रिंग लेजर

रिंग लेजर

रिंग लेज़र ही ध्रुवीकरण (तरंगों) के प्रकाश की दो किरणों से बने होते हैं जो संवृत लूप में विपरीत दिशाओं (काउंटर-रोटेटिंग) में यात्रा करते हैं।

इस प्रकार रिंग लेजर का उपयोग कारों, जहाजों, समतलों और मिसाइलों जैसे चलती जहाजों में जाइरोस्कोप (रिंग लेजर जाइरोस्कोप) के रूप में सबसे अधिक बार किया जाता है। संसार के सबसे बड़े रिंग लेजर पृथ्वी के घूर्णन के विवरण का पता लगा सकते हैं। ऐसे बड़े रिंग विभिन्न नई दिशाओं में वैज्ञानिक अनुसंधान का विस्तार करने में भी सक्षम हैं, जिनमें गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाना, फ़्रेज़नेल ड्रैग, लेंस-थिरिंग इफेक्ट और क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स या क्वांटम-इलेक्ट्रोडायनामिक प्रभाव सम्मिलित हैं।

घूर्णन रिंग लेजर जाइरोस्कोप में, दो काउंटर-प्रोपैगेटिंग तरंगों को आवृत्ति में अल्प स्थानांतरित किया जाता है और इंटरफेरेंस पैटर्न देखा जाता है, जिसका उपयोग घूर्णी गति निर्धारित करने के लिए किया जाता है। घूर्णन की प्रतिक्रिया दो किरणों के मध्य आवृत्ति अंतर है, जो आनुपातिक है रिंग लेज़र की घूर्णन दर (सग्नैक प्रभाव) अंतर सरलता से मापा जा सकता है चूंकि, सामान्यतः, दो किरणों के मध्य प्रसार में कोई भी गैर-पारस्परिकता बीट आवृत्ति की ओर ले जाती है।

इंजीनियरिंग अनुप्रयोग

इस प्रकार इंजीनियरिंग अनुप्रयोग के लिए रिंग लेजर और अनुसंधान के लिए रिंग लेजर के मध्य निरंतर परिवर्तन होता है (अनुसंधान के लिए रिंग लेजर देखें)। इंजीनियरिंग के लिए रिंगों में विभिन्न प्रकार की पदार्थो के साथ-साथ नई तकनीक को भी सम्मिलित करना प्रारंभ कर दिया गया है। ऐतिहासिक रूप से, पहला विस्तार तरंग गाइड के रूप में फाइबर ऑप्टिक्स का उपयोग था, जिससे दर्पणों का उपयोग समाप्त हो गया। चूंकि, यहां तक ​​कि रिंग भी अपनी इष्टतम तरंग दैर्ध्य रेंज (उदाहरण के लिए SiO₂ 1.5 μm पर) में कार्य करने वाले सबसे उन्नत फाइबर का उपयोग करती हैं) में चार उच्च गुणवत्ता वाले दर्पणों वाले वर्गाकार रिंग्स की तुलना में बहुत अधिक हानि होती है। इसलिए, फाइबर ऑप्टिक रिंग केवल उच्च घूर्णन दर अनुप्रयोगों में ही पर्याप्त हैं। उदाहरण के लिए, फाइबर ऑप्टिक रिंग अब ऑटोमोबाइल में समान हैं।

इस प्रकार रिंग का निर्माण अन्य ऑप्टिकली सक्रिय पदार्थो से किया जा सकता है जो कम हानि के साथ किरण का संचालन करने में सक्षम हैं। एक प्रकार का रिंग लेज़र डिज़ाइन एकल क्रिस्टल डिज़ाइन होता है, जहाँ प्रकाश लेज़र क्रिस्टल के अंदर चारों ओर परावर्तित होता है जिससे रिंग में प्रसारित हो सके। इस प्रकार यह मोनोलिथिक क्रिस्टल डिज़ाइन है, और ऐसे उपकरणों को नॉन-प्लानर रिंग ऑसिलेटर्स (एनपीआरओ) या एमआईएसईआर के रूप में जाना जाता है। रिंग फाइबर लेजर भी हैं। चूंकि सामान्यतः प्राप्त करने योग्य गुणवत्ता कारक कम होते हैं, ऐसे रिंगों का उपयोग अनुसंधान के लिए नहीं किया जा सकता है जहां गुणवत्ता कारक 10¹² से ऊपर होते हैं और प्राप्त किए जा सकते हैं।

