്തേക്ക് വരുന്നത്.
മൂന്നു ലെവലുകൾ മാത്രമുള്ള ലേസറുകൾക്കെല്ലാം ഇത്തരം പ്രശ്നമുണ്ട്. ആദ്യമായി 50 ശതമാനത്തിലേറെ ആറ്റങ്ങളെയോ അയോണുകളെയോ മെറ്റാസ്റ്റേബിൾ സ്റ്റേറ്റിൽ എത്തിക്കണം. അതു കഴിഞ്ഞാലോ? ലേസർ പ്രവർത്തിച്ചു തുടങ്ങി, മെറ്റാസ്റ്റേബിൾ ലെവലിൽ ഉള്ള അയോണുകളുടെ എണ്ണം 50 ശതമാനത്തിൽ താഴെയാകുമ്പോൾ പ്രവർത്തനം നിലയ്ക്കും. അതിനാൽ ഇത്തരം ലേസറുകൾക്ക് പൾസുകൾ ആയി മാത്രമേ ലേസർ രശ്മികൾ പുറത്തുവിടാൻ കഴിയൂ.
മെറ്റാസ്റ്റേബിൾ ലെവലിനും ഗ്രൗണ്ട് ലെവലിനും മദ്ധ്യേയായി ലൈഫ് ടൈം വളരെ കുറഞ്ഞ ഒരു ലെവൽ ഉണ്ടെങ്കിൽ, ഈ ലെവലിനെ ഗ്രൗണ്ട് ലെവലിനുപകരം സ്റ്റീമുലേറ്റഡ് എമിഷൻ നടക്കുന്ന താഴ്ന്ന ഊർജനിലയായി ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയും. ഈ ലെവലിൽനിന്നും വളരെ പെട്ടെന്ന് ഗ്രൗണ്ട് ലെവലിലേക്ക് അയോണുകളും പോകും എന്നതിനാൽ പോപ്പുലേഷൻ ഇൻവെർഷൻ തുടർച്ചയായി നിലനിൽക്കുകയും ലേസർ രശ്മികൾ തുടർച്ചയായി പുറത്തേക്കു വരികയും ചെയ്യും.
പോപ്പുലേഷൻ ഇൻവേർഷൻ നടക്കുന്ന വസ്തുവിനെ ആക്റ്റീവ് മീഡിയം എന്നാണ് വിളിക്കാറ്. പമ്പിംഗിനുള്ള ഊർജം നൽകുന്നതെന്തോ അതിനെ പമ്പ് സോഴ്സ് എന്നും! ഇതിനു പുറമേ റെസനേറ്റർ എന്ന ഒന്നു കൂടിയുണ്ടെങ്കിലേ ഒരു ലേസറിന് പ്രവർത്തിക്കാനാവൂ. സമാന്തരമായി വച്ച രണ്ടു കണ്ണാടികൾ ആണിവ. ഇവയ്ക്കിടയിലായാവും ആക്ടീവ് മീഡിയത്തിന്റെ സ്ഥാനം.
നേരത്തെ, സൗകര്യത്തിനായി, മെറ്റാ സ്റ്റേബിൾ ലെവലിൽ പോപ്പുലേഷൻ ഇൻവേർഷൻ നടന്നു കഴിഞ്ഞ്, ഒരു ഫോട്ടോൺ അവിടേയ്ക്ക് വരുന്ന കാര്യം പറഞ്ഞല്ലോ. ഈ ഫോട്ടോൺ എവിടെനിന്നാണ് വരിക?
അത്, പുറത്തുനിന്നും അയയ്ക്കുന്നതല്ല, മറിച്ച് അല്പം നേരത്തേ സ്പൊണ്ടേനിയസ് എമിഷൻ നടത്തുന്ന അപൂർവ്വം ചില അയോണുകൾ ഉണ്ടാകും, നാട്ടുഭാഷയിൽ പറഞ്ഞാൽ മൂക്കാതെ പഴുക്കുന്നവ – ഇവയാണ് സ്റ്റിമുലേറ്റഡ് എമിഷന് കാരണമാകുന്ന സീഡ് ഫോട്ടോണുകൾ.
