ઑપ્ટિકલ પમ્પિંગ

ઑપ્ટિકલ પમ્પિંગ : પ્રકાશ ઊર્જા વડે પરમાણુનું એક ઊર્જાસ્તરમાંથી બીજામાં સ્થાપન. પ્રકાશીય વિકિરણ (ર્દશ્ય વર્ણપટ કે તેની નજીકની પ્રકાશીય તરંગલંબાઈ) વડે, અણુ કે પરમાણુમાં જુદી જુદી ઊર્જા ધરાવતી, અમુક ક્વૉન્ટમ સ્થિતિના ઉષ્મીય સમતોલન(thermal equilibrium)માં પ્રબળ વિચલન ઉત્પન્ન કરવાની પ્રક્રિયા.

ઉષ્મીય સમતોલનના T K (કેલ્વિન) તાપમાને E₂ અને E₁ ઊર્જાના ક્વૉન્ટમ લેવલમાં સંબંધિત પરમાણુઓની સંખ્યા અનુક્રમે N₂ અને N₁ હોય, (E₂ > E₁) તો

અહીં k = બોલ્ટઝ્મૅનનો અચળ છે.

સમતોલન વખતે ઊંચા ઊર્જાસ્તરમાંના પરમાણુઓની સંખ્યા, નીચા ઊર્જાસ્તર કરતા હંમેશાં ઓછી હોય છે; અને બંને સ્તર વચ્ચેનો ઊર્જાનો તફાવત જેમ વધારે તેમ ઊંચા લેવલમાં પરમાણુઓની સંખ્યા ખૂબ ઓછી હોય છે. યોગ્ય પ્રણાલી (system) ઉપર પ્રકાશીય વિકિરણ આપાત કરીને, પરમાણુને નીચેની ઊર્જા-સ્થિતિમાંથી ઉપરની સ્થિતિમાં પમ્પ કરી શકાય છે; જેથી ઊંચી સ્થિતિના પરમાણુઓની સંખ્યામાં તેના સમતોલનમૂલ્ય કરતાં ઘણો વધારો થાય છે.

આ સિદ્ધાંતના પ્રારંભિક ઉપયોગમાં E₁ અને E₂ ઊર્જાસ્તર બહુ દૂર આવેલાં ન હતાં, જેથી તે બંને સ્તરમાંના પરમાણુની સમતોલન-સંખ્યામાં ખાસ તફાવત ન હતો. પ્રણાલીમાં એક ત્રીજા સ્તર E_૩ને એ પ્રમાણે પસંદ કરવામાં આવ્યું જે એકવર્ણી ર્દશ્ય પ્રકાશના શોષણ દ્વારા, E₁થી પહોંચી શકાય પરંતુ E₂થી નહિ. આમ ર્દશ્ય પ્રકાશ પરમાણુઓને E₁થી E_૩ સ્થિતિમાં ઉત્તેજિત કરે છે; જ્યાંથી તે સ્વત: (spontaneous) ઉત્સર્જન દ્વારા તેટલી જ સંભાવના(probab-ility)થી નીચેની સ્થિતિઓ E₂ અને E₁માં પાછા ફરે છે. ર્દશ્ય પ્રકાશ વડે થતું ઉત્તેજન (excitation) પ્રમાણમાં પૂરતું પ્રબળ હોય તો અમુક સમય પછી ઘણાખરા પરમાણુઓ E₂ સ્થિતિમાં અને થોડાક નીચેની E₁ ઊર્જા-સ્થિતિમાં હોય છે. આમ ઉત્તેજિત E_૩ સ્થિતિ દ્વારા પરમાણુઓને E₁થી E₂ સ્થિતિમાં પમ્પ કરવામાં આવે છે.

લેસર (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – LASER) ઘટના માટે ઑપ્ટિકલ પમ્પિંગ મહત્વનું છે; ઉદાહરણ તરીકે ‘રૂબી’ લેસરમાં, ઉત્તેજિત લેવલ E₂થી ધરા (ground) લેવલ E₁માં સંક્રમણ (transition) થવાથી પ્રતિદીપ્તિશીલ (fluorescent) રાતા પ્રકાશનું ઉત્સર્જન થાય છે. આ કિસ્સામાં E₂નું મૂલ્ય E₁ કરતાં પ્રમાણમાં ખૂબ ઊંચું હોય છે અને E₂ની સમતોલ સંખ્યા લગભગ શૂન્ય હોય છે. લેસર ઘટના દ્વારા રાતા પ્રકાશના વિવર્ધન માટે N₁ કરતાં N₂નું મૂલ્ય વધારે હોવું જોઈએ એટલે કે સંખ્યા-ઉત્ક્રમણ (population inversion) થવું જોઈએ. બાહ્ય ઉદગમના પ્રબળ લીલા કે જાંબલી રંગના પ્રકાશ વડે આવું ઉત્ક્રમણ મેળવી શકાય છે; જે રૂબીના સ્ફટિકમાં આવેલાં ક્રોમિયમના આયનોને E₂થી ઉપર આવેલા E_૩ લેવલમાં ઉત્તેજિત કરે છે. કોઈ પણ પ્રકારના વિકિરણ વિના આયન ઝડપથી E_૩માંથી E₂માં આવીને પડે છે, જ્યાં ઉત્તેજિત અવસ્થામાં તેનો જીવનકાળ પ્રમાણમાં લાંબો હોય છે. પૂરતું પ્રબળ પમ્પિંગ, ધરા લેવલ E₁માં રહેલાં આયનો કરતાં વધુ સંદીપ્તિશીલ (luminiscent) આયનોને E_૩ દ્વારા E₂માં ધકેલી આપે છે. આ પ્રમાણે ઉત્તેજિત ઉત્સર્જન દ્વારા રૂબીના રાતા ઉત્સર્જનનું પ્રવર્ધન થાય છે.

જે. જી. પટેલ

એરચ મા. બલસારા