லேஸர், மேஸர் ஒளிக்கதிர்கள் ஒப்பற்ற புதிய ஒளிக்கருவிகள்-2 (New Tools: Laser & Maser Beams)

This entry is part of 28 in the series 20050729_Issue

சி. ஜெயபாரதன் B.E.(Hons) P.Eng (Nuclear), கனடா


ஒளியைக் கயிறாய் முறுக்கிடுவோம்!

ஊசி முனைக்குள் நுழைத்திடுவோம்!

ஒளியை ஊசி முனையாக்கி

ஊனக் கண்ணைத் திருத்திடுவோம்!

உளியாய் வடித்து வைரங்களை

உரித்துப் பட்டை தீட்டிடுவோம்!

வான்வெளி வீதியில் தவழ்கின்ற

வால்மீன் வயிற்றை ஆய்ந்திடுவோம்!

கதிரவன் ஒளியை நூலாக்கி

கடல்தட்டுக் கிழிசலைத் தைத்திடுவோம்!

முன்னுரை: 1969-1972 ஆண்டுகளில் சந்திர மண்டலத்தில் தடம் வைத்து பூமிக்கு மீளும் மனிதரியக்கிய அப்பெல்லோ விண்வெளித் திட்டத்தில், ஒருமுறை அண்டவெளி விமானிகள் நிலவின் தளத்தில் குவார்ட்ஸ் படிக ஒளியனுப்பி [Quartz Reflector] ஒன்றை நிரந்தரமாக வைத்து மீண்டனர். அப்படிகம் நிலவின் லேஸர் ஒளியனுப்பியாகும் [Lunar Laser Reflector]. பின்னால் பூமியிலிருந்து நிலவு நோக்கி அனுப்பிய ஒளிக்கற்றை 238,000 மைல் பயணம் செய்து குவார்ட்ஸ் படிகத்தில் எதிரொளிக்கபட்டு மீண்டும் புவிக்கு வந்து வரலாற்று விந்தை புரிந்தது! அதே சமயத்தில் ஒளிக்கதிரைப் பயன்படுத்தி தகவல் தொடர்பு போக்குவரத்தை நிலைநாட்டும் பொறிநுணுக்கம் 1960-1970 ஆண்டுகளில் விருத்தி செய்யப்பட்டது. 1917 ஆம் ஆண்டில் ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டைன் வெளியிட்ட ஒளிப்பண்பின் சுயயெழுச்சி, தூண்டெழுச்சி [Spontaneous & Stimulated Emissions of Light] என்னும் நியதிகளைக் கையாண்டு தமது முதல் நுண்ணலைக் [Microwaves] கண்டுபிடிப்பான மேஸர் சாதனத்துக்குப் பயன்படுத்தி, 1958 இல் பெல் ஆய்வகத்தின் இருபெரும் விஞ்ஞானிகள் சார்லஸ் டெளனஸ் (Charles Townes), ஆர்தர் ஷாவ்லோவ் [Arthur Schawlow] ஆகியோர் ஒற்றை அதிர்வு [Single Frequency] உடைய ஒளிக்கதிரை எப்படி ஆக்குவது என்பதைக் கண்டறிந்தார்கள். முதலில் லேஸர் பொறி நுணுக்கத்தைக் கண்டுபிடித்துப் பெயரிட்டவர் அமெரிக்க விஞ்ஞானி கார்டன் கெளடு [Gordon Gould (1920-….)] என்பவராயினும், லேஸர் ஒளிக்கருவிச் சாதனத்தை முதல் உருவாக்கி லேஸர் ஒளிக்கற்றை ஆக்கியவர் தியோடர் மெய்மான் [Theodore Maiman]. அடுத்து 1980 இல் முதன்முதல் லேஸர் மூலம் அறுவைச் சிகிட்சை செய்த டாக்டர் லியான் கோல்டுமன் [1905-1997] லேஸர் மருத்துவ மேதை என்று போற்றப்படுகிறார்.