ഉദാഹരണത്തിന് പോപ്പുലേഷൻ ഇൻവർഷൻ നടന്ന ആയിരം അയോണുകൾ മെറ്റാ സ്റ്റേബിൾ ലെവലിൽ ഉണ്ടെന്നു കരുതുക. ഇവയിൽ അഞ്ചണ്ണം സ്പൊണ്ടേനിയസ് എമിഷൻ വഴി ഫോട്ടോണുകൾ പുറത്തുവിട്ടു എന്നും കരുതുക. ഇവ അഞ്ചും അഞ്ചു ദിശയിലേക്കാവും സഞ്ചരിക്കുക. സ്വാഭാവികമായും അഞ്ചു ദിശകളിലുമായി രശ്മികൾ ചിതറില്ലേ? ഇതൊഴിവാക്കാനാണ് റെസനേറ്റർ. ആക്ടിവ് മീഡിയത്തിന്റെ നീളം കൂടുതലും വണ്ണം വളരെ കുറവുമായിരിക്കും. ഇതുമൂലം വശങ്ങളിലേക്ക് പോകുന്ന ഫോട്ടോണുകൾ സ്റ്റിമുലേറ്റഡ് എമിഷൻ വഴി അധികം ഫോട്ടോണുകളെ സൃഷ്ടിക്കാതെ പുറത്തേക്ക് പോകും.
നീളം കൂടിയ വശത്തിന് ഇരുപുറവുമായി സമാന്തരമായി വിന്യസിച്ചിരിക്കുന്ന കണ്ണാടികൾക്കിടയിൽ, അക്ഷത്തിലൂടെയോ, അക്ഷത്തിനു സമാന്തരമായോ സഞ്ചരിക്കുന്ന ഫോട്ടോണുകൾ കണ്ണാടികളിൽ തട്ടി പ്രതിഫലിച്ച് തിരികെ ആക്ടീവ് മീഡിയത്തിലേക്ക് വരികയും സ്റ്റിമുലേറ്റഡ് എമിഷൻ തുടരുകയും ചെയ്യും. ഇതിനെ ഓപ്ടിക്കൽ ഫീഡ്ബാക്ക് എന്ന വിളിക്കും. കണ്ണാടികളിൽ ഒന്ന് ഏതാണ്ട് 100 ശതമാനം പ്രതിഫലനശേഷി ഉള്ളതും മറ്റേത് അല്പം കുറഞ്ഞ പ്രതിഫലനശേഷി ഉള്ളതുമായിരിക്കും. കുറഞ്ഞ പ്രതിഫലനശേഷിയുള്ള കണ്ണാടി വഴിയാണ് ലേസർ ബീം പുറത്തേക്ക് വരുന്നത്.
സാധാരണഗതിയിൽ ലേസറുകൾക്ക് കാര്യക്ഷമത വളരെ കുറവാണ്. ഹൈ പവർ ലേസറുകളിൽ കാർബൺ ഡയോക്സൈഡ് ലേസറുകൾക്ക് മാത്രമേ നൽകുന്ന ഊർജത്തിന്റെ പത്തുശതമാനത്തിൽ കൂടുതൽ വെളിച്ചമാക്കി മാറ്റാനുള്ള കഴിവുള്ളൂ. റൂബി ലേസറിന്റെ ക്ഷമത ഏകദേശം 0.1 ശതമാനം മാത്രമാണ്.