इतिहास

टेबल 1. 1972 से 2004 तक बड़े रिंग के रिज़ॉल्यूशन में ~108 सुधार।

वर्ष	आरएमएस लाइनविड्थ	मापन समय	स्रोत
1972	4.5 Hz	10 s	स्टोवेल
1993	68 mHz	16 s	बिल्गेर
1994	31 mHz	8 h	स्टेडमैन
1996	8.6 µHz	8 d	बिल्गेर
2004	50 nHz	243 d	श्रेइबर

इस प्रकार लेज़र की खोज के कुछ ही समय पश्चात्, 1962 में रोसेन्थल का मौलिक पेपर सामने आया था, जिसने प्रस्तावित किया जिसके पश्चात् में रिंग लेजर कहा गया था। जबकि रिंग लेज़र नियमित (रैखिक) लेज़रों के साथ अत्यधिक मोनोक्रोमैटिकिटी और उच्च प्रत्यक्षता जैसी विशेषताएं साझा करता है, यह क्षेत्र को सम्मिलित करने में भिन्न होता है। इस प्रकार रिंग लेजर के साथ, कोई विपरीत दिशाओं में दो किरणों को भिन्न कर सकता है। रोसेन्थल ने अनुमान लगाया कि किरण आवृत्तियों को उन प्रभावों से विभाजित किया जा सकता है जो दो किरणों को भिन्न-भिन्न विधियों से प्रभावित करते हैं। चूंकि कुछ लोग मैसेक एट अल पर विचार कर सकते हैं। पहला बड़ा रिंग लेजर (1 मीटर × 1 मीटर) बनाया है, यूएस पेटेंट ऑफिस ने निर्णय लिया है कि पहला रिंग लेजर स्पेरी प्रयोगशाला के रिकॉर्ड के आधार पर स्पेरी वैज्ञानिक चाओ चेन वांग (यूएस पेटेंट 3,382,758 देखें) के अनुसार बनाया गया था। वांग ने दिखाया कि इसे घुमाने मात्र से दो किरणों की आवृत्तियों में अंतर उत्पन्न हो सकता है (सैग्नैक)।). डेसीमीटर आकार के रिंग लेजर के साथ छोटे रिंग लेजर जाइरो पर ध्यान केंद्रित करने वाला उद्योग में वृद्धि हुई थी। इसके पश्चात् में यह पाया गया कि कोई भी प्रभाव जो गैर-पारस्परिक विधि से दो किरणों को प्रभावित करता है, आवृत्ति अंतर उत्पन्न करता है, जैसा कि रोसेन्थल ने अनुमान लगाया था। रिंगों का विश्लेषण और निर्माण करने के लिए उपकरणों को नियमित लेजर से अनुकूलित किया गया था, जिसमें सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात की गणना करने और किरण विशेषताओं का विश्लेषण करने के विधि सम्मिलित थे। रिंग्स के लिए अद्वितीय नई घटनाएं सामने आईं, जिनमें लॉक-इन, पुलिंग, एस्टिगमैटिक किरण और विशेष ध्रुवीकरण सम्मिलित हैं। रैखिक लेज़रों की तुलना में रिंग लेज़रों में दर्पण बहुत अधिक भूमिका निभाते हैं, जिससे विशेष रूप से उच्च गुणवत्ता वाले दर्पणों का विकास हुआ था।

इस प्रकार गुणवत्ता कारक में 1000 गुना सुधार के परिणामस्वरूप, बड़े रिंग लेजर के रिज़ॉल्यूशन में नाटकीय रूप से सुधार हुआ है (टेबल 1 देखें)। यह सुधार अधिक सीमा तक उन इंटरफेस को हटाने का परिणाम है जिन्हें किरणों को पार करने की आवश्यकता होती है, इसके साथ ही प्रौद्योगिकी में सुधार के कारण माप समय में नाटकीय वृद्धि हुई है (लाइन चौड़ाई पर अनुभाग देखें)। 1992 में क्राइस्टचर्च, न्यूज़ीलैंड में 1 मीटर × 1 मीटर की रिंग बनाई गई थी इस प्रकार पृथ्वी के घूर्णन को मापने के लिए पर्याप्त संवेदनशील था, और जर्मनी के वेटज़ेल में निर्मित 4 मीटर × 4 मीटर की रिंग ने इस माप की स्पष्टता को छह अंकों तक सुधार दिया था।

निर्माण

इस प्रकार रिंग लेजर में, कोनों पर लेजर किरण को फोकस और रीडायरेक्ट करने के लिए दर्पण का उपयोग किया जाता है। इस प्रकार दर्पणों के मध्य यात्रा करते समय, किरण गैस से भरी ट्यूब से होकर निकलती हैं। किरण सामान्यतः रेडियो आवृत्तियों द्वारा गैस के स्थानीय उत्तेजना के माध्यम से उत्पन्न होती हैं।