வெப்பக் கனலில் மூலகங்களின் மூலக்கூறைச் [Molecules of Elements] சூடாக்கியோ அல்லது குறிப்பிட்ட ஓர் அதிர்வு கொண்ட ஒளிப்பொழிவில் மூலக்கூறை நனைத்தோ, ஒரு மூலக்கூறின் சக்தி அளவை மிகையாக்க முடியும். வேறுபட்ட அதிர்வுள்ள ஒளிக்கதிர் மூலக்கூறைக் குறுக்கிடும் போது, மூலக்கூறின் ஓரளவு சக்தியை இழக்கச் செய்கிறது. மேற்கொண்டு குறுக்கிடும் ஒளியதிர்வில், கதிர் செல்லும் அதே திசையில் ஒளிக்கதிரை மேலும் மிகையாக்குகிறது. புதிதாக உண்டான ஒளிக்கதிர் அடுத்துள்ள மூலக்கூறில் முன்பு விளக்கியவாறு மிகையான ஒளியை அடுத்தும் உண்டாக்கி ஒளிக்கற்றையின் தீவிரத்தை [Intensity of the Beam] அதிகமாக்குகிறது. அதுவே லேஸர் ஒளிக்கற்றை எனப் பெயரிடப் படுகிறது. 1953 இல் சார்லஸ் டெளனஸ் முதன்முதல் தூண்டு ஒளியெழுச்சி நியதியை மெய்ப்பித்து நுண்ணலை பெருக்கியான மேஸர் [(MASER) Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation] ஒளிச் சாதனத்தை ஆக்கினார். 1980 இன் மத்திம காலத்திற்குள் ஆயிரக்கணக்கான லேஸர் பயன்பாடுகள் தொழில், மற்றும் மருத்துவத் துறைகளில் பெருகிவிட்டன. நுண்ணலைகளை விட 100,000 மடங்கு அதிக அதிர்வில், கண்ணுக்குப் புலப்படும் ஒளிக்கதிர்ப் பட்டை [Light Spectrum] 80 மில்லியன் தொலைக்காட்சி மின்வழிப் போக்குகளை [Television Channels] ஏற்றிச் செல்ல முடியும்.

லேஸர் ஒளிக்கதிர் எப்படி உண்டாகிறது ?

ஒளி அலைகளைத் தூண்டு எழுச்சி மூலமாகப் பெருக்கிடும் முறையே லேஸர் சாதனத்தில் பயன்படுத்தப் படுகிறது [Stimulated Emission to Amplify Light Waves]. ஒளியைப் பெருக்கி மிக்க அலைகளை உண்டாக்க ஒரு முறையில் மின்காந்தக் கற்றை [Electromagnetic Beam] உபயோகமாகிறது. உதாரணமாக ஒரு வாயுப் பண்டத்தில் மின்சக்தி பாயும் போது சுய எழுச்சியில் ஒளி வீசுகிறது. வாயுவின் அணுவிலுள்ள ஓர் எலெக்டிரான் சக்தியை விழுங்கி, அணுவைக் கொத்தளிப்பில் தள்ளுகிறது. அந்த எலெக்டிரான் மிஞ்சிய சக்தியை வெளியேற்றி மின்காந்த கதிர்வீச்சை எழுப்பி சுய யெழுச்சி ஒளியாக வீசிகிறது. கொந்தளிக்கும் ஓரணு அடுத்த ஓரணுவைத் தாக்கும் போது, அதைக் கிளரிவிட்டு மற்றுமோர் அலையை எழுப்பி, முதல் அலைக்கு இணையாகத் தடமிட்டுச் [Parallel & in Step] செல்கிறது.

