আজ আমরা একটি অত্যন্ত উন্নত “মনোক্রোম্যাটিক” লেজার—অর্থাৎ সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজার—সম্পর্কে আলোচনা করব। এর আবির্ভাব লেজারের অনেক প্রয়োগক্ষেত্রের শূন্যস্থান পূরণ করেছে এবং সাম্প্রতিক বছরগুলিতে মহাকর্ষীয় তরঙ্গ সনাক্তকরণ, লাইডার (liDAR), ডিস্ট্রিবিউটেড সেন্সিং, উচ্চ-গতির কোহেরেন্ট অপটিক্যাল কমিউনিকেশন এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হচ্ছে, যা এমন একটি “মিশন” যা শুধুমাত্র লেজারের শক্তি বাড়িয়ে সম্পন্ন করা যায় না।
সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজার বলতে কী বোঝায়?
"লাইন উইডথ" বলতে ফ্রিকোয়েন্সি ডোমেনে লেজারের স্পেকট্রাল লাইন উইডথকে বোঝায়, যা সাধারণত হাফ-পিক ফুল উইডথ অফ দ্য স্পেকট্রাম (FWHM) এর মাধ্যমে পরিমাপ করা হয়। লাইন উইডথ প্রধানত উত্তেজিত পরমাণু বা আয়নের স্বতঃস্ফূর্ত বিকিরণ, ফেজ নয়েজ, রেজোনেটরের যান্ত্রিক কম্পন, তাপমাত্রা জিটার এবং অন্যান্য বাহ্যিক কারণ দ্বারা প্রভাবিত হয়। লাইন উইডথের মান যত কম হয়, স্পেকট্রামের বিশুদ্ধতা তত বেশি হয়, অর্থাৎ লেজারের মনোক্রোমাটিসিটি তত ভালো হয়। এই ধরনের বৈশিষ্ট্যযুক্ত লেজারগুলিতে সাধারণত খুব কম ফেজ বা ফ্রিকোয়েন্সি নয়েজ এবং খুব কম আপেক্ষিক ইনটেনসিটি নয়েজ থাকে। একই সাথে, লেজারের লিনিয়ার উইডথের মান যত কম হয়, সংশ্লিষ্ট কোহেরেন্স তত শক্তিশালী হয়, যা একটি অত্যন্ত দীর্ঘ কোহেরেন্স লেংথ হিসাবে প্রকাশিত হয়।
সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজারের বাস্তবায়ন এবং প্রয়োগ
লেজারের কার্যকারী পদার্থের সহজাত গেইন লাইনউইথের সীমাবদ্ধতার কারণে, শুধুমাত্র প্রচলিত অসিলেটরের উপর নির্ভর করে সরাসরি সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজারের আউটপুট অর্জন করা প্রায় অসম্ভব। সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজারের কার্যকারিতা বাস্তবায়নের জন্য, সাধারণত গেইন স্পেকট্রামে অনুদৈর্ঘ্য মোডকে সীমিত বা নির্বাচন করতে এবং অনুদৈর্ঘ্য মোডগুলোর মধ্যে মোট গেইনের পার্থক্য বাড়াতে ফিল্টার, গ্রেটিং এবং অন্যান্য ডিভাইস ব্যবহার করা প্রয়োজন হয়, যাতে লেজার রেজোনেটরে কয়েকটি বা এমনকি শুধুমাত্র