Spontaneous and Stimulated Emission Notes | Engineering Physics | RGPV BTech First Year

Spontaneous and Stimulated Emission

LASER Technology का मूल आधार Atomic Transitions तथा Radiation Processes हैं। जब कोई atom या molecule ऊर्जा का अवशोषण करता है तो वह Excited State में पहुँच जाता है। Excited State से Lower Energy State में लौटते समय वह ऊर्जा Photon के रूप में उत्सर्जित करता है। इस ऊर्जा उत्सर्जन की प्रक्रिया को Emission कहते हैं।

Emission मुख्यतः दो प्रकार की होती है:

• Spontaneous Emission
• Stimulated Emission

LASER का कार्य सिद्धांत मुख्य रूप से Stimulated Emission पर आधारित है। इसलिए इन दोनों प्रक्रियाओं का अध्ययन Engineering Physics में अत्यंत महत्वपूर्ण है।

Introduction

Bohr Atomic Model के अनुसार Atom के Electrons निश्चित Energy Levels में उपस्थित रहते हैं। जब Atom बाहरी स्रोत से ऊर्जा प्राप्त करता है तो Electron Higher Energy State में चला जाता है जिसे Excited State कहते हैं।

Excited State अस्थिर होती है। इसलिए Electron कुछ समय बाद पुनः Lower Energy State में लौट आता है और अतिरिक्त ऊर्जा Photon के रूप में उत्सर्जित करता है।

Photon की Energy:

E = hν

जहाँ:

• E = Photon Energy
• h = Planck Constant
• ν = Frequency

Energy Level Diagram

मान लीजिए:

• E₂ = Excited State
• E₁ = Ground State

जब Electron E₂ से E₁ में आता है तो Photon उत्सर्जित होता है।

Photon Energy:

E₂ - E₁ = hν

Spontaneous Emission

Definition

जब कोई Excited Atom बिना किसी बाहरी प्रभाव के स्वयं ही Lower Energy State में आकर Photon उत्सर्जित करता है तो इस प्रक्रिया को Spontaneous Emission कहते हैं।

यह प्राकृतिक एवं स्वतः होने वाली प्रक्रिया है।

Mechanism of Spontaneous Emission

1. Atom ऊर्जा प्राप्त करता है।
2. Electron Excited State में पहुँचता है।
3. Excited State कुछ समय तक बनी रहती है।
4. Electron स्वतः Lower State में लौट आता है।
5. Photon उत्सर्जित होता है।

Characteristics of Spontaneous Emission

• Natural Process
• No External Trigger Required
• Random Direction
• Random Phase
• Random Polarization
• Incoherent Radiation

Examples

• Electric Bulb
• Fluorescent Lamp
• Sunlight
• Incandescent Lamp

Stimulated Emission

Definition

जब कोई Excited Atom उसी ऊर्जा के बाहरी Photon द्वारा प्रभावित होकर Lower Energy State में आता है तथा एक अतिरिक्त Photon उत्सर्जित करता है, तब इस प्रक्रिया को Stimulated Emission कहते हैं।

यह प्रक्रिया Albert Einstein द्वारा 1917 में प्रस्तावित की गई थी।

Mechanism of Stimulated Emission

1. Atom Excited State में होता है।
2. उसी Energy का Photon Atom से टकराता है।
3. Atom Lower Energy State में आ जाता है।
4. एक नया Photon उत्पन्न होता है।
5. दोनों Photons समान गुण रखते हैं।

Properties of Stimulated Photon

नया Photon तथा Incident Photon:

• Same Frequency
• Same Phase
• Same Energy
• Same Direction
• Same Polarization

रखते हैं।

Characteristics of Stimulated Emission

• External Photon Required
• Produces Coherent Radiation
• Same Direction Output
• Same Frequency Output
• Light Amplification Possible
• LASER Principle Based

Importance of Stimulated Emission in LASER

LASER का पूरा सिद्धांत Stimulated Emission पर आधारित है।

Stimulated Emission के कारण:

• Light Amplification होती है।
• Coherent Beam प्राप्त होती है।
• High Intensity विकसित होती है।
• Directional Beam प्राप्त होती है।

Comparison Between Spontaneous and Stimulated Emission

Advantages of Stimulated Emission

• High Intensity Output
• Coherent Light Generation
• Monochromatic Radiation
• Directional Beam Production
• Efficient Optical Communication

Applications

• LASER Systems
• Fiber Optic Communication
• Medical LASER Equipment
• Industrial Cutting
• Holography
• Scientific Research
• Defense Systems
• Optical Sensors

Industrial Importance

• Laser Manufacturing Industry
• Telecommunication Industry
• Medical Technology
• Defense Industry
• Photonics Industry
• Semiconductor Industry

Viva Questions

1. Spontaneous Emission क्या है?
2. Stimulated Emission क्या है?
3. Stimulated Emission का सिद्धांत किसने दिया?
4. Photon Energy का सूत्र लिखिए।
5. Coherent Radiation क्या है?
6. LASER किस Emission पर आधारित है?
7. Excited State क्या है?
8. Ground State क्या है?
9. Stimulated Photon के गुण बताइए।
10. Spontaneous तथा Stimulated Emission में अंतर बताइए।

Exam Oriented Important Questions

1. Spontaneous Emission तथा Stimulated Emission की व्याख्या कीजिए।
2. Stimulated Emission का कार्यविधि सहित वर्णन कीजिए।
3. Spontaneous तथा Stimulated Emission में अंतर लिखिए।
4. LASER में Stimulated Emission का महत्व समझाइए।
5. Energy Level Diagram द्वारा Emission Process समझाइए।
6. Photon Energy का व्यंजक लिखिए।
7. Coherent Radiation क्या है?
8. Stimulated Emission को LASER का आधार क्यों कहा जाता है?

Conclusion

Spontaneous Emission तथा Stimulated Emission Atomic Radiation Processes के दो महत्वपूर्ण प्रकार हैं। Spontaneous Emission प्राकृतिक रूप से होती है जबकि Stimulated Emission बाहरी Photon के प्रभाव से होती है। LASER Technology का संपूर्ण आधार Stimulated Emission पर आधारित है क्योंकि यह Coherent, Monochromatic तथा High Intensity Light उत्पन्न करती है।