আলোর উৎস কি?

আলোর উত্স বৈদ্যুতিক সংকেত থেকে রূপান্তর সক্রিয়অপটিক্যাল সংকেতএবং অপটিক্যাল ট্রান্সমিটার এবং ফাইবার অপটিক যোগাযোগ ব্যবস্থার মূল উপাদান। তাদের কর্মক্ষমতা সরাসরি ফাইবার অপটিক যোগাযোগ ব্যবস্থার কর্মক্ষমতা এবং গুণমান সূচক প্রভাবিত করে। এই বিভাগটি প্রধানত দুটি ধরণের আলোর উত্সের গঠন, কাজের নীতি এবং সম্পর্কিত বৈশিষ্ট্যগুলি উপস্থাপন করে: লেজার ডায়োড (এলডি, লেজার নামেও পরিচিত) এবং আলো-এমিটিং ডায়োড (এলইডি), এবং তাদের প্রযুক্তিগত বৈশিষ্ট্যগুলি প্রদান করে৷

লেজার সম্পর্কিত বেশ কয়েকটি শারীরিক ধারণা

◆লেজারের বৈশিষ্ট্য

◆হালকা-এমিটিং ডায়োড

ফোটনের ধারণা

আইনস্টাইনের আলোর কোয়ান্টাম তত্ত্ব বলে যে আলো শক্তি সহ ফোটন দ্বারা গঠিতhf, যেখানে h=6.628 × 10⁻¹³J·s, প্ল্যাঙ্কের ধ্রুবক হিসাবে পরিচিত, এবং f হল আলোক তরঙ্গের কম্পাঙ্ক। এই ফোটনগুলিকে ফোটন বলা হয়।

যখন আলো পদার্থের সাথে মিথস্ক্রিয়া করে, তখন ফোটনের শক্তি সম্পূর্ণরূপে শোষিত বা নির্গত হয়, আলোর তরঙ্গ-কণা দ্বৈত তত্ত্ব প্রতিষ্ঠা করে।

পারমাণবিক শক্তি স্তর

সেমিকন্ডাক্টর স্ফটিকগুলিতে, পারমাণবিক নিউক্লিয়াসের বাইরে ইলেকট্রনের কক্ষপথগুলি সংলগ্ন পরমাণুর ভাগ করা গতির কারণে বিভিন্ন ডিগ্রীতে ওভারল্যাপ করে। চিত্র 3-1 এ দেখানো হয়েছে, স্ফটিকের শক্তির মাত্রা আর কোনো একক পরমাণুর অন্তর্গত নয়; তারা একটি বিস্তৃত এলাকা জুড়ে যেতে পারে, এমনকি পুরো স্ফটিক জুড়ে। অন্য কথায়, মূল শক্তির স্তরগুলি শক্তি ব্যান্ডে রূপান্তরিত হয়েছে। বাইরের শক্তির স্তর দ্বারা গঠিত শক্তি ব্যান্ডকে বলা হয় পরিবাহী ব্যান্ড, এবং অভ্যন্তরীণ শক্তি ব্যান্ডগুলিকে ভ্যালেন্স ব্যান্ড বলা হয়। তাদের মধ্যবর্তী ব্যবধানে কোন ইলেকট্রন বিদ্যমান নেই; এই ব্যবধানটিকে ব্যান্ড গ্যাপ বলা হয়।

চিত্র 3-1 একটি স্ফটিকের শক্তির মাত্রা

আলো এবং বস্তুর মধ্যে মিথস্ক্রিয়া তিনটি মোড

আলো এবং পদার্থের মধ্যে মিথস্ক্রিয়া আলো এবং পরমাণুর মধ্যে মিথস্ক্রিয়া হ্রাস করা যেতে পারে, তিনটি শারীরিক প্রক্রিয়া সহ: উদ্দীপিত শোষণ, স্বতঃস্ফূর্ত নির্গমন এবং উদ্দীপিত নির্গমন। এই তিনটি মিথস্ক্রিয়া মোডের শক্তি স্তর এবং বৈদ্যুতিন রূপান্তর চিত্র 3-2 এ দেখানো হয়েছে।