একটি অনুদৈর্ঘ্য মোড অসিলেশন থাকে। এই প্রক্রিয়ায়, লেজার আউটপুটের উপর নয়েজের প্রভাব নিয়ন্ত্রণ করা এবং বাহ্যিক পরিবেশের কম্পন ও তাপমাত্রার পরিবর্তনের কারণে সৃষ্ট স্পেকট্রাল লাইনের প্রসারণ কমানো প্রায়শই প্রয়োজন হয়; একই সাথে, সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজারের স্থিতিশীল আউটপুট অর্জনের জন্য নয়েজের উৎস বুঝতে এবং লেজারের ডিজাইন অপ্টিমাইজ করতে ফেজ বা ফ্রিকোয়েন্সি নয়েজ স্পেকট্রাল ডেনসিটির বিশ্লেষণের সাথেও এটিকে সমন্বয় করা যেতে পারে।
চলুন বিভিন্ন শ্রেণীর লেজারের সংকীর্ণ লাইনউইথ অপারেশনের বাস্তবায়ন দেখে নেওয়া যাক।
সেমিকন্ডাক্টর লেজারের সুবিধাগুলো হলো এর ক্ষুদ্র আকার, উচ্চ দক্ষতা, দীর্ঘ জীবনকাল এবং অর্থনৈতিক সুবিধা।
ঐতিহ্যবাহী ফ্যাব্রি-পেরো (FP) অপটিক্যাল রেজোনেটর ব্যবহৃত হয়সেমিকন্ডাক্টর লেজারএটি সাধারণত বহু-অনুদৈর্ঘ্য মোডে স্পন্দিত হয় এবং এর আউটপুট লাইন প্রস্থ তুলনামূলকভাবে প্রশস্ত হয়, তাই সংকীর্ণ লাইন প্রস্থের আউটপুট পাওয়ার জন্য অপটিক্যাল ফিডব্যাক বাড়ানো প্রয়োজন।
ডিস্ট্রিবিউটেড ফিডব্যাক (DFB) এবং ডিস্ট্রিবিউটেড ব্র্যাগ রিফ্লেকশন (DBR) হলো দুটি সাধারণ অভ্যন্তরীণ অপটিক্যাল ফিডব্যাক সেমিকন্ডাক্টর লেজার। ছোট গ্রেটিং পিচ এবং ভালো তরঙ্গদৈর্ঘ্য নির্বাচন ক্ষমতার কারণে, স্থিতিশীল একক-ফ্রিকোয়েন্সি সংকীর্ণ লাইনউইথ আউটপুট সহজেই অর্জন করা যায়। এই দুটি কাঠামোর মধ্যে প্রধান পার্থক্য হলো গ্রেটিং-এর অবস্থান: DFB কাঠামোতে সাধারণত ব্র্যাগ গ্রেটিং-এর পর্যায়ক্রমিক কাঠামোটি পুরো রেজোনেটর জুড়ে বিস্তৃত থাকে, এবং DBR-এর রেজোনেটরটি সাধারণত প্রতিফলন গ্রেটিং কাঠামো এবং প্রান্তীয় পৃষ্ঠে সমন্বিত গেইন অঞ্চল দ্বারা গঠিত হয়। এছাড়াও, DFB লেজারগুলিতে কম প্রতিসরাঙ্ক বৈসাদৃশ্য এবং কম প্রতিফলন ক্ষমতা সম্পন্ন এমবেডেড গ্রেটিং ব্যবহার করা হয়। DBR লেজারগুলিতে উচ্চ প্রতিসরাঙ্ক বৈসাদৃশ্য এবং উচ্চ প্রতিফলন ক্ষমতা সম্পন্ন সারফেস গ্রেটিং ব্যবহার করা হয়। উভয় কাঠামোরই একটি বৃহৎ ফ্রি স্পেকট্রাল রেঞ্জ রয়েছে এবং কয়েক ন্যানোমিটার পরিসরে মোড জাম্প ছাড়াই তরঙ্গদৈর্ঘ্য টিউনিং করতে পারে, যেখানে DBR লেজারের টিউনিং রেঞ্জ DBR লেজারের চেয়ে বেশি প্রশস্ত।