લેઝર (લેસર)

લેઝર (લેસર) : પ્રકાશનું પ્રવર્ધન કરનાર પ્રયુક્તિ. લેઝર એ પ્રકાશની પાતળી અને તીવ્ર કિરણાવલી છે, જે ધાતુને ઓગાળી શકે છે, હીરામાં છિદ્ર પાડી શકે છે અને સાથે સાથે તે જુદાં જુદાં દૂરદર્શન-ચિત્રોના સંકેતોનું એક જ સમયે વહન કરે છે. ‘લેઝર’ (LASER) શબ્દ ‘Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation’ ઉપરથી બનેલો છે.

સૂર્ય, વિદ્યુત-ગોળા, પ્રસ્ફુરક (fluorescent) દીવા જેવા સ્રોતમાંથી મળતો પ્રકાશ અને લેઝરના પ્રકાશ વચ્ચે તફાવત છે. અન્ય સ્રોતમાંથી મળતો સાદો પ્રકાશ બધી દિશામાં પ્રસરે છે, જ્યારે લેઝરનો પ્રકાશ એકદમ દિશિક (directional) હોય છે એટલે કે આવો પ્રકાશ માત્ર એક જ દિશામાં ગતિ કરે છે. લેઝરનો પ્રકાશ સાંકડી કિરણાવલી રૂપે ગતિ કરે છે અને કિરણાવલીની બાજુએ લગભગ સમાંતર હોય છે. ઉદાહરણ રૂપે, 13 મિલિમીટર પહોળી લેઝરની કિરણાવલી એક કિલોમીટર જેટલું અંતર કાપ્યા બાદ 4.5 સેન્ટિમીટર જેટલી બાજુએ ફેલાય છે.

આવૃત્તિની બાબતે પણ સાદો પ્રકાશ અને લેઝરનો પ્રકાશ જુદા પડે છે. (આવૃત્તિ એટલે એક સેકન્ડમાં કંપનો કે દોલનોની સંખ્યા.) લેઝર પ્રકાશ ઘણું કરીને એક જ અથવા તો બહુ થોડીક આવૃત્તિઓ ધરાવે છે; જ્યારે સાદો પ્રકાશ ઘણીબધી આવૃત્તિઓ ધરાવે છે. લેઝર પ્રકાશ ઘણી ઓછી આવૃત્તિઓ ધરાવતો હોઈ વિદ્યુતચુંબકીય વર્ણપટ ઉપર તે સાંકડી આવૃત્તિ – અવધિ ધરાવે છે. લેઝર કિરણાવલીની આવૃત્તિઓ વિદ્યુતચુંબકીય વર્ણપટના દૃશ્ય વિસ્તારમાં જ હોય છે. અથવા તો અધોરક્ત અથવા પારજાંબલી વિભાગ(જે અદૃદૃશ્ય છે)માં પણ હોઈ શકે છે. બીજા સ્રોત વડે મળતા પ્રકાશની આવૃત્તિઓ વિદ્યુતચુંબકીય વર્ણપટના દૃશ્ય અને અદૃશ્ય વિસ્તારમાં મળે છે.

પ્રકાશ એ ઊર્જાનું સ્વરૂપ છે, જે પદાર્થના વ્યક્તિગત અણુ-પરમાણુમાંથી મુક્ત થાય છે. લેઝરનું કાર્ય સમજવા માટે પરમાણુઓની પ્રકૃતિ અને તે બીજા પરમાણુઓ સાથે તથા ઊર્જાનાં બીજાં સ્વરૂપો સાથે કેવી આંતરક્રિયા કરે છે તે સમજવાનું જરૂરી છે. પ્રત્યેક પરમાણુ ઊર્જાનો ભંડાર છે. પરમાણુમાં રહેલી ઊર્જાનો આધાર તેની ન્યૂક્લિયસ(નાભિ)ની આસપાસ ભ્રમણ કરતા ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિ ઉપર રહે છે. પરમાણુ જ્યારે ઊર્જાનું શોષણ કરે છે ત્યારે તેનું ઊર્જા-સ્તર વધે છે. આ સ્થિતિમાં પરમાણુ ઉત્તેજિત થયો હોય છે. ઉષ્મા, પ્રકાશ કે અન્ય પ્રકારની ઊર્જા પદાર્થમાં થઈને પસાર થાય અને તેના પરમાણુ તેનું શોષણ કરે ત્યારે પરમાણુઓ ઉત્તેજિત થયા કહેવાય. આવો ઉત્તેજિત પરમાણુ જ્યારે તેની મૂળ સામાન્ય અવસ્થામાં પાછો ફરે છે ત્યારે તે વધારાની ઊર્જાને પ્રકાશ-સ્વરૂપે મુક્ત કરે છે.

