TNPSC G2 Physics லேசர் Notes

லேசர்

• சாதாரண ஒளிமூலம் ஒன்று வெளிவிடும் ஒளி ஓரியல்பற்றது, ஏனெனில் வெவ்வேறு அணுக்கள் வெவ்வேறு கட்டங்களில் ஒளியை உமிழும்.
• குறுக்கீட்டு விளைவிற்கு ஓரியல் மூலங்கள் மிக அவசியம்.
• இரண்டு தனிப்பட்ட மூலங்கள் ஓரியல் மூலங்களாகச் செயல்படாது.
• சோதனைகளுக்கு ஒரு ஒளி மூலத்திலிருந்து இரண்டு ஓரியல் மூலங்களைப் பெறலாம்.
• சமீப காலமாக முழுமையான ஓரியல் பண்பினைக் கொண்ட மூலங்கள் உண்டாக்கப்பட்டன.
• இவை லேசர் எனப்படும்.
• LASER என்பது (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) என்ற ஆங்கிலச் சொற்றொடரின் சுருக்கமாகும்.
• சாதாரண ஒளிக்கும், லேசர் (LASER) ஒளிக்கும் உள்ள வேறுபாடு படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளது.

லேசர் கற்றை என்பது

• அணுக்கள் ஒளியாற்றல் மூலம் உயர் ஆற்றல் மட்டங்களுக்கு எடுத்துச் செல்லப்பட்டால், ஒளியியல் தெறிப்பு (optical pumping) எனப்படும்.
• வெளிப்புறத் தூண்டுதல் மூலம் அடிநிலையிலிருந்து அணுக்கள் கிளர்ச்சி நிலைக்குச் சென்றால், கிளர்ச்சி நிலை அணுத் தொகை அணுக்களின் எண்ணிக்கை $(N_{2})$ அடி நிலை ஏற்றம் அணுக்களின் எண்ணிக்கையை $(N_{1})$ விட அதிகமாகும்.
• இந்நிகழ்ச்சி அணுத்தொகை ஏற்றம் (population inversion) எனப்படும்.

• கிளர்ச்சி நிலையில் அணுக்களின் ஆயுள் பொதுவாக $10^{-8}s$ ஆகும்.
• சில கிளர்ச்சி நிலைகளில் ஆயுட்காலம் $10^{-3}s$ என்ற அளவில் அதிகமாக இருக்கும்.
• இத்தகைய நிலை
• இடைநிலை (meta stable state) எனப்படும்.
• கிளர்ச்சி நிலையானது சாதாரண நிலையாக இருந்தால் கிளர்ச்சி அணுக்கள் புற உதவியின்றி அடிநிலையை அல்லது தாழ்மட்ட நிலையை அடையும்.
• இந்நிகழ்வின் போது. $E_{2}-E_{1}$ = hv ஆற்றல் கொண்ட ஃபோட்டான் உமிழப்படும்.
• இது தன்னிச்சையான உமிழ்வு எனப்படும்.

• கிளர்ச்சி நிலையானது இடைநிலையாக இருந்தால் அணுக்கள் இந்நிலையில் சற்று அதிக நேரம் இருக்கும்.
• $E_{2} - E{1}$ = hv ஆற்றல் கொண்ட ஃபோட்டான்களை, இடைநிலையிலுள்ள அணுக்களின் மீது மோதச் செய்து அவற்றை அடிநிலைக்குக் கொண்டு வரலாம்.
• இந்நிலையில் $E_{2} - E{1}$ = hv ஆற்றலுடைய ஃபோட்டான் உமிழப்படும்.
• இது தூண்டு உமிழ்வு (Induced emission) எனப்படும் .

