प्रकाश स्रोत क्या है?

प्रकाश स्रोत विद्युत संकेतों से रूपांतरण को सक्षम बनाते हैंऑप्टिकल सिग्नलऔर ऑप्टिकल ट्रांसमीटर और फाइबर ऑप्टिक संचार प्रणालियों के मुख्य घटक हैं। उनका प्रदर्शन सीधे फाइबर ऑप्टिक संचार प्रणाली के प्रदर्शन और गुणवत्ता संकेतकों को प्रभावित करता है। यह खंड मुख्य रूप से दो प्रकार के प्रकाश स्रोतों की संरचना, कार्य सिद्धांत और संबंधित विशेषताओं का परिचय देता है: लेजर डायोड (एलडी, जिन्हें लेजर भी कहा जाता है) और प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी), और उनकी तकनीकी विशिष्टताएं प्रदान करता है।

लेज़रों से संबंधित कई भौतिक अवधारणाएँ

◆लेजर की विशेषताएं

◆प्रकाश{{0}उत्सर्जक डायोड

फोटॉन की अवधारणा

आइंस्टीन के प्रकाश के क्वांटम सिद्धांत में कहा गया है कि प्रकाश ऊर्जा वाले फोटॉन से बना हैएच.एफ, जहां h=6.628 × 10⁻¹³J·s, जिसे प्लैंक स्थिरांक के रूप में जाना जाता है, और f प्रकाश तरंग की आवृत्ति है। इन फोटॉनों को फोटॉन कहा जाता है।

जब प्रकाश पदार्थ के साथ संपर्क करता है, तो फोटॉन की ऊर्जा समग्र रूप से अवशोषित या उत्सर्जित होती है, जिससे प्रकाश के तरंग कण द्वैत सिद्धांत की स्थापना होती है।

परमाणु ऊर्जा स्तर

अर्धचालक क्रिस्टल में, परमाणु नाभिक के बाहर इलेक्ट्रॉनों की कक्षाएँ आसन्न परमाणुओं की साझा गति के कारण अलग-अलग डिग्री तक ओवरलैप होती हैं। जैसा कि चित्र 3-1 में दिखाया गया है, क्रिस्टल में ऊर्जा का स्तर अब किसी एक परमाणु से संबंधित नहीं है; वे व्यापक क्षेत्र में, यहाँ तक कि पूरे क्रिस्टल में भी घूम सकते हैं। दूसरे शब्दों में, मूल ऊर्जा स्तर को ऊर्जा बैंड में बदल दिया गया है। बाहरी ऊर्जा स्तरों द्वारा गठित ऊर्जा बैंड को चालन बैंड कहा जाता है, और आंतरिक ऊर्जा बैंड को वैलेंस बैंड कहा जाता है। उनके बीच के अंतराल में कोई इलेक्ट्रॉन मौजूद नहीं है; इस अंतराल को बैंड गैप कहा जाता है।

चित्र 3-1 क्रिस्टल में ऊर्जा स्तर

प्रकाश और पदार्थ के बीच परस्पर क्रिया के तीन तरीके

प्रकाश और पदार्थ के बीच की अंतःक्रिया को प्रकाश और परमाणुओं के बीच की अंतःक्रिया तक कम किया जा सकता है, जिसमें तीन भौतिक प्रक्रियाएं शामिल हैं: उत्तेजित अवशोषण, सहज उत्सर्जन और उत्तेजित उत्सर्जन। इन तीन इंटरैक्शन मोड के ऊर्जा स्तर और इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण चित्र 3-2 में दिखाए गए हैं।

चित्र 3-2 प्रकाश और पदार्थ के बीच परस्पर क्रिया के तीन तरीकों में ऊर्जा स्तर और इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण।

1) सामान्य परिस्थितियों में, इलेक्ट्रॉन आमतौर पर निम्न ऊर्जा स्तर ई में होते हैं_a. आपतित प्रकाश के प्रभाव में, इलेक्ट्रॉन फोटॉन की ऊर्जा को अवशोषित करते हैं और उच्च ऊर्जा स्तर ई में परिवर्तित हो जाते हैं₂, एक फोटोक्रेक्ट उत्पन्न करना। इस संक्रमण को उत्तेजित अवशोषण कहा जाता है। यह फोटोडिटेक्टर का कार्य सिद्धांत है।