தூண்டப்பட்ட அலை எழுச்சி முதல் அலைப் பெருக்கத்துக்குக் காரணமாகிறது. இவ்விரண்டு அலை ஓட்டங்களும் அடுத்து கொந்தளிக்கும் அணுக்களை மீண்டும், மீண்டும் தாக்கி, மிகப் பெரும் சீரான ஒளிக்கற்றையை உருவாக்குகிறது. கொந்தளிப்பற்ற அணுக்களை அவை தாக்கினால், சக்தி விழுங்கப்பட்டு ஒளிப்பெருக்கம் தணிந்து இழக்கப் படுகிறது. கொந்தளிக்கும் அணுக்கள் மிகையாக, மிகையாக தூண்டு எழுச்சியும் அதிகமாகி ஒளிப்பெருக்க வாய்ப்பும் உயர்கிறது. சார்லஸ் டெளனஸ் தனது மேஸர் ஒளிக்கதிர்ச் சாதனத்துக்கு அம்மோனியா வாயு மூலக்கூறுகளை [Ammonia Molecules] கொந்தளிக்க வைத்து, நுண்ணலைகளைப் [Microwave Amplification] பெருக்கினார். அம்மோனியா மூலக்கூறுகள் மென்மேலும் மிகையான நுண்ணலைகளை உண்டாக்கிச் சாதனத்திலிருந்து இறுதியில் ஆற்றல் மிக்க ஒற்றைக் கதிர் வெளிவந்தது. தற்போது மேஸர் ஒளிக்கற்றைகள் செயற்கைத் துணைக்கோள் நுண்ணலைத் தொடர்புகளுக்குப் [Satellite Microwave Communication] பயன்படுகிறது.

எத்தனை வித லேஸர்கள் உள்ளன ?

இப்போது பல்வேறு விதமான லேஸர் ஒளிக்கற்றைகள் உள்ளன. திடவ, திரவ, வாயு அல்லது அரைக்கடத்திப் பண்டங்கள் [Solid, Liquid, Gas or Semiconductor Materials] மூலமாக லேஸர் சாதனங்களை வடிக்க முடியும். திடவப் பண்டத்தில் ரூபிப் படிமம் அல்லது நியோடிமியம் [Ruby Crystal or Neodymium (Yttrium-Aluminium Garnet) ‘Yag ‘ Lasers] பயன்படுகிறது. நியோடிமியம் லேஸர் அகச்சிவப்பு ஒளியை (Infra-red) 1064 நாநோ-மீடர் அலை நீளத்தில் [1 nanometer= 1×10^(-9) meter] உண்டாக்குகிறது. சாயநீர் லேஸர் [Dye Laser] சிக்கலான ஆர்கானிக் சாயங்களின் மூலம் [Organic Dyes (Rhodamine 6G)] ஆக்கப் படுகின்றன. வாயு லேஸர்களில் ஹிலியம்+ஹீலியம்/நியான், அல்லது ஹீலியம்/நியான், கார்பன் டையாக்ஸைடு போன்ற வாயுக்கள் பயன்படுத்தப் படுகின்றன. அவற்றின் பிரதம வெளிவீச்சு, புலப்படும் செவ்வொளி (Visible Red Light). கார்பன் டையாக்ஸைடு லேஸர் (CO2 Laser) அகச்சிவப்பு அப்பாற்பட்ட எல்லை அலை நீளத்தில் இருக்கும் சக்தியை வெளியிடுகிறது. CO2 லேஸர் மிகக் கடினப் பண்டங்களை வெட்ட உபயோகமாகிறது.