• வெளிப்படும் ஃபோட்டான் ஆனது தூண்டு ஃபோட்டான் அல்லது இரண்டாம் நிலை ஃபோட்டான் எனப்படும்.
• இரண்டாம் நிலை ஃபோட்டான் எப்போதும் தூண்டுவிக்கும் ஃபோட்டானுடன் ஒத்த கட்டத்தில் இருக்கும்.
• இந்த ஃபோட்டான்கள் மீண்டும் ஃபோட்டான் உமிழ்தலைத் தூண்டுவித்து ஒரு தொடர் வினையை உண்டாக்கும்.
• இதுவே லேசர் செயல்பாடு (Laser action) எனப்படும்.
• உருவாக்கப்படும் ஃபோட்டான்கள் அனைத்தும் ஒரே கட்ட நிலையில் இருக்கும்.
• எனவே சிறந்த ஒற்றைநிற, முற்றிலும் ஓரியல்பான, செறிவுமிக்க ஒளியினை லேசர் உண்டாக்கும்.

• அணுத்தொகை ஏற்றம் இருக்க வேண்டும். அதாவது அடிநிலையை விட கிளர்ச்சி நிலையில் அதிக அணுக்கள் இருக்க வேண்டும்.
• கிளர்ச்சியுற்ற நிலை இடைநிலையாக இருக்க வேண்டும்.
• வெளிவரும் போட்டான்கள், மேலும் ஃபோட்டான்கள் வெளிவருவதைத் தூண்ட வேண்டும்.
• இதனை, எதிரொளிக்கும் கண்ணாடிகள் இரண்டு முனைகளில் வைக்கப்படுவதால் பெறலாம்.

• T.மெய்மன் (T.Maiman) என்பவரால் 1960ல் ரூபி லேசர் வடிவமைக்கப் பட்டது.
• இது 10 cm நீளமும், 0.8 cm விட்டமும் கொண்ட ரூபி படிகத் தண்டினைக் கொண்டது.
• ரூபி என்பது அலுமினிய ஆக்ஸைடால் $(Al_{2}O_{3})$ ஆனது.
• இதில் சில அலுமினிய அணுக்கள், குரோமியம் அயனிகளால் $(Cr^{3+})$ இடம் பெயர்வு செய்யப்படுகின்றன.

• ரூபி தண்டின் முனைகள் ஒன்றுக்கொன்று இணையாகவும், தட்டையாகவும் இருக்கும்.
• ஒரு முனை முழுவதும் வெள்ளிப் பூச்சு கொடுக்கப்பட்டு ஆடியாகவும், மறு முனைப் பகுதி வெள்ளிப் பூச்சு (Semi silvered) கொடுக்கப்பட்டு பகுதி ஊடுருவும் ஆடியாகவும்.
செயல்படும். ரூபித் தண்டினைச் சுற்றி சுருள் வடிவ செனான் (Zenon) தெறிப்புக் குழாய் உள்ளது.
• இதிலிருந்து வரும் ஒளி குரோமிய அணுக்களை உயர்ந்த நிலைக்கு எடுத்துச் செல்லும்.
• செனான் குழாயிலிருந்து வெளிவரும் ஒவ்வொரு ஒளித் தெறிப்பும் பல மில்லிவினாடிகளுக்கு நீடித்திருக்கும்.
• ஒவ்வொரு தெறிப்பும் சில ஆயிரம் ஜுல்கள் ஆற்றல் உடையதாக இருக்கும்.

