Population Inversion Notes | Engineering Physics | RGPV BTech First Year

Population Inversion

Population Inversion LASER Physics का सबसे महत्वपूर्ण concept है। LASER Action तभी संभव होती है जब किसी Active Medium में Excited State के atoms की संख्या Ground State के atoms की संख्या से अधिक हो जाए। इस विशेष अवस्था को Population Inversion कहा जाता है।

सामान्य परिस्थितियों में अधिकांश atoms Lower Energy State में रहते हैं, इसलिए Stimulated Emission की तुलना में Absorption अधिक होती है। LASER प्राप्त करने के लिए इस स्थिति को उलटना आवश्यक होता है।

Introduction

Bohr Theory तथा Quantum Mechanics के अनुसार किसी पदार्थ के atoms विभिन्न Energy Levels में उपस्थित रहते हैं। Thermal Equilibrium की अवस्था में अधिकांश atoms Lowest Energy Level अर्थात Ground State में होते हैं।

यदि Ground State में atoms की संख्या N₁ तथा Excited State में atoms की संख्या N₂ हो, तो सामान्य अवस्था में:

N₁ > N₂

इस स्थिति में Absorption अधिक तथा Stimulated Emission कम होती है।

LASER प्राप्त करने के लिए ऐसी अवस्था उत्पन्न करनी होती है जिसमें:

N₂ > N₁

इसी अवस्था को Population Inversion कहते हैं।

Definition

Population Inversion is the condition in which the number of atoms in the excited state becomes greater than the number of atoms in the lower energy state.

जब किसी Active Medium में Excited State के atoms की संख्या Ground State के atoms की संख्या से अधिक हो जाती है, तब उस अवस्था को Population Inversion कहते हैं।

Normal Population Distribution

Thermal Equilibrium में:

N₁ > N₂

जहाँ:

• N₁ = Ground State Population
• N₂ = Excited State Population

इस अवस्था में अधिकांश atoms Ground State में रहते हैं।

Inverted Population Distribution

Population Inversion की अवस्था में:

N₂ > N₁

इस स्थिति में Stimulated Emission की Probability Absorption से अधिक हो जाती है।

Need of Population Inversion

LASER Action के लिए Stimulated Emission का Rate Absorption Rate से अधिक होना चाहिए।

यदि Population Inversion नहीं होगी तो अधिकांश Photons Absorb हो जाएंगे और Light Amplification संभव नहीं होगी।

Population Inversion सुनिश्चित करती है कि:

• Stimulated Emission अधिक हो।
• Photon Multiplication हो।
• Light Amplification हो।
• LASER Beam उत्पन्न हो।

Methods to Achieve Population Inversion

Population Inversion प्राप्त करने के लिए Atoms को External Energy Supply द्वारा Excited State में भेजा जाता है।

इस प्रक्रिया को Pumping कहते हैं।

1. Optical Pumping

• Flash Lamp का उपयोग किया जाता है।
• Ruby LASER में उपयोग।

2. Electrical Pumping

• Electrical Discharge द्वारा excitation।
• He-Ne LASER में उपयोग।

3. Chemical Pumping

• Chemical Reactions से ऊर्जा प्राप्त की जाती है।

4. Semiconductor Injection Pumping

• Semiconductor LASER में उपयोग।

Metastable State

Population Inversion प्राप्त करने के लिए Metastable State अत्यंत महत्वपूर्ण होती है।

Metastable State ऐसी Excited State होती है जिसकी Lifetime सामान्य Excited State की तुलना में अधिक होती है।

इस अवस्था में Atoms अधिक समय तक बने रहते हैं, जिससे Population Inversion प्राप्त करना आसान हो जाता है।

Three Level LASER System

Three Level LASER में:

• E₁ = Ground State
• E₂ = Metastable State
• E₃ = Pumping Level

Atoms को E₃ तक Pump किया जाता है और वे शीघ्र E₂ में आ जाते हैं।

Metastable State में Population जमा होकर Population Inversion उत्पन्न करती है।

Ruby LASER इसका उदाहरण है।

Four Level LASER System

Four Level System में Population Inversion प्राप्त करना अधिक आसान होता है।

Levels:

• E₁ = Ground State
• E₂ = Lower LASER Level
• E₃ = Upper LASER Level
• E₄ = Pumping Level

He-Ne LASER Four Level System का उदाहरण है।

Characteristics of Population Inversion

• Essential for LASER Action
• Requires External Pumping
• Increases Stimulated Emission
• Produces Light Amplification
• Depends on Metastable States
• Foundation of Laser Operation

Advantages

• High Intensity Light Generation
• Coherent Radiation Production
• Light Amplification
• Efficient LASER Operation
• Optical Communication Support

Applications

• Ruby LASER
• He-Ne LASER
• Semiconductor LASER
• Fiber LASER
• Optical Amplifiers
• Medical LASER Systems
• Industrial LASER Machines
• Optical Communication

Industrial Importance

• Telecommunication Industry
• Photonics Industry
• Medical Equipment Industry
• Defense Systems
• Semiconductor Industry
• Laser Manufacturing Industry

Normal Population vs Population Inversion

Viva Questions

1. Population Inversion क्या है?
2. LASER में Population Inversion क्यों आवश्यक है?
3. Normal Population Distribution क्या है?
4. Metastable State क्या होती है?
5. Pumping क्या है?
6. Three Level LASER System क्या है?
7. Four Level LASER System क्या है?
8. Optical Pumping क्या है?
9. Stimulated Emission क्या है?
10. Population Inversion कैसे प्राप्त की जाती है?

Exam Oriented Important Questions

1. Population Inversion की परिभाषा एवं आवश्यकता समझाइए।
2. Population Inversion प्राप्त करने की विधियाँ लिखिए।
3. Metastable State का महत्व समझाइए।
4. Three Level तथा Four Level LASER System की व्याख्या कीजिए।
5. Population Inversion तथा Stimulated Emission का संबंध स्पष्ट कीजिए।
6. Normal Population तथा Population Inversion में अंतर लिखिए।
7. LASER Action में Population Inversion की भूमिका समझाइए।
8. Pumping Methods का वर्णन कीजिए।

Conclusion

Population Inversion LASER Technology की आधारभूत आवश्यकता है। यह वह अवस्था है जिसमें Excited State के atoms की संख्या Ground State से अधिक हो जाती है। Population Inversion के कारण Stimulated Emission Absorption से अधिक होती है और Light Amplification संभव हो पाती है। आधुनिक LASER Systems, Optical Communication तथा Photonics Technology में इसका अत्यंत महत्वपूर्ण योगदान है।