ലേസർ ഡയോഡുകൾ
ലേസർ ഡയോഡുകളാണ് ഇതിനൊരപവാദം. എൺപതു ശതമാനത്തോളമാണ് ലേസർ ഡയോഡുകളുടെ ക്ഷമത! ഒരു PN ജംഗ്ഷൻ ഡയോഡിന്റെ P ഭാഗത്ത് വാലൻസി ബാൻഡിലുള്ള ഹോളുകളുടെ ഊർജം, N ഭാഗത്തെ കണ്ടക്ഷൻ ബാൻഡിലുള്ള സ്വതന്ത്രഇലക്‌ട്രോണുകളുടെ ഊർജത്തെക്കാൾ കുറവാണ്. PN ജംഗ്ഷന്റെ P-ഭാഗം ഒരു ബാറ്ററിയുടെ പോസിറ്റീവുമായും N ഭാഗം ബാറ്ററിയുടെ നെഗറ്റീവുമായും ബന്ധിപ്പിക്കുമ്പോൾ, N ഭാഗത്തെ ഇലക്ട്രോണുകൾ പോസിറ്റീവായ P ഭാഗത്തേക്ക് നീങ്ങുകയും വാലൻസി ബാൻഡിലുള്ള ഹോളുമായി ചേരുകയും ചെയ്യും. സ്വതന്ത്രഇലക്ട്രോണിന്റെ അധികോർജം ഫോട്ടോൺ രൂപത്തിൽ പുറത്തുവിടും. LED-കളിലും ലേസർ ഡയോഡുകളിലും പ്രകാശം ഉണ്ടാവുന്നത് ഇങ്ങനെയാണ്. എന്നാൽ, LED കളുടെ രൂപകല്പന, റെസനേറ്റർ ഒഴിവാക്കി പരമാവധി വെളിച്ചം പുറത്തു വരുന്ന രീതിയിലായതിനാൽ സ്പൊണ്ടേനിയസ് എമിഷൻ നടക്കില്ല. ലേസർ ഡയോഡിന്റെയാകട്ടെ റെസനേറ്റർ ഉൾപ്പെട്ട രൂപകൽപ്പനയായതിനാൽ സ്റ്റിമുലേറ്റഡ് എമിഷനാവും നടക്കുക.
ലേസർ പോയിന്ററിലും, ബാർ കോഡ് റീഡറിലും, ലേസർ പ്രിന്ററുകളിലും, സി.ഡി പ്ലേയറുകളിലും ലേസർ ഷോകളിലുമൊക്കെ ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നത് പവർ കുറഞ്ഞ ഇത്തരം സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകളാണ്.
ഇൻഫ്രാറെഡ് ലേസറുകൾ വ്യാവസായികാവശ്യങ്ങൾക്ക് ഉപയോഗിക്കപ്പെടുമ്പോൾ അൾട്രാവയലറ്റ് ലേസറുകൾ ലാസിക് സർജറിയ്ക്ക് ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നു. അൾട്രാവയലറ്റ് ഫോട്ടോണുകൾക്ക് ഊർജം കൂടുതലായതിനാൽ, മാവിലെ മാങ്ങയെ കല്ലു കൊണ്ടെറിഞ്ഞിടുന്നതുപോലെ സെല്ലുകളെ ഇളക്കി മാറ്റാൻ ഈ ഫോട്ടോണുകൾക്ക് കഴിയും. ഇങ്ങനെ അതാര്യമായി മാറിയ സെല്ലുകളെ ഓരോന്നായി എടുത്തു കളഞ്ഞ് തിമിരം മാറ്റാനും, കണ്ണിലെ ലെൻസിന്റെ വക്രത ക്രമീകരിക്കാനും മറ്റും കഴിയും.
നാൾവഴികൾ
1917
ആൽബർട്ട് ഐൻസ്റ്റൈൻ
1954
ചാൾസ് എച്ച്. ടൗൺസ്
1960
തിയോഡർ മെയ്ൻമാൻ
1962
റോബർട്ട് എൻ ഹാൾ
1963
കുമാർ എൻ. പട്ടേൽ
LUCA STORIES
ഭാവി പ്രവചിച്ച ഒരു ശാസ്ത്രനായിക
Happy
60 %
Sad
0 %
Excited
27 %
Sleepy
7 %
Angry
7 %
Surprise
0 %
5
1
Read full. Well written. Understood the basics, working principle, application…. future research….. great work. Special mention on your language skill.
Thanks for the introduction to laser..
