Random laser
રેન્ડમ લેસર (આર. એલ.) એ એક લેસર છે જેમાં ઓપ્ટિકલ પ્રતિસાદ સ્કેટરિંગ કણો દ્વારા આપવામાં આવે છે. પરંપરાગત લેસરોની જેમ, ઓપ્ટિકલ એમ્પ્લીફિકેશન માટે ગેઇન માધ્યમ જરૂરી છે. જો કે, ફેબ્રી-પેરોટ પોલાણ અને વિતરિત પ્રતિસાદ લેસરોથી વિપરીત, આર. એલ. માં ન તો પ્રતિબિંબીત સપાટીઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે અને ન તો વિતરિત સામયિક માળખાઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, કારણ કે પ્રકાશ સક્રિય પ્રદેશમાં પ્રસરેલા તત્વો દ્વારા મર્યાદિત હોય છે જે ક્યાં તો લાભ માધ્યમની અંદર અવકાશી રીતે વિતરિત થઈ શકે છે અથવા ન પણ હોઈ શકે. રેન્ડમ લેસર પાછળનો મુખ્ય સિદ્ધાંત અવ્યવસ્થિત માધ્યમો સાથે પ્રકાશ માર્ગને વધારવાનો છે; આ ફેલાયેલા અવ્યવસ્થિત માધ્યમો દ્વારા અથવા અવ્યવસ્થિત માધ્યમોમાં મજબૂત સ્થાનિકીકરણનો ઉપયોગ કરીને, લેસર સક્રિય પૃષ્ઠભૂમિ સાથે કરી શકાય છે. વિવિધ પ્રકારની સામગ્રીમાંથી રેન્ડમ લેસિંગની જાણ કરવામાં આવી છે, દા. ત. રંગ અને સ્કેટરિંગ કણોના કોલાઇડલ સોલ્યુશન્સ, સેમિકન્ડક્ટર પાઉડર, સેમિકન્ડક્ટર પોલિક્રિસ્ટલાઇન પાતળા ફિલ્મો, ઓપ્ટિકલ ફાઇબર અને પોલિમર. ઓછી અવકાશી સુસંગતતા અને લેસર જેવી ઊર્જા રૂપાંતરણ કાર્યક્ષમતા સાથે ઉત્પાદન ઉત્સર્જનને કારણે, આરએલ ઊર્જા કાર્યક્ષમ પ્રકાશ કાર્યક્રમો માટે આકર્ષક ઉપકરણો છે. રેન્ડમ લેસિંગની વિભાવના સમય-વિપરીત પણ હોઈ શકે છે, જે રેન્ડમ એન્ટી-લેસરમાં પરિણમે છે, જે એક અવ્યવસ્થિત માધ્યમ છે જે આવતા સુસંગત કિરણોત્સર્ગને સંપૂર્ણપણે શોષી શકે છે. કામગીરીના સિદ્ધાંતો આર. એલ. ના કામગીરીના સિદ્ધાંત પર વ્યાપક ચર્ચા કરવામાં આવી છે અને વિવિધ સૈદ્ધાંતિક અભિગમોનો અહેવાલ આપવામાં આવ્યો છે (સંદર્ભો જુઓ). આરએલના મુખ્ય ઘટકો, પરંપરાગત લેસરોની જેમ, એમ્પ્લીફિકેશન અને ફીડબેક છે, જ્યાં એમ્પ્લીફિકેશન પમ્પ ગેઇન માધ્યમ દ્વારા અને સ્કેટરિંગ કણો દ્વારા ફીડબેક આપવામાં આવે છે. ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ ફીડબેક એ સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતું આર્કિટેક્ચર છે, જેમાં સ્કેટરિંગ કણો જડિત કરવામાં આવે છે અને રેન્ડમલી ગેઇન માધ્યમમાં વહેંચવામાં આવે છે. વિતરિત પ્રતિસાદથી વિપરીત, અવકાશી સ્થાનિક પ્રતિસાદ આર. એલ. માં, ગેઇન અને પ્રતિસાદને અવકાશી રીતે સ્કેટરિંગ મીડિયા દ્વારા મર્યાદિત ગેઇન માધ્યમ સાથે અલગ કરવામાં આવે છે, જે પ્રતિસાદ તત્વો અને આઉટપુટ કપ્લર્સ તરીકે કાર્ય કરે છે. બંને આર્કિટેક્ચરમાં, જો તરંગલંબાઇની પૂર્ણાંક સંખ્યા