2) उच्च ऊर्जा स्तर ई में इलेक्ट्रॉन₂अस्थिर हैं. बाहरी बल के बिना भी, वे स्वतः ही निम्न ऊर्जा स्तर ई में परिवर्तित हो जाएंगे_a, छिद्रों के साथ पुनः संयोजित होता है, और ऊर्जा को फोटॉनों में परिवर्तित करता है जो बाहर की ओर विकिरणित होते हैं। इस संक्रमण को सहज उत्सर्जन कहा जाता है। यह प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) का कार्य सिद्धांत है। अनायास उत्सर्जित प्रकाश असंगत प्रकाश है।

3) जब एक इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा स्तर E में होता है_aऊर्जा h के साथ एक बाहरी फोटॉन द्वारा उत्तेजित होता है_f, इसे निम्न ऊर्जा स्तर ई में संक्रमण करने के लिए मजबूर किया जाता है_a, छिद्रों के साथ पुनः संयोजित होता है, और साथ ही उत्तेजना प्रकाश के समान आवृत्ति, चरण और दिशा के साथ एक फोटॉन छोड़ता है (जिसे एक समान फोटॉन कहा जाता है)।

चूँकि यह प्रक्रिया बाहरी फोटॉन के उत्तेजना के तहत उत्पन्न होती है, इसलिए इस संक्रमण को उत्तेजित उत्सर्जन कहा जाता है। यह लेजर का कार्य सिद्धांत है। उत्तेजित उत्सर्जन प्रकाश सुसंगत प्रकाश है।

जनसंख्या व्युत्क्रमण और प्रकाश प्रवर्धन

उत्तेजित उत्सर्जन लेजर उत्पादन की कुंजी है। मान लीजिए कि निम्न ऊर्जा स्तर पर कण घनत्व N है, और उच्च ऊर्जा स्तर पर कण घनत्व N² है। सामान्य परिस्थितियों में, N > N², जिसका अर्थ है कि उत्तेजित अवशोषण हमेशा उत्तेजित उत्सर्जन से अधिक होता है; अर्थात्, तापीय संतुलन के तहत, पदार्थ प्रकाश को प्रवर्धित नहीं कर सकता है।

प्रकाश को बढ़ाने के लिए पदार्थ के लिए, उत्तेजित उत्सर्जन उत्तेजित अवशोषण से अधिक होना चाहिए, भले ही N² > N (उच्च ऊर्जा स्तर पर इलेक्ट्रॉनों की संख्या निम्न ऊर्जा स्तर पर संख्या से अधिक है)। कण संख्याओं के इस असामान्य वितरण को जनसंख्या व्युत्क्रमण कहा जाता है।

जनसंख्या व्युत्क्रमण किसी पदार्थ के लिए प्रकाश प्रवर्धन उत्पन्न करने और प्रकाश उत्सर्जित करने की प्राथमिक स्थिति है।

प्रत्यक्ष बैंडगैप और अप्रत्यक्ष बैंडगैप अर्धचालक

प्रकाश के उत्तेजित उत्सर्जन में, ऊर्जा और गति को संरक्षित किया जाना चाहिए। बैंड गैप आकार गति से संबंधित है; बैंड गैप आकार के आधार पर, अर्धचालकों को प्रत्यक्ष बैंड गैप और अप्रत्यक्ष बैंड गैप प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है, जैसा कि चित्र 3-3 में दिखाया गया है। प्रत्यक्ष बैंड गैप अर्धचालकों में, चालन बैंड के न्यूनतम ऊर्जा स्तर और वैलेंस बैंड के अधिकतम ऊर्जा स्तर में समान गति होती है, और इलेक्ट्रॉन लंबवत रूप से संक्रमण करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उच्च चमकदार दक्षता होती है, जैसा कि चित्र 3-3 ए में दिखाया गया है। अप्रत्यक्ष बैंड गैप अर्धचालकों में, अन्य कणों को इलेक्ट्रॉन संक्रमण के लिए गति संरक्षण बनाए रखने के लिए भाग लेना चाहिए, जैसा कि चित्र 3-3 बी में दिखाया गया है। प्रकाश उत्सर्जक उपकरणों के निर्माण के लिए केवल प्रत्यक्ष बैंड गैप सेमीकंडक्टर सामग्री का उपयोग किया जा सकता है; इन सामग्रियों में GaAs, AlGaAs, InP और InGaAsP शामिल हैं।