চিত্র 3-2 আলো এবং পদার্থের মধ্যে মিথস্ক্রিয়া তিনটি মোডে শক্তি স্তর এবং বৈদ্যুতিন পরিবর্তন।

1) স্বাভাবিক অবস্থায়, ইলেকট্রন সাধারণত কম শক্তি স্তরে থাকে_a. আপতিত আলোর প্রভাবে, ইলেকট্রন ফোটনের শক্তি শোষণ করে এবং উচ্চ শক্তি স্তর E এ রূপান্তর করে₂, একটি photocurrent উৎপন্ন. এই রূপান্তরকে উদ্দীপিত শোষণ বলা হয়। এটি একটি ফটোডিটেক্টরের কাজের নীতি।

2) উচ্চ শক্তি স্তরে ইলেকট্রন₂অস্থির। এমনকি বাহ্যিক শক্তি ছাড়া, তারা স্বতঃস্ফূর্তভাবে নিম্ন শক্তি স্তর E-তে স্থানান্তরিত হবে_a, গর্তের সাথে পুনরায় মিলিত হয় এবং ফোটনে রূপান্তরিত শক্তি ছেড়ে দেয় যা বাইরের দিকে বিকিরণ করে। এই পরিবর্তনকে স্বতঃস্ফূর্ত নির্গমন বলা হয়। এটি একটি আলো-এমিটিং ডায়োডের (LED) কাজের নীতি৷ স্বতঃস্ফূর্তভাবে নির্গত আলো হল অসামঞ্জস্যপূর্ণ আলো।

3) যখন উচ্চ শক্তি স্তরে একটি ইলেকট্রন E_aশক্তি h সহ একটি বাহ্যিক ফোটন দ্বারা উত্তেজিত হয়_f, এটি নিম্ন শক্তি স্তর E এ রূপান্তর করতে বাধ্য হয়_a, ছিদ্রের সাথে পুনরায় মিলিত হয় এবং একই সাথে উত্তেজনা আলোর মতো একই ফ্রিকোয়েন্সি, ফেজ এবং দিক দিয়ে একটি ফোটন প্রকাশ করে (যাকে অভিন্ন ফোটন বলা হয়)।

যেহেতু এই প্রক্রিয়াটি একটি বাহ্যিক ফোটনের উত্তেজনার অধীনে উত্পন্ন হয়, তাই এই রূপান্তরকে উদ্দীপিত নির্গমন বলা হয়। এটি একটি লেজারের কাজের নীতি। উদ্দীপিত নির্গমন আলো সুসঙ্গত আলো।

জনসংখ্যার বিপরীত এবং আলোর পরিবর্ধন

উদ্দীপিত নির্গমন লেজার তৈরির চাবিকাঠি। নিম্ন শক্তি স্তরে কণার ঘনত্ব N, এবং উচ্চ শক্তি স্তরে কণার ঘনত্ব N² হতে দিন। স্বাভাবিক অবস্থায়, N > N², যার অর্থ উদ্দীপিত শোষণ সর্বদা উদ্দীপিত নির্গমনকে ছাড়িয়ে যায়; অর্থাৎ, তাপীয় ভারসাম্যের অধীনে, পদার্থ আলোকে প্রসারিত করতে পারে না।

আলোকে প্রসারিত করার জন্য, উদ্দীপিত নির্গমন অবশ্যই উদ্দীপিত শোষণকে অতিক্রম করতে হবে, এমনকি যদি N² > N (উচ্চ শক্তি স্তরে ইলেকট্রনের সংখ্যা নিম্ন শক্তি স্তরের সংখ্যার চেয়ে বেশি)। কণা সংখ্যার এই অস্বাভাবিক বণ্টনকে বলা হয় পপুলেশন ইনভার্সন।

পপুলেশন ইনভার্সন হল একটি পদার্থের আলোর পরিবর্ধন এবং আলো নির্গত করার প্রাথমিক শর্ত।