સ્વયંભૂ ઉત્સર્જનમાં, ઉત્તેજિત પરમાણુઓ પ્રકાશને અનિયમિત રીતે મુક્ત કરે છે. પરિણામે આવો પ્રકાશ ભિન્ન ભિન્ન આવૃત્તિઓ ધરાવે છે અને જુદી જુદી દિશામાં પ્રસરે છે. આ રીતે મળતા પ્રકાશને કલા-અસંબદ્ધ (incoherent) કહે છે. (જુઓ આકૃતિ 1a).

ઉત્તેજિત પરમાણુઓ વ્યવસ્થિત રીતે પણ પ્રકાશનું ઉત્સર્જન કરતા હોય છે. આ પ્રકાશ જે ઉદ્દીપિત ઉત્સર્જન (stimulated emission) છે તે લેઝરમાં હાર્દરૂપ છે. જ્યારે એક પરમાણુમાંથી મુક્ત થયેલી ઊર્જા બીજા ઉત્તેજિત પરમાણુ સાથે આંતરક્રિયા કરે છે ત્યારે ઉદ્દીપિત ઉત્સર્જન થાય છે. આંતરક્રિયા ઉત્તેજિત પરમાણુને વિમોચિત (trigger) કરતાં તેની પોતાની વધારાની ઊર્જા પ્રકાશ રૂપે મુક્ત કરે છે. આ રીતે પેદા થતા પ્રકાશની આવૃત્તિ ટ્રિગરિંગ પ્રકાશની આવૃત્તિ જેટલી હોય છે. આ પ્રકાશ પણ એ જ દિશામાં ગતિ કરે છે. અને તેથી તેની સાથે જોડાય છે અને ટ્રિગરિંગ પ્રકાશનું પ્રવર્ધન કરે છે. આવા પ્રકાશને સુસંબદ્ધ (coherent) કહે છે. (જુઓ આકૃતિ 1b).

લેઝરના મુખ્ય ભાગોમાં ઊર્જા-સ્રોત અને પ્રકાશપ્રવર્ધનથી પદાર્થના પરમાણુઓને ઉત્તેજિત કરી શકાય છે. લેઝર વડે પેદા થતી કુલ ઊર્જા ઊર્જા-સ્રોત વડે પેદા થતી ઊર્જા કરતાં હમેશાં ઓછી હોય છે. તે છતાં લેઝર અત્યંત તીવ્ર પ્રકાશ પેદા કરે છે. લેઝર પ્રકાશની આવૃત્તિ ઉપયોગમાં લીધેલા પ્રકાશ-પ્રવર્ધન પદાર્થ ઉપર આધાર રાખે છે.

લેઝર સુસંબદ્ધ પ્રકાશ પેદા કરે છે. સુસંબદ્ધ પ્રકાશના તરંગો એકબીજા સાથે તાલબદ્ધ રીતે આગળ વધે છે. પરિણામે ઘણું અંતર કાપ્યા પછી થોડુંક જ ફેલાય છે. પ્રકાશ-પ્રવર્ધન પદાર્થના સંદર્ભમાં લેઝરના ત્રણ પ્રકાર છે : (1) ઘન (solid) લેઝરો, (2) પ્રવાહી લેઝરો, (3) વાયુ લેઝરો.

ઘન લેઝરોમાં સ્ફટિક કાચ અથવા અર્ધવાહક(semi-conductor)નો પ્રકાશ-પ્રવર્ધન પદાર્થ તરીકે ઉપયોગ થાય છે. અર્ધવાહકમાં વિદ્યુતનું વહન થાય છે; પણ તાંબા અથવા લોખંડ જેવા સુવાહકમાં થાય છે તે પ્રમાણે નહિ.

સ્ફટિક લેઝરોમાં પ્રકાશ-પ્રવર્ધન પદાર્થ તરીકે માણેક (ruby) જેવા પ્રસ્ફુરક પદાર્થનો ઉપયોગ થાય છે. રૂબી લેઝરો માટે જરૂરી પાવર સ્ફુરનળી(flush tube)માંથી આવે છે. સ્ફુરનળી સ્ફટિકની આજુબાજુ ગૂંચળાં રૂપે લપેટાયેલી હોય છે. સ્ફુરનળી તેજસ્વી પ્રકાશ પેદા કરે છે. સ્ફુર માણેકમાં રહેલા સંખ્યાબંધ આયનો(ions)ને પ્રકાશ ઉત્તેજિત કરે છે. (આયન એટલે વિદ્યુતભારિત પરમાણુ.) આ પ્રક્રિયાને પ્રકાશીય પંપિંગ (optical pumping) કહે છે. રૂબી(માણેક)નું કાર્ય આકૃતિ 2a, 2b, 2c, 2dમાં દર્શાવ્યું છે.