સાથે બંધ લૂપ્સ થાય તો પ્રતિધ્વનિ અને લેસિંગ સ્થિતિઓ અસ્તિત્વ ધરાવે છે. સ્કેટરિંગ કણ ઘટના તરંગમાં રેન્ડમ (અણધારી) તબક્કાના યોગદાનને ઉમેરે છે. વેરવિખેર તરંગ પ્રસરે છે અને ફરીથી વેરવિખેર થાય છે, વધુ અવ્યવસ્થિત તબક્કાના યોગદાનનો ઉમેરો કરે છે. જો બંધ લૂપમાં તમામ તબક્કાના યોગદાનનો ચોક્કસ આવર્તન પર 2π ના પૂર્ણાંક ગુણાંકમાં સરવાળો થાય, તો આવર્તન સ્થિતિને તે આવર્તન પર અસ્તિત્વમાં રહેવાની મંજૂરી છે. ઉત્સર્જન પ્રથાઓ પ્રથમ અહેવાલોથી, આર. એલ. માંથી બે અલગ-અલગ વર્ણપટ સંકેતો જોવા મળ્યા છે. બિન-પ્રતિધ્વનિ ઉત્સર્જન (જેને અસંગત અથવા માત્ર કંપનવિસ્તાર ઉત્સર્જન તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે) થોડા નેનોમીટરના એફડબલ્યુએચએમ સાથે એક જ ટોચના સ્પેક્ટ્રમ દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, અને પ્રતિધ્વનિ ઉત્સર્જન (જેને સુસંગત ઉત્સર્જન તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે), જે પેટા-નેનોમીટર લાઇનવિડ્થ સાથે બહુવિધ સાંકડા શિખરો દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, જે આવર્તનમાં અવ્યવસ્થિત રીતે વહેંચાયેલું છે. પહેલાનું નામકરણ ઘટનાના અર્થઘટનને કારણે છે, કારણ કે પ્રતિધ્વનિત શાસનમાં જોવા મળતા પેટા-નેનોમીટર લાઇનવિડ્થ સાથેના તીક્ષ્ણ પ્રતિધ્વનિઓ ઓપ્ટિકલ તબક્કામાંથી અમુક પ્રકારનું યોગદાન સૂચવે છે જ્યારે બિન-પ્રતિધ્વનિત શાસનને વિસ્તૃત ફોટોન વચ્ચે કોઈ નિશ્ચિત તબક્કાના સંબંધ વિના વેરવિખેર પ્રકાશના વિસ્તરણ તરીકે સમજવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે, કામગીરીની બે પદ્ધતિઓ વિતરિત પ્રતિસાદ આર. એલ. માં પ્રસરણ તત્વના સ્કેટરિંગ ગુણધર્મોને આભારી છેઃ એક નબળું (અત્યંત) સ્કેટરિંગ માધ્યમ, જે પરિવહન સરેરાશ મુક્ત માર્ગ ધરાવે છે, જે ઉત્સર્જન તરંગલંબાઇ (તુલનાત્મક) કરતા ઘણો વધારે હોય છે, જે બિન-પ્રતિધ્વનિત (પ્રતિધ્વનિત) રેન્ડમ લેસિંગ ઉત્સર્જન ઉત્પન્ન કરે છે. તાજેતરમાં એવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે કામગીરીનું શાસન માત્ર ઉપયોગમાં લેવાતી સામગ્રી પર જ નહીં પણ પંપના કદ અને આકાર પર પણ આધાર રાખે છે. આ સૂચવે છે કે નોન-રેઝોનન્ટ શાસન વાસ્તવમાં મોટી સંખ્યામાં સાંકડી સ્થિતિઓનો સમાવેશ કરે છે જે જગ્યા અને આવર્તનમાં ઓવરલેપ થાય છે અને મજબૂત રીતે એક સાથે જોડાયેલા હોય છે, જે ગેઇન કર્વ અને વિસ્તૃત સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જનની તુલનામાં સંકુચિત FWHM સાથે એક જ ટોચના સ્પેક્ટ્રમમાં તૂટી જાય છે. પ્રતિધ્વનિત