चित्र 3-3 प्रत्यक्ष बैंडगैप और अप्रत्यक्ष बैंडगैप अर्धचालक

लेजर सिद्धांत

सेमीकंडक्टर लेजर एक लेजर है जो सेमीकंडक्टर सामग्री को अपने सक्रिय माध्यम के रूप में उपयोग करता है; इसे सेमीकंडक्टर लेज़र सेल्फ{{0}ऑसिलेटर भी कहा जाता है।

लेज़र से लेज़र प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए, निम्नलिखित तीन शर्तों को पूरा करना होगा: लेज़र प्रकाश उत्पन्न करने में सक्षम एक कार्यशील पदार्थ (जिसे सक्रिय पदार्थ भी कहा जाता है) होना चाहिए; एक उत्तेजना स्रोत (जिसे पंप स्रोत भी कहा जाता है) होना चाहिए जो कार्यशील पदार्थ को जनसंख्या व्युत्क्रम अवस्था में डालने में सक्षम हो; और एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर होना चाहिए जो आवृत्ति चयन और फीडबैक करने में सक्षम हो।

(1) लेजर प्रकाश उत्पन्न करने में सक्षम कार्यशील पदार्थ वह पदार्थ है जो जनसंख्या व्युत्क्रम वितरण प्राप्त कर सकता है। एक बार सक्रिय होने के बाद, कार्यशील पदार्थ को सक्रिय पदार्थ या लाभ पदार्थ कहा जाता है, और यह लेजर पीढ़ी के लिए एक आवश्यक शर्त है।

(2) पंप स्रोत एक बाहरी उत्तेजना स्रोत है जो कार्यशील पदार्थ को जनसंख्या व्युत्क्रम वितरण प्राप्त करने का कारण बनता है। पंप स्रोत की कार्रवाई के तहत, एन_i> एन_iजिसके परिणामस्वरूप उत्तेजित अवशोषण की तुलना में उत्तेजित उत्सर्जन अधिक होता है, जिससे प्रकाश बढ़ जाता है।

(3) ऑप्टिकल रेज़ोनेटर: सक्रिय करने वाला पदार्थ केवल प्रकाश को बढ़ा सकता है। आवश्यक प्रतिक्रिया प्रदान करने और प्रकाश की आवृत्ति और दिशा का चयन करने के लिए सक्रिय पदार्थ को ऑप्टिकल रेज़ोनेटर में रखकर ही निरंतर प्रकाश प्रवर्धन और लेजर दोलन आउटपुट प्राप्त किया जा सकता है। लेजर दोलन उत्पन्न करने के लिए सक्रिय पदार्थ और ऑप्टिकल रेज़ोनेटर आवश्यक शर्तें हैं।

1) एक ऑप्टिकल गुंजयमान गुहा की संरचना। एक ऑप्टिकल गुंजयमान गुहा की संरचना चित्र 3-4 में दिखाई गई है। सक्रिय सामग्री के दोनों सिरों पर उचित स्थिति में क्रमशः प्रतिबिंब गुणांक आर 1 और आर 2 के साथ दो समानांतर दर्पण, एम 1 और एम 2 रखकर, सबसे सरल ऑप्टिकल अनुनाद गुहा का निर्माण होता है, जिसे फैब्री - पेरोट गुहा या एफपी गुहा भी कहा जाता है।

यदि दर्पण समतल दर्पण हैं, तो इसे समतल गुहा कहा जाता है; यदि दर्पण गोलाकार दर्पण हैं, तो इसे गोलाकार गुहा कहा जाता है। दोनों दर्पणों में से एक को प्रकाश को पूरी तरह से प्रतिबिंबित करने में सक्षम होना चाहिए, और दूसरे को आंशिक रूप से प्रतिबिंबित करने में सक्षम होना चाहिए।