The thing is that.. science is just going deeper and deeper on analytics…
My focus is always on what’s the truth behind that.. the one thing that which is behind everything.. the basic underlying truth .. ..rest of things.. I leave to you kinds of scholars.. research ing.. analysing…😍
Biju k v
Degree ലെവലിൽ ആണ് ആദ്യം ആയി ലേസർ നേ പറ്റി പഠിച്ചത്. അന്ന് വരെ വെറുതെ കളിക്കാൻ ഉപയോഗിച്ചിരുന്ന ഈ സാധനം ഇത്ര complicated Quantum mechanical device ആണെന്ന് അന്ന് ആണ് മനസ്സിലായത്. വളരെ സിമ്പിൾ ആയി എല്ലാവർക്കും മനസ്സിലാകുന്ന രീതിയിൽ കാര്യങ്ങൾ വിവരിച്ചു
നേരത്തേ ചില കുറിപ്പുകൾ വായിച്ചിരുന്നതുകൊണ്ട് സ്മിതയുടെ ഭാഷാസ്വാധീനത്തെ കുറിച്ച് ഒരേകദേശധാരണയുണ്ടായിരുന്നു. എന്നാൽ ഈ ലേഖനം വായിച്ചുകഴിഞ്ഞപ്പോഴാണ് ഒരു ശാസ്ത്രാദ്ധ്യാപികയെന്ന നിലയിൽ സ്മിതയ്ക്കുള്ള കഴിവും മികവും വ്യക്തമായത്. ഗഹനമായ വിഷയം ലളിതമായും വ്യക്തമായും അവതരിപ്പിക്കുന്നതു കാണാൻ കൌതുകമുണ്ട്. ഇതിൽ ഉദ്ധരിക്കുന്ന ഉദാഹരണങ്ങൾ കുട്ടികളുടെ ശ്രദ്ധ ആകർഷിക്കാനും comprehension സുഗമമാക്കാനും സഹായിക്കുന്നവയാണ്.”coherence”, “population inversion” എന്നിവ പ്രതിപാദിക്കുന്ന സന്ദർഭങ്ങളിലെ ഉദാഹരണങ്ങൾ രസകരമായിതോന്നി. ദൈനംദിനജീവിതത്തിൽ എപ്പോഴും കേൾക്കുന്ന ലേസർ എന്താണെന്ന് കുട്ടികൾക്കുമാത്രമല്ല എന്നെപ്പോലുള്ള വയോജനങ്ങൾക്കും മനസ്സിലാക്കാൻ കഴിയുംവിധം ആസ്വാദ്യമായി അവതരിപ്പിക്കുന്ന ടീച്ചറാണ് ഇന്നത്തെ താരം!
ആനാവുർ സ്കൂളിലെ കുട്ടികൾക്ക് അഭിമാനിക്കാം അവരുടെ ഫിസിക്സ് ടീച്ചറെപ്പറ്റി.
അഭിനന്ദനങ്ങൾ.
വി.രാധാകൃഷ്ണൻ
Good
മിസ്സ് എഴുതിയ ലേഖനം വായിച്ചു. ഗംഭീരം എന്നു തന്നെ പറയണം. വളരെ ലളിതമായി പറഞ്ഞ് തരുന്ന രീതി മികച്ചതായി. അത് പോലെ ചില ഉദാഹരണങ്ങൾ പറഞ്ഞതും നല്ല രീതിയിൽ കണക്ട് ചെയ്യാൻ പറ്റി. (ചിട്ടയായ Military march past പോലെ ലേസർ കണിക സഞ്ചരിക്കുന്നു). ഇനി അത് ജന്മത്ത് മറന്നു പോകില്ല. മികച്ച ഒരു ബ്രഷ് അപ് കിട്ടിയ അനുഭവം.
Super proud of you missey.. missinte student ayathil orupaad santhosham abhimanam.. 😊
സധൈര്യം ഇത്തരം ലേഖനങ്ങൾ തുടർന്ന് എഴുതുക.
All the very best..