રૂબી લેઝરથી સખત દ્રવ્યને પણ ઓગાળી શકાય છે. તે પ્રકાશના પ્રસ્ફોટ (bursts) પેદા કરે છે. એક જ પ્રસ્ફોટ વડે સ્ટીલમાં 1.5 મિલિમીટર જેટલું કાણું (છિદ્ર) પાડી શકે છે. રૂબી લેઝરમાં સામાન્યત: પ્રકાશના પ્રસ્ફોટ જ પેદા થાય છે, કારણ કે સ્ફુરનળી રૂબીમાં પ્રબળ ઉષ્મા પેદા કરે છે.

ગ્લાસ લેઝર રૂબી લેઝરની જેમ કાર્ય કરે છે. અહીં પ્રકાશ-પ્રવર્ધન પદાર્થ તરીકે રૂબીને બદલે કાચનો ઉપયોગ થાય છે.

અર્ધવાહક લેઝરોને ડાયોડ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. તેમાં પ્રકાશ-પ્રવર્ધન પદાર્થ તરીકે અર્ધવાહકનો સૂક્ષ્મ ઘન ટુકડો વપરાય છે.  સામાન્યત: ગૅલિયમ આર્સેનાઇડનો ઉપયોગ થાય છે. અર્ધવાહક બે સ્તર ધરાવે છે, જે વિદ્યુતભારથી જુદા પડે છે. અર્ધવાહકમાં પસાર થતો વિદ્યુતપ્રવાહ જંક્શન ઉપર પૂરી ક્ષમતા સાથે સુસંબદ્ધ પ્રકાશ પેદા કરે છે. આવા અર્ધવાહક લેઝરનું કદ ખૂબ નાનું હોવાથી ટેલિફોન, ટેલિવિઝન વગેરેમાં તેનો સારી રીતે ઉપયોગ થાય છે.

વાયુલેઝરમાં પ્રકાશ-પ્રવર્ધન પદાર્થ તરીકે વાયુ અથવા વાયુઓના મિશ્રણનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. હીલિયમ-નિયૉન, આર્ગન-આયન અને કાર્બનડાયૉક્સાઇડનો ખાસ કરીને ઉપયોગ થાય છે. ઘણું કરીને લેઝર વાયુને કાચ અથવા ક્વાર્ટ્ઝની નળીમાં લેવામાં આવે છે. આવી નળીની લંબાઈ 30થી 90 સેંટિમીટર સુધીની હોય છે. સંદેશાવ્યવહાર માપન અને તબીબી ક્ષેત્રે વાયુલેઝરોનો ઘણો ઉપયોગ થાય છે.

પ્રવાહી લેઝરો પ્રકાશના પ્રસ્ફોટ અને સળંગ પ્રકાશ બંને પેદા કરે છે. ઘણાંખરાં પ્રવાહી લેઝરોમાં મિથેનૉલ અથવા તેવા પ્રવાહીમાં ઓગાળેલ રહોડેમાઇન (69) જેવા રંગદ્રવ્ય (dye)રંજકનો ઉપયોગ થાય છે. આ પદાર્થને કાચની નળીમાં લેવામાં આવે છે. પ્રવાહી લેઝર પ્રસ્ફોટ પેદા કરે તેવા ઊર્જાના સ્રોત તરીકે સ્ફુરનળીનો ઉપયોગ થાય છે; સળંગ પ્રકાશ પેદા કરે તેવાં લેઝરોમાં ઊર્જાના સ્રોત તરીકે વાયુલેઝરનો ઉપયોગ થાય છે. અણુ અને પરમાણુની બનેલી પ્રણાલીના અભ્યાસ માટે વિજ્ઞાનીઓ પ્રવાહી લેઝરનો ઉપયોગ કરે છે.

લેઝરોના ઉપયોગો : (1) સંદેશાવ્યવહાર, (2) ઉદ્યોગો, (3) તબીબી ક્ષેત્ર, (4) લશ્કરી કામગીરી અને (5) વૈજ્ઞાનિક સંશોધનમાં લેઝરોનો ઉપયોગ થાય છે.