શાસનમાં, ઓછા પ્રકારો ઉત્સાહિત હોય છે, તેઓ લાભ માટે એકબીજા સાથે સ્પર્ધા કરતા નથી અને એકસાથે જોડાતા નથી. એન્ડરસન સ્થાનિકીકરણ એ એક જાણીતી ઘટના છે જે ત્યારે થાય છે જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન અવ્યવસ્થિત ધાતુના માળખામાં ફસાઈ જાય છે, અને આ ધાતુ વાહકથી અવાહકમાં તબક્કાવાર સંક્રમણમાંથી પસાર થાય છે. આ ઇલેક્ટ્રોન એન્ડરસન-સ્થાનિક હોવાનું કહેવાય છે. આ સ્થાનિકીકરણ માટેની શરતો એ છે કે ધાતુ (અન્ય ઇલેક્ટ્રોન, સ્પિન, વગેરે) માં સ્કેટરર્સની પૂરતી ઊંચી ઘનતા હોય છે. મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનને એક જ વળાંકવાળા માર્ગને અનુસરવાનું કારણ બને છે. ફોટોન અને ઇલેક્ટ્રોન વચ્ચેની સામ્યતાએ દ્રષ્ટિને પ્રોત્સાહન આપ્યું છે કે સ્કેટરિંગ માધ્યમ દ્વારા ફેલાતા ફોટોનને એન્ડરસન-સ્થાનિક પણ ગણી શકાય. આ મુજબ, જો ફોટોન તરંગ-વાહક k ના ગુણોત્તરને મુક્ત માર્ગ (કોઈ પણ વસ્તુ સાથે અથડાતા ન હોય તેવા ફોટોનનો) l તરીકે વર્ણવતા Ioffe-Regel માપદંડને પૂર્ણ કરવામાં આવેઃ kl <1, તો એવી સંભાવના છે કે ફોટોન એ જ રીતે ફસાયેલા હશે જે રીતે એન્ડરસન સ્થાનિકીકરણ હેઠળ ઇલેક્ટ્રોન ફસાયેલા જોવા મળે છે. આ રીતે, જ્યારે ફોટોન ફસાઈ જાય છે, ત્યારે સ્કેટર્સ ઓપ્ટિકલ પોલાણ તરીકે કામ કરી શકે છે. ગેઇન માધ્યમ જેમાં સ્કેટરર્સ આવેલા છે તે ઉત્તેજિત ઉત્સર્જનને થવાની મંજૂરી આપશે. સામાન્ય લેસરની જેમ, જો ગેઇન નુકસાન કરતાં વધારે હોય, તો લેસિંગ થ્રેશોલ્ડ તૂટી જશે અને લેસિંગ થઈ શકે છે. આ લૂપમાં મુસાફરી કરતા ફોટોન પણ એકબીજા સાથે દખલ કરશે. સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત પોલાણની લંબાઈ (1-10 μm) એ સુનિશ્ચિત કરશે કે દખલ રચનાત્મક છે અને ચોક્કસ સ્થિતિઓને દોલન કરવાની મંજૂરી આપશે. એકવાર લેસિંગ થ્રેશોલ્ડ સુધી પહોંચી ગયા પછી ગેઇન માટેની સ્પર્ધા એક મોડને ઓસિલેટ કરવાની મંજૂરી આપે છે. રેન્ડમ-લેસર થિયરી થિયરી, જોકે, દર્શાવે છે કે રેન્ડમ મીડિયાને વિસ્તૃત કરવામાં બહુવિધ સ્કેટરિંગ માટે એન્ડરસનનું પ્રકાશનું સ્થાનિકીકરણ બિલકુલ થતું નથી, તેમ છતાં તે હકીકતને સાબિત કરવા માટે દખલગીરીની ગણતરી જરૂરી છે. તેનાથી વિપરીત, કહેવાતી નબળી સ્થાનિકીકરણ પ્રક્રિયાઓ સાબિત કરી શકાય છે, પરંતુ તે સ્પષ્ટ રીતે ચર્ચા કરવામાં આવે છે કે શું તે પદ્ધતિઓ સ્થિતિ આંકડામાં મુખ્ય ભૂમિકા ભજવે છે કે નહીં. તાજેતરના અભ્યાસો દર્શાવે છે કે આ નબળી સ્થાનિકીકરણ પ્રક્રિયાઓ રેન્ડમ લેસિંગની શરૂઆત માટે સંચાલિત ઘટના નથી. રેન્ડમ લેસિંગ kl> 1 માટે થાય છે. આ પ્રાયોગિક તારણો