• ரூபி லேசரில் உள்ள பெயர்வு குரோமிய அணுக்க இடைநிலைளின் கிளர்ச்சி மற்றும் -அடிநிலை ஆற்றல் மட்டங்கள் காட்டப்பட்டுள்ளன.
• சாதாரண நிலையில் பெரும்பாலான குரோமிய அணுக்கள் அடிநிலை $E_{1}$ -ல் இருக்கும்.
• ஒளித் தெறிப்புக் குழாயினால் ஒளியூட்டப்படும் போது 5500 $\dot{A}$ அலை நீளம் கொண்ட (பச்சை நிற ஒளி) ஃபோட்டான் களை குரோமியம் அயனிகள் உட்கவர்வதால், அவை கிளர்ச்சி நிலை $E_{3}$க்கு செல்கின்றன.
• இந்த கிளர்ச்சி அயனிகள், ஆற்றலின் ஒரு பகுதியை படிகத் தின் அணிக்கோவைக்குக் கொடுத்துவிட்டு கதிர்வீசலை வெளிவிடாமல் இடைநிலையை $(E_{2})$ அடையும்.
• $E_{2}$, நிலையில் ஆயுட்காலம் (103s) அதிகம்.
• எனவே இடைநிலையில் அணுக்களின் எண்ணிக்கை தொடர்ந்து உயரும்.
• இவ்வாறு $E_{1}, E_{2}$ நிலைகளுக்கிடையே அணுத்தொகை ஏற்றம் ஏற்படுகிறது.
• இடைநிலை $E_{2}$, உள்ள கிளர்ச்சி அயனி, தன்னிச்சையாகத் அடிநிலை $E_{1}$,க்கு செல்லும் போது 6943 $\dot{A}$ அலைநீளம் கொண்ட ஃபோட்டானை வெளிவிடும்.
• இந்த ஃபோட்டான் ரூபித் தண்டின் வழியே சென்று, முன்னும் பின்னும் ஆடிகளால் பிரதிபலித்து, கிளர்ச்சி அயனிகளைத் தூண்டி புதிய ஃபோட்டான்களை அதே கட்ட நிலையில் உண்டாக்கும்.
• இவ்வாறான பிரதிபலிப்புகள் தூண்டு உமிழ்வு நிகழ்ச்சியை கூடுதலாக உண்டாக்கும்.
• இந்தத் தூண்டு உமிழ்வுதான் லேசர் நிகழ்வு ஆகும். இறுதியாக 6943 $\dot{A}$ அலைநீளம் கொண்ட சிவப்பு நிற ஒளித் துடிப்புகள், பகுதி வெள்ளிப்பூச்சு பெற்ற படிகத்தின் முனைவழியே வெளியேறும்.

• தொடர்ச்சியான, செறிவு மிக்க லேசர் கற்றையினை வாயு லேசர்கள் மூலம் பெறலாம்.
• ஹீலியம் - நியான் லேசரின் முக்கியப் பகுதிகள் படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளன.


• He - Ne லேசரில் குவார்ட்ஸ் குழாய் ஒன்றுள்ளது. இதனுள் 1 mm பாதரச அழுத்தத்தில் 1 : 4 என்ற விகிதத்தில் ஹீலியம் - நியான் வாயுக்கள் உள்ளன.
• குழாயின் ஒரு முனையில் முழுதும் பிரதிபலிக்கக்கூடிய மின்போக்குக் குழாய் ஆடி பொருத்தப்பட்டிருக்கும். மறுமுனையில், ஒரு பகுதி ஒளியை மட்டும் பிரதிபலிக்குமாறு, பகுதி வெள்ளிப்பூச்சு உடைய ஆடி இருக்கும்.
• வாயுவில் மின் போக்கினை நிகழ்த்த ஒரு திறன்மிக்க ரேடியோ அதிர்வெண் மின்னியற்றி பயன்படுகிறது.
• இதனால் ஹீலிய அணுக்கள் உயர்ந்த நிலைக்கு கிளர்ச்சியடையும்.