எக்ஸைமர் லேஸர் [Excimer Laser (Excited Dimers)] இரசாயன முறையில் இணையும் வாயுக்களான குளோரின், ஃபுளோரின் [Chlorine & Fluorine] ஆகியவை முடத்துவ வாயுக்களான ஆர்கான், கிரிப்டான் அல்லது ஸெனான் [Inert Gases like Argon, Krypton or Xenon] வாயுக்களால் கலக்கப்பட்டுப் பயன்படுகின்றன. டைமர் என்னும் போலி மூலக்கூறு [Pseudo Molecule] உண்டாகி, புறஊதா ஒளியலையை உண்டாக்குகிறது. அரைக்கடத்தி லேஸர்கள் சில சமயங்களில் இருமுனைக் குமிழி லேஸர் [Diode (Thermionic Valve) Lasers] என்று அழைக்கப் படுகின்றன. அந்த மின்னியல் குமிழிகள் சொற்ப அளவு மின்னாற்றலை எடுத்துக் கொள்கின்றன. அந்த வித லேஸர்கள் CD தட்டுப் பிரதி எடுக்கவும், லேஸர் அச்சடிப்பு யந்திரங்களிலும் [CD Recorders, Players, Laser Printers] பயன்படுகின்றன.

தியோடர் மெய்மான் முதன்முதல் ஆக்கிய ரூபிப் படிம லேஸர் ஒரு முடத்துவ மின்னிலை லேஸர் [Ruby Crystal Laser is a Solid-State Laser]. வாயு போன்று அசையும் துகளற்ற மின்னியல் இணைப்புத் தட்டுகளைக் [Transistor Circuits] கொண்டது. ரூபி லேஸரில் காமிரா மின்னல் வெட்டு போன்று ஒரு மின்வீச்சுக் குழல் [Flash Tube], ரூபிக் கோல், இரண்டு வெள்ளிக் கண்ணாடிகள் [Two Silver Mirrors] உள்ளன. அவற்றில் ஒன்று பகுதி அளவில் வெள்ளி முலாம் [Partialy Silvered] பூசப்பட்டுள்ளது. மின்வீச்சுக் குழல் ரூபிக் கோல் லேஸர் ஊடகமாகவும் [Medium], அழுத்தி அனுப்பும் ஒளிப் பம்பாகவும் [Optical Pump] பயன்படுகிறது. மின்வீச்சுக் குழல் ஒளியை ரூபிக் கோல் ஊடே தள்ளுகிறது. அப்போது கோலின் அணுக்களை ஒளிச்சக்தி கொந்தளிக்க வைத்து, சில அணுக்கள் ஒளித்திரளை [Photons] வெளியாக்கி கோலுக்கு இணையாக நகர்த்தும். அவை வெள்ளி ஆடிகளில் எதிரொளிக்கப்பட்டு அங்குமிங்கும் தள்ளப்பட்டு, கோல் வழி மீண்டும் செல்லும் போது தூண்டு எழுச்சி நியதியில் ஒளித்திரள்கள் பெருக்கம் அடைகின்றன. இவ்விதம் ஒளித்திரள்களின் பெருக்கம் மிகையாகி இறுதியில் பகுதி வெள்ளி முலாம் பூசிய தட்டின் துளை வழியாக ஒற்றை லேஸர் கதிர் வெளியாகிறது.

பண்டங்களின் முப்புற வடிவத்தை எப்படிப் படமெடுப்பது ?

1947 இல் பிரிட்டிஷ் விஞ்ஞானி டெனிஸ் கேபர் [Dennis Gabor] என்பவர் முதன்முதலில் முப்புற வடிவியல் நியதியை பொறிநுணுக்க முறையில் விருத்தி செய்தார். ஆனால் 1960 ஆண்டுகளில் லேஸர் சாதனம் அமைக்கப் பட்ட பின்பே, அம்முறை சாதிக்கப்பட ஏதுவாயிற்று. 1980 ஆண்டுகளின் இறுதிக் கட்டத்திலேதான் முப்புற வண்ண வடிவங்கள் தயாரிக்கப் பட்டன. முப்புறம் காணும் லேஸர் ஒளிக்கதிரின் அலை நீளம் நுண்ணலைக்கும், எக்ஸ்ரேயிக்கும் இடைப்பட்டது. முப்புற வடிவெடுப்பு [Holography (3D Image)] என்பது லேஸர் சாதனம் மூலமாக ஒரு பண்டத்தின் மூன்று பக்கங்களைப் படமெடுக்கலாம். அது போல மருத்துவ ஆய்வுகளுக்கு அல்லது சிகிட்சைகளுக்கு மானிட உடம்பின் உட்புற உறுப்புக்களின் முப்புற வடிவங்களை நோக்கலாம். லேஸர் ஒளிச் சாதனம் போன்று, தீவிரப் புறவொலிச் சாதனக் [Ultrasonic Hologram] கருவிகளும் முப்புற வடிவப் படங்களைத் தயாரிக்க உதவுகிறது.