ডিএফবি লেজারএছাড়াও, এক্সটার্নাল ক্যাভিটি অপটিক্যাল ফিডব্যাক প্রযুক্তি, যা সেমিকন্ডাক্টর লেজার চিপের নির্গত আলোকে ফিডব্যাক করতে এবং ফ্রিকোয়েন্সি নির্বাচন করতে বাহ্যিক অপটিক্যাল উপাদান ব্যবহার করে, তা সেমিকন্ডাক্টর লেজারের সংকীর্ণ লাইনউইথ অপারেশনও বাস্তবায়ন করতে পারে।
(2) ফাইবার লেজার
ফাইবার লেজারের উচ্চ পাম্প রূপান্তর দক্ষতা, ভালো বিম কোয়ালিটি এবং উচ্চ কাপলিং দক্ষতা রয়েছে, যা লেজার ক্ষেত্রে গবেষণার অন্যতম আলোচিত বিষয়। তথ্যপ্রযুক্তির এই যুগে, বাজারে প্রচলিত বর্তমান অপটিক্যাল ফাইবার যোগাযোগ ব্যবস্থাগুলোর সাথে ফাইবার লেজারের ভালো সামঞ্জস্য রয়েছে। সংকীর্ণ লাইন প্রস্থ, কম নয়েজ এবং ভালো কোহেরেন্সের সুবিধার কারণে একক-ফ্রিকোয়েন্সি ফাইবার লেজার এর উন্নয়নের অন্যতম গুরুত্বপূর্ণ একটি দিক হয়ে উঠেছে।
সংকীর্ণ লাইন-প্রস্থের আউটপুট অর্জনের জন্য ফাইবার লেজারের মূল ভিত্তি হলো একক অনুদৈর্ঘ্য মোড অপারেশন। সাধারণত, একক ফ্রিকোয়েন্সি ফাইবার লেজারের রেজোনেটরের গঠন অনুসারে একে ডিএফবি (DFB) টাইপ, ডিবিআর (DBR) টাইপ এবং রিং টাইপে ভাগ করা যায়। এদের মধ্যে, ডিএফবি এবং ডিবিআর একক-ফ্রিকোয়েন্সি ফাইবার লেজারের কার্যপ্রণালী ডিএফবি এবং ডিবিআর সেমিকন্ডাক্টর লেজারের মতোই।
চিত্র ১-এ যেমন দেখানো হয়েছে, ডিএফবি ফাইবার লেজারে ফাইবারের মধ্যে ডিস্ট্রিবিউটেড ব্র্যাগ গ্রেটিং লেখা হয়। যেহেতু অসিলেটরের কার্যকরী তরঙ্গদৈর্ঘ্য ফাইবারের পর্যায়কাল দ্বারা প্রভাবিত হয়, তাই গ্রেটিংয়ের ডিস্ট্রিবিউটেড ফিডব্যাকের মাধ্যমে অনুদৈর্ঘ্য মোড নির্বাচন করা যায়। ডিবিআর লেজারের লেজার রেজোনেটর সাধারণত একজোড়া ফাইবার ব্র্যাগ গ্রেটিং দ্বারা গঠিত হয়, এবং একক অনুদৈর্ঘ্য মোড প্রধানত সংকীর্ণ ব্যান্ড ও কম প্রতিফলন ক্ষমতার ফাইবার ব্র্যাগ গ্রেটিং দ্বারা নির্বাচিত হয়। তবে, এর দীর্ঘ রেজোনেটর, জটিল গঠন এবং কার্যকর ফ্রিকোয়েন্সি পৃথকীকরণ পদ্ধতির অভাবের কারণে, রিং-আকৃতির ক্যাভিটিতে মোড হপিং হওয়ার প্রবণতা থাকে, এবং দীর্ঘ সময় ধরে স্থির অনুদৈর্ঘ্য মোডে স্থিতিশীলভাবে কাজ করা কঠিন।
চিত্র ১, একক কম্পাঙ্কের দুটি সাধারণ রৈখিক কাঠামোফাইবার লেজার
পোস্ট করার সময়: ২৭ নভেম্বর, ২০২৩