उद्दीपित उत्सर्जन और प्रकाशीय लाभ

उद्दीपित उत्सर्जन एक फोटॉन को एक उत्तेजित परमाणु से एक समान फोटॉन उत्सर्जित करने के लिए प्रेरित करता है, और जनसंख्या व्युत्क्रमण वाला माध्यम इसे शुद्ध प्रकाशीय लाभ में बदल देता है।

Definition

वह प्रक्रिया जिसके द्वारा एक आपतित फोटॉन एक उत्तेजित परमाणु को दूसरा, समान फोटॉन उत्सर्जित करने के लिए उत्तेजित करता है, और प्रकाश का परिणामी शुद्ध प्रवर्धन, या प्रकाशीय लाभ, तब प्राप्त होता है जब निचले स्तर की तुलना में ऊपरी स्तर में अधिक परमाणु होते हैं।

Scope

यह विषय लेजर क्रिया के सूक्ष्म आधार को शामिल करता है। इसमें अवशोषण, स्वतः उत्सर्जन और उद्दीपित उत्सर्जन की तीन विकिरण प्रक्रियाएं शामिल हैं, जो आइंस्टीन गुणांकों द्वारा संबंधित हैं; शुद्ध प्रवर्धन के लिए जनसंख्या व्युत्क्रमण की आवश्यकता और यह तापीय संतुलन में क्यों नहीं हो सकता है; लाभ गुणांक और व्युत्क्रमण, क्रॉस सेक्शन और लाइनशेप पर इसकी निर्भरता; उच्च तीव्रता पर लाभ का संतृप्ति; और पम्पिंग योजनाएं, विशेष रूप से तीन-स्तरीय और चार-स्तरीय प्रणालियां, जिनका उपयोग व्युत्क्रमण बनाने और बनाए रखने के लिए किया जाता है। यह स्थापित करता है कि कैसे एक माध्यम सुसंगत रूप से प्रकाश को प्रवर्धित करता है।

Core questions

• अवशोषण, स्वतः और उद्दीपित उत्सर्जन एक दूसरे से कैसे संबंधित हैं?
• प्रकाशीय लाभ के लिए जनसंख्या व्युत्क्रमण क्यों आवश्यक है?
• लाभ गुणांक का परिमाण क्या निर्धारित करता है?
• पम्पिंग योजनाएं जनसंख्या व्युत्क्रमण कैसे बनाती और बनाए रखती हैं?

Key concepts

• अवशोषण
• स्वतः उत्सर्जन
• उद्दीपित उत्सर्जन
• आइंस्टीन गुणांक
• जनसंख्या व्युत्क्रमण
• लाभ गुणांक
• लाभ संतृप्ति
• तीन- और चार-स्तरीय पम्पिंग

Key theories

आइंस्टीन A और B गुणांक

आइंस्टीन ने 1917 में दिखाया कि स्वतः उत्सर्जन, उद्दीपित उत्सर्जन और अवशोषण की दरें निश्चित अनुपातों से जुड़ी होती हैं; उद्दीपित उत्सर्जन का अस्तित्व तापीय विकिरण के साथ संगति की आवश्यकता से आता है।

जनसंख्या व्युत्क्रमण और लाभ संतृप्ति

शुद्ध प्रवर्धन के लिए निचले स्तर की तुलना में ऊपरी स्तर में अधिक परमाणुओं की आवश्यकता होती है, जो केवल पम्पिंग द्वारा प्राप्त किया जा सकता है; जैसे-जैसे प्रकाशीय तीव्रता बढ़ती है, यह व्युत्क्रमण को कम करती है, लाभ को संतृप्त करती है और लेजर आउटपुट को स्थिर करती है।

Clinical relevance

प्रकाशीय लाभ प्रत्येक चिकित्सा लेजर का आधार है, और वही उद्दीपित-उत्सर्जन भौतिकी, जिसे जानबूझकर कम किया जाता है, बायोमेडिकल अनुसंधान में उपयोग की जाने वाली उद्दीपित-उत्सर्जन-क्षय (STED) सुपर-रिज़ॉल्यूशन माइक्रोस्कोपी का आधार है।

History

आइंस्टीन के विकिरण के क्वांटम सिद्धांत पर 1917 के पेपर ने उद्दीपित उत्सर्जन और उन गुणांकों को प्रस्तुत किया जो उनके नाम पर हैं। इस विचार को 1950 के दशक में एक उपकरण में बदल दिया गया जब टाउन्स और, स्वतंत्र रूप से, बासोव और प्रोखोरोव ने माइक्रोवेव के उद्दीपित उत्सर्जन द्वारा प्रवर्धन का एहसास किया, इस कार्य को 1964 के भौतिकी के नोबेल पुरस्कार से मान्यता मिली।

Key figures

• Albert Einstein
• Charles H. Townes
• Nikolay Basov
• Aleksandr Prokhorov

Seminal works

• salehteich2019
• svelto2010

Frequently asked questions

संतुलन में एक सामान्य सामग्री प्रकाश को प्रवर्धित क्यों नहीं कर सकती है?

तापीय संतुलन में निचले ऊर्जा स्तरों में ऊपरी स्तरों की तुलना में अधिक परमाणु होते हैं, इसलिए अवशोषण उद्दीपित उत्सर्जन से अधिक होता है और प्रकाश क्षीण हो जाता है; प्रवर्धन के लिए पम्पिंग द्वारा उत्पन्न एक गैर-संतुलन जनसंख्या व्युत्क्रमण की आवश्यकता होती है।

एक उद्दीपित फोटॉन में क्या खास बात है?

उद्दीपित उत्सर्जन द्वारा उत्सर्जित फोटॉन आवृत्ति, दिशा, चरण और ध्रुवीकरण में उत्तेजित करने वाले फोटॉन से मेल खाता है, यही कारण है कि प्रवर्धित प्रकाश सुसंगत होता है।