સાથે સંમત છે. બરાબર "બંધ લૂપ્સ" પર પ્રકાશની મુસાફરી સહજ ભાવે મર્યાદિત લેસિંગ ફોલ્લીઓની ઘટનાને સમજાવશે, તેમ છતાં, પ્રશ્ન હજુ પણ ખુલ્લો છે કે કેમ, દા. ત. ઉત્તેજિત ઉત્સર્જન પ્રક્રિયાઓ તે પ્રક્રિયાઓ સાથે સંકળાયેલી છે. જોકે, "પૂર્વનિર્ધારિત પોલાણ" ના સિદ્ધાંતની પુષ્ટિ થઈ નથી. લેસિંગ થ્રેશોલ્ડને ઓળંગવા માટે જરૂરી ગેઇન માધ્યમની લાક્ષણિક માત્રા સ્કેટરરની ઘનતા પર ભારે આધાર રાખે છે. એપ્લિકેશન્સ આ ક્ષેત્ર પ્રમાણમાં નાનું છે અને તેમાં ઘણી વાસ્તવિક એપ્લિકેશનો નથી. જો કે, ZnO પર આધારિત રેન્ડમ લેસરો વિદ્યુત સંચાલિત યુવી લેસરો, બાયોસેન્સર અને ઓપ્ટિકલ માહિતી પ્રક્રિયા માટે આશાસ્પદ છે. આ ઓછા ઉત્પાદન ખર્ચને કારણે છે અને પાવડર માટે સબસ્ટ્રેટ ઉત્પાદન માટે શ્રેષ્ઠ તાપમાન લગભગ 500 ડિગ્રી સેલ્સિયસ જોવા મળ્યું છે. આ 700 ડિગ્રી સેલ્સિયસથી વધુ તાપમાન પર સામાન્ય લેસર સ્ફટિકના ઉત્પાદનથી વિપરીત છે. સજાતીય મોટા સ્ફટિકોના સ્વરૂપમાં ઉત્પન્ન કરી શકાતા ન હોય તેવા પદાર્થોમાં લેસર ક્રિયાના અભ્યાસ માટે રેન્ડમ લેસરનો ઉપયોગ પણ સંભવિત ઉપયોગ તરીકે દર્શાવવામાં આવ્યો છે. વધુમાં, આવર્તન શ્રેણીઓમાં જ્યાં ઉચ્ચ-પ્રતિબિંબીત અરીસાઓ ઉપલબ્ધ નથી (દા. ત., ગામા-રે, એક્સ-રે), યોગ્ય સ્કેટરિંગ માધ્યમ દ્વારા પૂરા પાડવામાં આવેલ પ્રતિસાદનો ઉપયોગ લેસર ક્રિયાના વિકલ્પ તરીકે થઈ શકે છે. 2005 પહેલાં પ્રસ્તાવિત આમાંની ઘણી અરજીઓની નોગિનોવ દ્વારા સમીક્ષા કરવામાં આવી છે. 2015માં, લુઆન અને સહકાર્યકરોએ તેમાંના કેટલાક પર પ્રકાશ પાડ્યો હતો, જેમાં ફોટોનિક બારકોડ, ઓપ્ટોમિક્રોફ્લુઇડિક્સ, ઓપ્ટિકલ બેટરી, કેન્સર ડાયગ્નોસ્ટિક, સ્પેકલ-ફ્રી બાયોઇમેજિંગ, ઓન-ચિપ રેન્ડમ સ્પેક્ટ્રોમીટર, ટાઇમ-રિઝોલ્વ્ડ માઇક્રોસ્કોપી/સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી, સેન્સિંગ, ફ્રેન્ડ-ફોઈ આઇડેન્ટિફિકેશન વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. વધુમાં, રેન્ડમ લેસર કુદરતી રીતે બે મુખ્ય શ્રેષ્ઠતાઓથી સંપન્ન છે, એટલે કે, લેસર-સ્તરની તીવ્રતા અને વ્યાપક-લંબચોરસ ઉત્સર્જન, જે થર્મલ પ્રકાશ સ્રોતો, પ્રકાશ-ઉત્સર્જક-ડાયોડ્સ (એલઇડી) અને લાક્ષણિક લેસરોમાં પરસ્પર વિશિષ્ટ છે. એવું માનવામાં આવે છે કે રેન્ડમ લેસર એ લેસર ઇલ્યુમિનેશન અને સ્પેકલ-ફ્રી ઇમેજિંગ માટે આશાસ્પદ અને અદ્યતન પ્રકાશ સ્રોત છે. લેસર લેખોની સૂચિ સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ જર્નલ ઓફ ઓપ્ટિક્સ પણ જુઓ. વિશેષ સમસ્યાઃ નેનો અને રેન્ડમ લેસરો. ફેબ્રુઆરી 2010 લેસર પ્રકારો લેસર વિજ્ઞાન