• He - Ne அணுக்களின் ஆற்றல் மட்டங்கள் காட்டப்பட்டுள்ளன.
• வாயுவின் வழியே மின்போக்கு நிகழும்போது, குழாயிலுள்ள எலக்ட்ரான்கள் ஹீலிய,நியான் அணுக்களுடன் மோதலுற்று அவற்றை அடிநிலையிலிருந்து 20.61 eV மற்றும் 20.66 eV ஆற்றல் கொண்ட இடைநிலைகளுக்கு உயர்த்தும்.
• கிளர்ச்சியுற்ற சில ஹீலியம் அணுக்கள் மோதலின் மூலம் ஆற்றலை கிளர்ச்சியுறாத நியான் அணுக்களுக்கு கொடுக்கும்.
• இவ்வாறு நியான் அணுக்களின் அணுத்தொகை ஏற்றத்திற்கு ஹீலியம் அணுக்கள் உதவுகின்றன.
• நியான் அணு 20.66 eV ஆற்றல் கொண்ட கிளர்ச்சி நிலையிலிருந்து 18.70 eV ஆற்றல் கொண்ட குறைந்த ஆற்றல் மட்டத்திற்கு தன்னிச்சையாகச் செல்லும் போது 6328 \dot{A} அலைநீளம் கொண்ட கண்ணுறு பகுதியிலுள்ள ஃபோட்டான்களை உமிழும்.
• இந்த ஃபோட்டான் பிரதிபலிக்கும் முனையில் எதிரொளிப்பு அடையச் செய்யப்பட்டு, வாயுக் கலவையின் வழியே முன்னும் பின்னும் செல்லும்.
• அப்போது, கிளர்ச்சியுற்ற நியான் அணு தூண்டப்பட்டு, புதியதாக 6328$\dot{A}$ அலைநீள ஃபோட்டான் உமிழப்பட்டு, தூண்டு போட்டானுடன் சேர்ந்து ஒரே கட்டத்தில் வெளிவரும்.
• 20.66 eV லிருந்து 18.70 EV க்கு ஏற்படும் தூண்டப்பட்ட பெயர்வு, லேசர் நிகழ்வு ஆகும். லேசர் கற்றையானது, பகுதி வெள்ளிப்பூச்சு கொடுக்கப்பட்ட பரப்பின் வழியே வெளியேறும்.
• நியான் அணுக்கள் 18.70 eV நிலையிலிருந்து E ஆற்றல் கொண்ட குறைந்த நிலைக்குத் தன்னிச்சையாகத் தாவி ஓரியல்பற்ற ஒளியை உமிழும்.
• இந்த ஆற்றல் மட்டம் E லிருந்து, Ne அணுக்கள், மோதல்கள் மூலம் குழாயின் சுவர்களில் மோதலுற்று அடிநிலையை அடைகின்றன.
• இறுதியாக ஏற்படும் நிகழ்வு கதிர்வீச்சற்றது.

உயர்ந்த ஓரியல் பண்பு, அதிகச் செறிவு காரணமாக லேசர் கற்றையானது அறிவியல் மற்றும் பொறியியல் துறைகளில் பயன்படுகிறது.

• லேசர் கற்றையினைப் பயன்படுத்தி வைரம் மற்றும் கடினமான, தடித்த தகடு போன்றவற்றில் மிக நுண்ணிய துளைகளிடலாம்.
• கடினமான உலோகங்களின் தடித்த தகடுகளை வெட்டவும், பற்ற வைப்பதற்கும் பயன்படுகின்றன.
• மின்னணு சுற்றுகளிலும், குறைக்கடத்தி சுற்றுகளிலும் தேவையற்ற பொருள்களை ஆவியாக்கப் பயன்படுகிறது.
• பொருள்களின் தரத்தினை சோதிக்க உதவும்.

• மிகக் குறுகிய பரப்பில் குவிக்கப்படுவதால், மிக நுண்ணிய அறுவை சிகிச்சைக்குப் பயன்படுகிறது.
• சிறுநீரகக் கல், கட்டிகள் ஆகியவற்றை அகற்றவும், மூளை அறுவை சிகிச்சை, கண் விழித்திரை நீக்குதல் போன்றவற்றில் நுண்ணிய இரத்தக் குழாய்களை வெட்டவும், ஒட்டவும் பயன்படுகிறது.
• உணவுப் பாதை உள்நோக்கிகளில் (endoscopy) பயன்படுகிறது.
• மனித மற்றும் மிருகப் புற்றுநோய் சிகிச்சையில் பயன்படுகிறது.