સંદેશાવ્યવહારમાં : લેઝર ધ્વનિ-સંદેશા અને દૂરદર્શન સંકેતોનું પ્રેષણ કરે છે. રેડિયો અને ટેલિવિઝન સંકેતો માટે સામાન્ય ઇલેક્ટ્રૉનિક પ્રેષણ પ્રણાલી કરતાં લેઝરોનો ઉપયોગ વધુ અનુકૂળ છે. ગ્લાસ-ફાઇબરમાંથી લેઝર દ્વારા બીજી પદ્ધતિ કરતાં સંદેશાને ઘણા લાંબા અંતર સુધી મોકલી શકાય છે. તેમાં ઊર્જાનો કે સ્પષ્ટતાનો ખાસ ક્ષય થયો નથી. વળી અન્ય સંચારણ-પ્રયુક્તિઓમાં તેનો ઉપયોગ થાય છે. વળી વધારે ઝડપી ફોટો કૉપિયર, પ્રિન્ટર, સંક્ષિપ્ત ડિસ્ક પ્લેયર અને કેટલીક વખત વિડિયો ડિસ્ક પ્લેયરમાં પણ તેનો ઉપયોગ થાય છે.

ઉદ્યોગોમાં : અહીં લેઝરના વિવિધલક્ષી ઉપયોગો થાય છે. આરી (કરવત) ઉપર દાંતા પાડવા, સૂક્ષ્મ શારકામમાં, બુલડોઝરને માર્ગદર્શન આપવા વગેરેમાં લેઝરનો ઉપયોગ થાય છે. પ્રચંડ પ્રબળ ઊર્જાના સ્રોત તરીકે પણ તેનો ઉપયોગ થાય છે. ખૂબ ઓછા વિસ્તાર ઉપર લેઝર બીમને કેન્દ્રિત કરવામાં આવે તો લગભગ 5,500° સે. તાપમાન પેદા કરી શકે છે. આથી ખૂબ કઠણ દ્રવ્યને ઓગાળવા માટે લેઝર વપરાય છે. ધાતુના સૂક્ષ્મ ભાગોને તેમજ ઇલેક્ટ્રૉનિક સામગ્રીમાં ઘટકોનું રેણ કરવા માટે લેઝરનો ઉપયોગ થાય છે.

તબીબી ક્ષેત્રોમાં : શરીરમાં રોગિષ્ઠ પેશી(tissue)ને દૂર કરવા માટે તબીબો લેઝરથી પેદા થતી ઉષ્માનો ઉપયોગ કરે છે. નાદુરસ્ત ઉત્તકનો સેકન્ડના છઠ્ઠા ભાગમાં તે નાશ કરે છે. પણ તે સાથે કોઈક વખત બાજુના તંદુરસ્ત ઉત્તકને હાનિ પહોંચે છે. ‘રેટિનલ ડિટૅચમેન્ટ’ને ઠીક કરવા માટે આંખના સર્જ્યનો લેઝરનો ઉપયોગ કરે છે. શસ્ત્રક્રિયા દરમિયાન રુધિરવાહિનીને બંધ કરીને રુધિરસ્રવણ અટકાવવા માટે પણ તેનો ઉપયોગ થાય છે.

લશ્કરી કાર્યવાહીમાં : એરક્રાફ્ટ કે વહાણ ઉપર લેઝર કિરણ નાખતાં તેનું પરાવર્તન થાય છે અને તેને આધારે તેમનાં અંતર અને ગતિ જાણી શકાય છે. કેટલાક બૉંબ અને આર્ટિલરી ગોળાઓને લક્ષ્ય ઉપર લઈ જવા માટે તે માર્ગદર્શન આપે છે. લેઝર રેન્જ ફાઇન્ડર અને લેઝર ગાઇરોસ્કોપ(gyroscope)નો ઉપયોગ લશ્કરી અને વ્યાપારી નૌસંચાલનમાં થાય છે.

વૈજ્ઞાનિક સંશોધનમાં : યુરેનિયમના સમસ્થાનિકો (isotopes) છૂટા પાડવા વિજ્ઞાનીઓ લેઝરનો ઉપયોગ કરતા હોય છે. પ્લાઝ્મા તરીકે ઓળખાતો ગરમ ગરમ વાયુ લેઝર વડે પેદા કરી શકાય છે.

ઇતર ઉપયોગો : કલાના નાજુક ટુકડાની સફાઈ તથા પૃથ્વીના પેટાળમાં વિસ્થાન(shifts)નું મૉનિટરિંગ કરવામાં, અદૃશ્ય ફિંગરપ્રિન્ટ વિકસાવવા હૉલૉગ્રાફી તરીકે જાણીતી ત્રિપારિમાણિક ફોટોગ્રાફીમાં લેઝરનો ઉપયોગ થાય છે.

આશા પ્ર. પટેલ