चित्र 3-4 ऑप्टिकल गुंजयमान गुहा की संरचना

2) गुंजयमान गुहा में लेजर पीढ़ी की दोलन प्रक्रिया। लेज़र का एक योजनाबद्ध आरेख चित्र 3-5 में दिखाया गया है। जब कार्यशील माध्यम पंप स्रोत की कार्रवाई के तहत जनसंख्या व्युत्क्रमण को प्राप्त करता है, तो सहज उत्सर्जन उत्पन्न होता है। यदि सहज उत्सर्जन की दिशा ऑप्टिकल अनुनाद गुहा की धुरी के समानांतर नहीं है, तो यह अनुनाद गुहा से बाहर परिलक्षित होता है। केवल गुंजयमान गुहा की धुरी के समानांतर सहज उत्सर्जन ही मौजूद रह सकता है और आगे भी जारी रह सकता है। जब यह उच्च ऊर्जा स्तर पर किसी कण का सामना करता है, तो यह एक उत्तेजित संक्रमण उत्पन्न करता है, उच्च ऊर्जा स्तर से निम्न ऊर्जा स्तर तक संक्रमण में एक समान फोटॉन उत्सर्जित करता है - यह उत्तेजित उत्सर्जन है। जब उत्तेजित उत्सर्जन प्रकाश गुंजयमान गुहा के भीतर एक बार आगे और पीछे परावर्तित होता है, और चरण परिवर्तन बिल्कुल 2π का पूर्णांक गुणक होता है, तो एक ही दिशा में फैलने वाली कई उत्तेजित उत्सर्जन रोशनी एक दूसरे को सुदृढ़ करती हैं, जिससे प्रतिध्वनि उत्पन्न होती है। एक निश्चित तीव्रता तक पहुंचने के बाद, यह आंशिक दर्पण एम 2 के माध्यम से प्रसारित होता है, जिससे एक सीधी लेजर किरण बनती है। जब संतुलन पहुंच जाता है, तो गुंजयमान गुहा के भीतर प्रत्येक दौर की यात्रा के दौरान उत्तेजित उत्सर्जन प्रकाश द्वारा प्रवर्धित ऊर्जा वास्तव में खपत की गई ऊर्जा को रद्द कर देती है, जिस बिंदु पर लेजर एक स्थिर आउटपुट बनाए रखता है।

चित्र 3-5 लेजर का योजनाबद्ध आरेख

3) ऑप्टिकल गुंजयमान गुहा की अनुनाद स्थिति और अनुनाद आवृत्ति। मान लीजिए कि अनुनाद गुहा की लंबाई L है, तो अनुनाद गुहा की अनुनाद स्थिति है:

सूत्र में, c निर्वात में प्रकाश की गति है; λ लेजर तरंग दैर्ध्य है; n सक्रिय सामग्री का अपवर्तनांक है; एल ऑप्टिकल गुंजयमान गुहा की गुहा लंबाई है; और अनुदैर्ध्य मोड संख्या है,=1, 2, 3।

गुंजयमान गुहा केवल प्रकाश तरंग संतोषजनक समीकरण (3-1) की तरंग दैर्ध्य या प्रकाश तरंग संतोषजनक समीकरण (3-2) की आवृत्ति के लिए सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रदान करती है, जिससे वे गुहा के भीतर एक दूसरे को सुदृढ़ करते हैं और लेजर प्रकाश बनाने के लिए प्रतिध्वनित होते हैं।

चूँकि उत्तेजित उत्सर्जन प्रकाश केवल गुहा अक्ष (अनुदैर्ध्य दिशा) के साथ खड़ी तरंगें बनाता है, इन्हें अनुदैर्ध्य मोड कहा जाता है (विभिन्न मोड विभिन्न क्षेत्र वितरण के अनुरूप होते हैं)।

4) दोलन के लिए दहलीज की स्थिति। न्यूनतम लाभ सीमा जिस पर एक लेज़र लेज़र दोलन उत्पन्न कर सकता है उसे लेज़र की थ्रेशोल्ड स्थिति कहा जाता है (F-P गुहा में हानि होती है, और दर्पण से प्रकाश प्रतिबिंब और अपवर्तन भी लगातार फोटॉन का उपभोग करता है)। यदि गु थ्रेशोल्ड लाभ गुणांक का प्रतिनिधित्व करता है, तो दोलन के लिए थ्रेशोल्ड स्थिति है:

सूत्र में, ऑप्टिकल गुंजयमान गुहा में सक्रिय सामग्री का हानि गुणांक है; एल ऑप्टिकल गुंजयमान गुहा की गुहा लंबाई है; और और ऑप्टिकल गुंजयमान गुहा के दो दर्पणों के प्रतिबिंब गुणांक हैं।