ডাইরেক্ট ব্যান্ডগ্যাপ এবং ইনডাইরেক্ট ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর

আলোর উদ্দীপিত নির্গমনে, শক্তি এবং ভরবেগ সংরক্ষণ করতে হবে। ব্যান্ড ফাঁক আকৃতি ভরবেগের সাথে সম্পর্কিত; ব্যান্ড গ্যাপ আকৃতির উপর ভিত্তি করে, সেমিকন্ডাক্টরকে ডিরেক্ট ব্যান্ড গ্যাপ এবং ইনডাইরেক্ট ব্যান্ড গ্যাপ প্রকারে ভাগ করা যেতে পারে, যেমন চিত্র 3-3 এ দেখানো হয়েছে। ডাইরেক্ট ব্যান্ড গ্যাপ সেমিকন্ডাক্টরগুলিতে, পরিবাহী ব্যান্ডের সর্বনিম্ন শক্তি স্তর এবং ভ্যালেন্স ব্যান্ডের সর্বাধিক শক্তি স্তরের একই গতি থাকে এবং ইলেকট্রনগুলি উল্লম্বভাবে স্থানান্তরিত হয়, যার ফলে চিত্র 3-3a তে দেখানো হয়েছে উচ্চ উজ্জ্বল দক্ষতা। পরোক্ষ ব্যান্ড গ্যাপ সেমিকন্ডাক্টরগুলিতে, ইলেক্ট্রন ট্রানজিশনের জন্য ভরবেগ সংরক্ষণ বজায় রাখতে অন্যান্য কণাকে অবশ্যই অংশগ্রহণ করতে হবে, যেমন চিত্র 3-3b এ দেখানো হয়েছে। শুধুমাত্র সরাসরি ব্যান্ড গ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপকরণ ব্যবহার করা যেতে পারে আলো-নিঃসরণকারী ডিভাইস তৈরি করতে; এই উপকরণগুলির মধ্যে রয়েছে GaAs, AlGaAs, InP, এবং InGaAsP।

চিত্র 3-3 ডাইরেক্ট ব্যান্ডগ্যাপ এবং ইনডাইরেক্ট ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর

লেজার নীতি

একটি সেমিকন্ডাক্টর লেজার হল একটি লেজার যা তার সক্রিয় মাধ্যম হিসাবে অর্ধপরিবাহী উপকরণ ব্যবহার করে; একে সেমিকন্ডাক্টর লেজার সেলফ-অসিলেটরও বলা হয়।

একটি লেজারের লেজারের আলো নির্গত করার জন্য, নিম্নলিখিত তিনটি শর্ত পূরণ করতে হবে: লেজারের আলো তৈরি করতে সক্ষম এমন একটি কার্যকারী পদার্থ (একটি সক্রিয় পদার্থও বলা হয়) থাকতে হবে; একটি উত্তেজনা উত্স থাকতে হবে (একটি পাম্প উত্সও বলা হয়) কার্যকারী পদার্থকে জনসংখ্যার বিপরীত অবস্থায় রাখতে সক্ষম; এবং ফ্রিকোয়েন্সি নির্বাচন এবং প্রতিক্রিয়া সম্পাদন করতে সক্ষম একটি অপটিক্যাল রেজোনেটর থাকতে হবে।

(1) লেজার আলো তৈরি করতে সক্ষম কার্যকারী পদার্থ হল এমন একটি পদার্থ যা জনসংখ্যার বিপরীত বন্টন অর্জন করতে পারে। একবার সক্রিয় হয়ে গেলে, কার্যকারী পদার্থকে সক্রিয় পদার্থ বা লাভ পদার্থ বলা হয় এবং এটি লেজার তৈরির জন্য একটি প্রয়োজনীয় শর্ত।