• லேசர் கற்றையின் அதிர்வெண் நிலையாக இருப்பதால், அதனைப் பண்பேற்றம் செய்து ரேடியோ, தொலைக்காட்சி, தொலைபேசிகளில் பல செய்திகளை ஒரே நேரத்தில் அனுப்பலாம்.
• ஒளியியல் இழை (Optical Fiber Communication) செய்தித் தொடர்பில் குறைக்கடத்தி லேசர் பயன்படுகிறது.
• குறுகிய பரப்பில் பரவுவதால், மைக்ரோ அலை செய்தித் தொடர்பில் லேசர் ஒரு சிறந்த கருவியாகப் பயன்படுகிறது.
• புவித் துணைக்கோள்கள் மற்றும் ராக்கெட் துறைகளில் தொடர்பு கொள்ள லேசர் பயன்படுகிறது. இலக்கு (target) உள்ள தொலைவைத் துல்லியமாகக் கண்டறிவதிலும் லேசர் பயன்படுகிறது.
• புவிக்கும், நிலவிற்கும் இடையே உள்ள தொலைவைக் கணக்கிடலாம்.
• இராமன் நிறமாலையியலில் பயன்படுகிறது.
• ஹோலோகிராபி என்ற முப்பரிமாணக் கலையில் பயன்படுகிறது (லென்சுகளைப் பயன்படுத்தாமல் முப்பரிமாண நிழற்படம் உருவாக்குதல்).
• லேசரைக் கொண்டு, ரேடாரைப் போன்று பொருள் உள்ள தொலைவு, திசைவேகம், அளவு மற்றும் திசை ஆகியவற்றை எதிரொளித்த சைகையக் கொண்டு துல்லியமாக அறியலாம்.

• ஒரு காமிராவில் புகைப்படம் எடுக்கும்போது முப்பரிமாணப் பொருளின் இரு பரிமாண பிம்பம் கிடைக்கும். பொருளின் முப்பரிமாணத் தோற்றத்தினை ஹோலோகிராபி முறையில் பெறலாம்.
• சாதாரண புகைப்படத்தில் ஒளி அலையின் வீச்சு புகைப்படச் சுருளில் பதியும். ஹோலோகிராபி முறையில் ஒளியின் வீச்சு, கட்ட நிலை ஆகிய இரண்டும் படச் சுருளில் பதிக்கப்படும்.
• இவ்வாறு பெறப்படும் படம் (பிம்பம்) ஹோலோகிராம் (Hologram) எனப்படும்.

• MASER என்பது Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation என்ற ஆங்கிலச் சொற்றொடரின் சுருக்கம்.
• மேசரின் செயல்பாடு லேசரைப் போன்றதே. மேசரின் தத்துவம் அணுத்தொகை ஏற்றமும் அதனைத் தொடர்ந்து தூண்டு உமிழ்தலும் ஆகும்.
• மேசர் அமைப்பில், இடைநிலையிலிருந்து பெயர்வு நிகழும் போது உமிழப்பட்ட ஃபோட்டான், நுண்ணலை (microwave) அதிர்வெண்ணில் அமையும்.
• பாராகாந்த அயனிகள் மேசர் பொருளாகப் பயன்படுகின்றன.
• நடைமுறையில் அயனிப் படிகத்தில் குரோமியம் அல்லது கடோலினியம் (gadolinium) அயனிகள் மாசுப் பொருளாக சேர்க்கப்படும்.
• அம்மோனியா வாயுவும் மேசர் பொருளாகப் பயன்படும். மூலக்கூறு நிறமாலையியலில், மேசர் ஒரு குறிப்பிடத்தக்க கருவியாகச் செயல்படுகிறது.