பல்வேறு லேஸர் வகுப்பினங்கள்

லேஸர் ஒளிக்கதிர்கள், எக்ஸ்ரே கதிர்கள் போல் உயிரினங்களுக்குத் தீங்கிழைப்பவை. உயிரினங்களுக்கு விளையும் தீங்குகளைச் [Biological Hazard] சார்ந்து, லேஸர் கதிர்களின் தீவிரத்துக்கு ஏற்ப அவை பல்வேறு இனங்களில் பிரிக்கப்படுகின்றன. லேஸர் ஒளிச் சாதனம் ஒன்றை ஒருவர் காணும் போது பிற்காணும் பிரிவுகள் ஒன்றின் முத்திரை அதில் காணப்படும்.

வகுப்பினம்: I மிக்கச் சிறிதளவு தீவிரமுள்ள கிளாஸ்: I [Class I] லேஸரால் உயிரினங்களுக்கு எவ்விதத் தீங்கும் விளையாது. லேஸர் 1 mW ஆற்றலுக்குக் குறைந்தது.

வகுப்பினம்: IA குறிப்பிட்ட இந்த லேஸரை யாரும் கண்ணால் பார்க்கக் கூடாது. பெரும் வர்த்தக்கடைகளிீல் பட்டைக்கோடு உளவியாகப் [Bar Code Scanner] பயன்படும் பார்கோடு ஸ்கானரான இந்த லேஸர் ஒளிக் கண்களைப் பாதிக்கும். வகுப்பினம் IA லேஸரின் மேற்பட்ட ஆற்றல் வரையறை: 4.0 mW.

வகுப்பினம்: II இவை வகுப்பினம் I விட சற்று மிகையான ஆனால் கீழளவு ஆற்றல் கொண்டு புலப்படும் லேஸர் வகையே. ஆற்றல் வரையறை: 1 mW. கண்ணிமைகள் தாமாகத் தட்டிக் காத்துக் கொள்ளும் தன்மையே இதற்குப் போதுமானது.

வகுப்பினம்: IIIA இடைநிலை ஆற்றல் கொண்ட இவ்வகை லேஸர்ச் சாதனங்கள் பேனா போல் இருப்பவை. ஆற்றல் வரையறை (1 to 5) mW.

வகுப்பினம்: IIIB இடைநிலைத் தரத்தில் வேறொரு வகை இது.

வகுப்பினம்: IV இவையாவும் மிகையான ஆற்றல் கொண்ட லேஸர்கள். ஆற்றல் 500 mW, அதற்கு மேம்பட்ட ஆற்றல் வகை. [> 10 Joules/Sq cm]. மனித, உயிரினங்களுக்கு பெரிதும் இன்னல் தருபவை. தீ விபத்துக்கள் நேரவும் வாய்ப்புகள் உள்ளன. மனிதத் தோலுக்கு இடர் தருபவை. இவ்வகைச் சாதனங்கள் யாவும் கட்டுப்பாடுகளுடனும், கண்காணிப்புகளுடனும் பாதுகாக்கப் பட வேண்டியவை.