रिंग लेजर के निर्माण में महत्वपूर्ण वैरिएबल में सम्मिलित हैं:

1. आकार: बड़े रिंग लेजर कम आवृत्तियों को माप सकते हैं। बड़े रिंग्स की संवेदनशीलता आकार के साथ चतुष्कोणीय रूप से बढ़ती है।

2. दर्पण: उच्च परावर्तनशीलता महत्वपूर्ण है।

3. स्थिरता: असेंबली को ऐसे पदार्थ से जोड़ा या बनाया जाना चाहिए जो तापमान में दोलन के उत्तर में न्यूनतम रूप से परिवर्तित होता है (उदाहरण के लिए ज़ेरोडूर, या अत्यधिक बड़े रिंग के लिए आधार)।

4. गैस: हेन बड़े रिंग लेजर के लिए सबसे वांछनीय सुविधाओं के साथ किरण उत्पन्न करता है। जाइरोस के लिए, सैद्धांतिक रूप से कोई भी पदार्थ जिसका उपयोग मोनोक्रोमैटिक प्रकाश किरण उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है, इस प्रकार इसे प्रयुक्त होती है।

लेजर किरण: सैद्धांतिक उपकरण

इस प्रकार मापने के उपकरण के रूप में रिंग के लिए, सिग्नल/नॉइज़ अनुपात और लाइन की चौड़ाई सभी महत्वपूर्ण हैं। इस प्रकार रिंग के सिग्नल का उपयोग घूर्णन संसूचन के रूप में किया जाता है, जबकि सर्वव्यापी सफेद, क्वांटम नॉइज़ रिंग का मौलिक नॉइज़ है। निम्न गुणवत्ता कारक वाली रिंग अतिरिक्त कम आवृत्ति ध्वनि उत्पन्न करती हैं। किरण विशेषताओं के लिए मानक आव्यूह विधियाँ - वक्रता और चौड़ाई - दी गई हैं, साथ ही ध्रुवीकरण के लिए जोन्स कैलकुलस भी दिया गया है।

सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात

इस प्रकार घूर्णन के लिए सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात, s/n की गणना करने के लिए निम्नलिखित समीकरणों का उपयोग किया जा सकता है।

सिग्नल आवृत्ति है

s = Δfs = 4${\frac {{\vec {\Omega }}\cdot {\vec {A}}}{\lambda L}}$,

जहाँ ${\vec {A}}$ क्षेत्र सदिश है, ${\vec {\Omega }}$ घूर्णन दर सदिश है, λ निर्वात तरंगदैर्घ्य है, L परिधि है। (नॉनप्लानर रिंग्स जैसी सम्मिश्र ज्यामिति के लिए या आकृति-8 रिंग, परिभाषाएँ

${\vec {A}}={\frac {1}{2}}\oint {{\vec {r}}\times }d{\vec {l}}$ और l = $\oint {dl}$ उपयोग किया जाना है।)

ध्वनि की आवृत्तियाँ हैं

n = $S_{\delta f}={\frac {hf^{3}}{PQ^{2}}}$,

जहाँ $S_{\delta f}$ क्वांटम ध्वनि का एक पक्षीय बल वर्णक्रमीय घनत्व है, h प्लैंक स्थिरांक है, f लेजर आवृत्ति है, P में लेजर किरण के सभी विद्युत् हानि सम्मिलित हैं, और Q रिंग का गुणवत्ता कारक है।

लाइन चौड़ाई

इस प्रकार रिंग लेजर आवृत्ति मापने वाले उपकरणों के रूप में कार्य करते हैं। जैसे, एकल फूरियर घटक, या आवृत्ति समष्टि में लाइनें रिंग आउटपुट में प्रमुख महत्व रखती हैं। उनकी चौड़ाई प्रचलित ध्वनि स्पेक्ट्रा द्वारा निर्धारित की जाती है। मुख्य ध्वनि योगदान सामान्यतः सफेद क्वांटम ध्वनि है यदि यह ध्वनि केवल उपस्थित है, तो अंतराल 0-T में इस ध्वनि के साथ सिग्नल को दूषित करके (δ फलन द्वारा दर्शाया गया) आरएमएस-लाइन चौड़ाई सिग्मा प्राप्त किया जाता है। परिणाम है:

$\sigma ={\sqrt {\frac {hf_{0}^{3}}{2PQ^{2}T}}}$

इस प्रकार P को अधिकतम किया जाना चाहिए किन्तु उस स्तर से नीचे रखा जाना चाहिए जो अतिरिक्त मोड उत्पन्न करता है। हानि से बचकर (जैसे दर्पणों की गुणवत्ता में सुधार करके) Q को अधिक सीमा तक बढ़ाया जा सकता है। T केवल उपकरण की स्थिरता द्वारा सीमित है। T क्लासिक T^−1/2 वाइट नॉइज़ के लिए द्वारा लाइन की चौड़ाई कम कर देता है।

इस प्रकार निम्न-Q रिंगों के लिए, 1/f ध्वनि के लिए एक अनुभवजन्य संबंध का पता लगाया गया है, जिसमें $S_{1/f}={\frac {A}{Q^{4}}}(f_{0}^{2}/f)$, A≃4 के साथ इस ध्वनि की उपस्थिति में लाइन की चौड़ाई कम करना अत्यंत कठिन है। लाइन की चौड़ाई को और कम करने के लिए लंबे माप समय की आवश्यकता होती है। इस प्रकार 243 दिनों के माप समय ने ग्रॉसरिंग में σ को घटाकर 50 nHz कर दिया था।

किरण विशेषताएँ

इस प्रकार रिंग लेज़रों में किरण सामान्यतः लेज़र गैस के उच्च-आवृत्ति उत्तेजना से उत्तेजित होती है। यद्यपि यह दिखाया गया है कि रिंग लेजर को माइक्रोवेव से संबंधित मोड सहित सभी प्रकार के मोड में उत्तेजित किया जा सकता है, दर्पण की स्थिति के उचित समायोजन को देखते हुए, विशिष्ट रिंग लेजर मोड में गॉसियन, संवृत आकार होता है किरण गुणों (वक्रता त्रिज्या, चौड़ाई, वेस्ट की स्थिति, ध्रुवीकरण) का विश्लेषण आव्यूह विधियों से किया जाता है, जहां संवृत किरण परिपथ के अवयव , दर्पण और उनके मध्य की दूरी, 2 × 2 आव्यूह दिए जाते हैं। n दर्पण वाले परिपथ के लिए परिणाम भिन्न होते हैं। सामान्यतः, n वेस्ट होती हैं। स्थिरता के लिए, परिपथ में कम से कम वृत्ताकार दर्पण होना चाहिए। समतल के बाहर के रिंग्स में गोलाकार ध्रुवीकरण होता है। दर्पण त्रिज्या और दर्पण पृथक्करण का चयन इच्छानुसार नहीं है।

वक्रता त्रिज्या और चौड़ाई

इस प्रकार किरण का स्पॉट आकार w है:

$\left|E\right|=\left|E_{0}\right|e^{-{\frac {r^{2}}{w^{2}}}}$

जहाँ $E_{0}$ किरण का शीर्ष क्षेत्र है, e क्षेत्र वितरण है, और r किरण केंद्र से दूरी है।

इस प्रकार दर्पण का आकार इतना बड़ा चुना जाना चाहिए कि यह सुनिश्चित हो सके कि गाऊसी टेल के केवल बहुत छोटे भाग काटे जाएं, जिससे गणना की गई Q (नीचे) बनी रहे थे।

इस प्रकार फेज वक्रता त्रिज्या आर के साथ गोलाकार है। यह वक्रता त्रिज्या और स्पॉट आकार को सम्मिश्र वक्रता में संयोजित करने के लिए प्रथागत है

${\frac {1}{q}}={\frac {1}{R}}-j{\frac {\lambda }{\pi w^{2}}}$.

इस प्रकार रिंग डिज़ाइन एक सीधे खंड के लिए आव्यूह M₁ = $\left({\begin{matrix}1&d\\0&1\\\end{matrix}}\right)$ का उपयोग करता है और M₂ = $\left({\begin{matrix}1&0\\-{\frac {1}{f}}&1\\\end{matrix}}\right)$ फोकस लंबाई f के दर्पण के लिए। दर्पण की त्रिज्या R_M और फोकस लंबाई f के मध्य का संबंध समतल में कोण θ पर विषम घटना के लिए है:

$f=f_{x}={\frac {R_{M}}{2}}\cdot \cos \theta$,

समतल के लंबवत कोण θ पर विषम घटना के लिए:

$f=f_{y}={\frac {R_{M}}{2}}\cdot {\frac {1}{\cos \theta }}$,

जिसके परिणामस्वरूप एस्टिगमैटिक किरण उत्पन्न होती हैं।

आव्यूह के निकट है

$\left|M_{1}\right|=\left|M_{2}\right|=1$