(2) পাম্প উত্স হল একটি বাহ্যিক উত্তেজনা উত্স যা কার্যকারী পদার্থকে জনসংখ্যার বিপরীত বন্টন অর্জন করতে দেয়। পাম্প উত্সের কর্মের অধীনে, এন_i> এন_i, উদ্দীপিত শোষণের চেয়ে বেশি উদ্দীপিত নির্গমনের ফলে, এইভাবে আলোকে প্রশস্ত করে।

(3) অপটিক্যাল রেজোনেটর: সক্রিয় পদার্থ শুধুমাত্র আলোকে প্রশস্ত করতে পারে। শুধুমাত্র প্রয়োজনীয় ফিডব্যাক প্রদান করতে এবং আলোর ফ্রিকোয়েন্সি এবং দিক নির্বাচন করার জন্য একটি অপটিক্যাল রেজোনেটরে সক্রিয় পদার্থ স্থাপন করলেই ক্রমাগত আলোর পরিবর্ধন এবং লেজার দোলন আউটপুট পাওয়া যায়। সক্রিয় পদার্থ এবং অপটিক্যাল রেজোনেটর লেজার দোলন তৈরির জন্য প্রয়োজনীয় শর্ত।

1) একটি অপটিক্যাল রেজোন্যান্ট গহ্বরের গঠন। একটি অপটিক্যাল রেজোন্যান্ট গহ্বরের গঠন চিত্র 3-4 এ দেখানো হয়েছে। দুটি সমান্তরাল আয়না, M1 এবং M2, যথাক্রমে প্রতিফলন সহগ r1 এবং r2, সক্রিয়কারী উপাদানের উভয় প্রান্তে উপযুক্ত অবস্থানে স্থাপন করার মাধ্যমে, সহজতম অপটিক্যাল রেজোন্যান্ট গহ্বর তৈরি হয়, যাকে ফেব্রি-পেরট গহ্বর বা FP গহ্বরও বলা হয়।

আয়নাগুলো সমতল দর্পণ হলে একে সমতল গহ্বর বলে; আয়নাগুলি যদি গোলাকার দর্পণ হয়, তবে একে গোলাকার গহ্বর বলে। দুটি আয়নার মধ্যে একটি অবশ্যই আলোকে সম্পূর্ণরূপে প্রতিফলিত করতে সক্ষম হবে এবং অন্যটি অবশ্যই আংশিকভাবে প্রতিফলিত করতে সক্ষম হবে।

চিত্র 3-4 একটি অপটিক্যাল রেজোন্যান্ট গহ্বরের গঠন

2) একটি অনুরণিত গহ্বরে লেজার জেনারেশনের দোলন প্রক্রিয়া। একটি লেজারের একটি পরিকল্পিত ডায়াগ্রাম চিত্র 3-5 এ দেখানো হয়েছে। যখন কাজের মাধ্যমটি পাম্প উত্সের ক্রিয়াকলাপের অধীনে জনসংখ্যার বিপরীতমুখী অর্জন করে, তখন স্বতঃস্ফূর্ত নির্গমন উৎপন্ন হয়। যদি স্বতঃস্ফূর্ত নির্গমনের দিকটি অপটিক্যাল রেজোন্যান্ট গহ্বরের অক্ষের সমান্তরাল না হয় তবে এটি অনুরণিত গহ্বর থেকে প্রতিফলিত হয়। অনুরণিত গহ্বরের অক্ষের সমান্তরালে শুধুমাত্র স্বতঃস্ফূর্ত নির্গমন বিদ্যমান এবং এগিয়ে যেতে পারে। যখন এটি একটি উচ্চ শক্তি স্তরে একটি কণার মুখোমুখি হয়, তখন এটি একটি উদ্দীপিত রূপান্তরকে প্ররোচিত করে, উচ্চ শক্তি স্তর থেকে নিম্ন শক্তি স্তরে রূপান্তরে একটি অভিন্ন ফোটন নির্গত করে - এটি উদ্দীপিত নির্গমন। যখন উদ্দীপিত নির্গমন আলো অনুরণিত গহ্বরের মধ্যে একবার সামনে পিছনে প্রতিফলিত হয়, এবং ফেজ পরিবর্তনটি 2π এর পূর্ণসংখ্যার গুণিতক হয়, তখন একই দিকে প্রচারিত বেশ কয়েকটি উদ্দীপিত নির্গমন আলো একে অপরকে শক্তিশালী করে, অনুরণন তৈরি করে। একটি নির্দিষ্ট তীব্রতা পৌঁছানোর পরে, এটি আংশিক মিরর M2 এর মাধ্যমে প্রেরণ করা হয়, একটি সোজা লেজার রশ্মি গঠন করে। যখন ভারসাম্য পৌঁছানো হয়, অনুরণিত গহ্বরের মধ্যে প্রতিটি রাউন্ড ট্রিপের সময় উদ্দীপিত নির্গমন আলো দ্বারা প্রসারিত শক্তি ঠিকভাবে ক্ষয়প্রাপ্ত শক্তিকে বাতিল করে দেয়, যেখানে লেজার একটি স্থিতিশীল আউটপুট বজায় রাখে।