லேஸரின் இடர்களை குறைக்க பாதுகாப்பு முறைகள்

விளக்கு ஒளிகளைக் கண்கள் கூர்ந்து நோக்குவது போல், லேஸர் ஒளிக்கதிர்களைக் கண்கள் பார்க்கும் போது பழுதடைகின்றன. ஆதலால் லேஸர் ஒளிக்கதிர்கள் கண்களில் விழாதவாறு கண்காணிப்பது அவசியம். அமெரிக்க ஐக்கிய நாடுகளில் வர்த்தகத் துறையில் வாங்குவோர், பயன்படுத்துவோர் கடைப்பிடிக்க வேண்டிய விதி முறைகள் சீராக வகுக்கப் பட்டிருக்கின்றன. கதிர்வீச்சு உடல்நலக் காப்பு மையம் [Center for Devices & Radiological Health (CDRH)] லேஸர் உபயோகத்தை கட்டுப்படுத்திக் கண்காணித்து வருகிறது. அந்தக் காப்பு மையம் மேற்குறிப்பிட்ட ஆறு வகைப் பிரிவுகளில், மின்சார ஆற்றலைச் சார்ந்து, ஒளிவீச்சு நேரத்திற்கு ஏற்ப, ஒளிதிரள் சக்தியின் தீவிரத்துக்கு ஒப்பாக [Photon Energy Level] லேஸர் சாதனங்களை வகுத்து விதி முறைகளைத் தொழிற்துறைகள், மருத்துவத் துறைகள் பின்பற்ற வருகின்றனவா வென்று கவனித்து வருகிறது. ஒளித்திரளின் தீவிரம் மிகையானால், விளையும் அபாயமும் அதிகமாகிறது. முக்கியமாக லேஸர் வகுப்பினம் IV மிக்க ஆபத்தானதாகக் கருதப்படுகிறது. பாதுகாப்புடன் கையாளப்படா விட்டால் அதன் தீவிரக் கதிர்கள் அருகில் தீயை உண்டாக்கலாம்! மனித சதையை எரித்துக் சுட்டு விடலாம்! நிரந்தரப் பாதிப்புகளை விளைவித்துக் கண்களைச் சிதைத்து விடலாம்!

(தொடரும்)

****

தகவல்:

1. How Lasers Work By: Davin Flateau, LFI International (2003-2005)

2. Laser Development Chronology [www.z-laser.com/zlaser_en/]

3. Dr. C. Kumar Patel Inventor of the Week: Archive [http://web.mit.edu/invent/iow/patel.html] (Jan 2000)

4. Schawlow & Townes Invent the Laser, The Invention of the Laser at Bell ‘s Lab [www.bell-labs.com/history/laser/] (1998)

5. Laser & Maser, Encyclopedia of Britannica (2001)

6. Laser Applications, Encyclopedia of Britannica (2001)

7. Laser, Hutchinson Concise Encyclopedia [1989]

8. Fibre Optics -Britannica Concise Encyclopedia [2003]

9. Basic Optical Transmission System -Optical Communications By Dr. Gerald Farrell [2002]

10 How Fibre Optics Work By: Craig C. Freudenrich Ph.D.

11 Gordon Gould Optically Pumped Laser Amplifiers [2002]

12 Laser Principle of Operation, Application & Safety, Microsoft Encarta Reference Library (2003)

13 திண்ணை விஞ்ஞானக் கட்டுரை: அமெரிக்க ஆக்கமேதை அலெக்ஸாண்டர் கிரஹாம் பெல் (http://www.thinnai.com/sc0616051.html) [ஜூன் 16, 2005]

14 திண்ணை விஞ்ஞானக் கட்டுரை: ஒளிநார் வடத்தில் மின்தகவல் தொடர்புகள் (Fibre Optics Communications) http://www.thinnai.com/sc0630053.html [ஜூலை 1, 2005]

****

jayabarat@tnt21.com [S. Jayabarathan (July 28, 2005)]

Series Navigation