চিত্র 3-5 লেজারের স্কিম্যাটিক ডায়াগ্রাম

3) একটি অপটিক্যাল রেজোন্যান্ট গহ্বরের অনুরণন অবস্থা এবং অনুরণিত ফ্রিকোয়েন্সি। অনুরণিত গহ্বরের দৈর্ঘ্য L হতে দিন, তাহলে অনুরণিত গহ্বরের অনুরণন অবস্থা হল:

সূত্রে, c হল একটি ভ্যাকুয়ামে আলোর গতি; λ হল লেজারের তরঙ্গদৈর্ঘ্য; n হল সক্রিয় পদার্থের প্রতিসরণকারী সূচক; L হল অপটিক্যাল রেজোন্যান্ট গহ্বরের গহ্বরের দৈর্ঘ্য; এবং অনুদৈর্ঘ্য মোড সংখ্যা,=1, 2, 3।

অনুরণিত গহ্বর শুধুমাত্র আলোক তরঙ্গ সন্তোষজনক সমীকরণ (3-1) বা আলোক তরঙ্গ সন্তোষজনক সমীকরণ (3-2) এর তরঙ্গদৈর্ঘ্যের জন্য ইতিবাচক প্রতিক্রিয়া প্রদান করে, যার ফলে তারা গহ্বরের মধ্যে একে অপরকে শক্তিশালী করে এবং লেজার আলো তৈরি করে।

যেহেতু উদ্দীপিত নির্গমন আলো শুধুমাত্র গহ্বরের অক্ষ বরাবর স্থায়ী তরঙ্গ গঠন করে (অনুদৈর্ঘ্য দিক), এগুলিকে অনুদৈর্ঘ্য মোড বলা হয় (বিভিন্ন মোডগুলি বিভিন্ন ক্ষেত্রের বন্টনের সাথে মিলে যায়)।

4) দোলনের জন্য থ্রেশহোল্ড শর্ত। ন্যূনতম লাভের সীমা যেখানে একটি লেজার লেজারের দোলন তৈরি করতে পারে তাকে লেজারের থ্রেশহোল্ড অবস্থা বলা হয় (F-পি গহ্বরের ক্ষতি হয় এবং আয়না থেকে আলোর প্রতিফলন এবং প্রতিসরণও ক্রমাগত ফোটনগুলিকে গ্রাস করে)। গু যদি থ্রেশহোল্ড লাভ সহগকে প্রতিনিধিত্ব করে, তাহলে দোলনের থ্রেশহোল্ড শর্ত হল:

সূত্রে, অপটিক্যাল রেজোন্যান্ট গহ্বরে সক্রিয় উপাদানের ক্ষতি সহগ; L হল অপটিক্যাল রেজোন্যান্ট গহ্বরের গহ্বরের দৈর্ঘ্য; এবং এবং তারা অপটিক্যাল রেজোন্যান্ট গহ্বরের দুটি আয়নার প্রতিফলন সহগ।