சீரொளி

சீரொளி (Laser, லேசர்) அல்லது ஊடொளி என்பது சில குறிப்பிட்ட சிறப்பான பண்புகள் கொண்ட ஒளி. பொதுவாக மின் விளக்கு, அகல்விளக்கு, கதிரவன் முதலானவற்றில் இருந்து வரும் ஒளியானது பல அலைநீளங்கள் கொண்ட ஒளிக்கதிர்களைக் கொண்டிருக்கும். அவற்றுள் ஒரே அலைநீளம் கொண்ட ஒளிக்கதிர்களும்கூட ஒன்றுக்கொன்று அலைமுகங்கள் மாறுபட்டும் முரண்பட்டும் காணப்படும். அதாவது ஓர் ஒளியலையின் அலைமுகம் ஏறுமுகமாக இருக்கும் போது, அதே அலைநீளம் கொண்டிருக்கும் வேறு ஒளியலைகள் இருந்தாலும் அவற்றின் அலைமுகம் இறங்குமுகமாக இருக்கக்கூடும். ஆனால் சீரொளி அல்லது லேசர் என்னும் தனிச்சிறப்பான ஒளியானது அவற்றுள் உள்ள ஒளியலைகள் யாவும் ஒரே அலைநீளம் கொண்டதாகவும், அவற்றின் அலைமுகங்கள் யாவும் ஒருசேர ஒத்தியங்கும் ஒரே அலைமுகம் கொண்டவையாகவும் இருக்கும். சீரொளியின் பயன்பாடுகள் பலவும் இப்பண்புகளை அடிப்படையாகக் கொண்டவை. சீரொளியானது லேசர் என்று பரவலாக அறியப்படுகின்றது. இந்த லேசர் என்னும் சொல் ஆங்கிலத்தில் முதலெழுத்துக்கூட்டலாக அமைந்த சுருக்கெழுத்துச்சொல். இது Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation என்பதன் சுருக்கமாக LASER என்று அழைக்கப்படுகின்றது. கதிர்வீச்சின் தூண்டு உமிழ்வு மூலம் செறிவூட்டப்பட்ட ஒளி என்பதே இதன் பொருள். எனவே இது ஓர் ஒளிமிகைப்பிக் கருவி. அலைநீளங்களும் அலைமுகங்களும்  சீரொற்றுமை பெற்று சீரொளியாக வெளிப்படும் ஒளி.

மே 16, 1960 இல் அமெரிக்கக் கூட்டு நாடுகளில் உள்ள கலிபோர்னியா மாநிலத்தில் மாலிபு என்னும் இடத்தில் ஹியூஸ் ஆய்வகத்தில்,  தியோடோர் மைமான் (Theodore Maiman) என்பவர் முதன்முதலாக ஒரு செயற்கையாகச் செய்த சிவப்புக்கல் அல்லது கெம்பு என்னும் பொருளில் சீரொளி எழுப்பி புதுமை படைத்தார். இன்று இந்த சீரொளி அல்லது லேசர் நூற்றுக்கணக்கான தொழிநுட்பங்களில் பயன்பட்டு, ஆண்டுக்கு பல பில்லியன் டாலர் வணிகமாக உருவெடுக்க வழிவகுத்தது. சிவப்புக்கல் அல்லது கெம்பு என்பது நகைகள் செய்யப் பயன்படும் வகையான விலை உயர்ந்த, ஒருவகைப் படிகக்கல். இதில் குரோமியம் போன்ற வேற்றுப்பொருட்களை திட்டமிட்ட அளவில் அதனுள் கலந்து இதனைப் பயன்படுத்தினார். சீரொளி என்பது இன்று பல்வேறு திண்ம வளிமப் பொருள்களைக் கொண்டு உருவாக்கப்படுகின்றது. கணினி, மற்றும் இசைப்பெட்டிகளில் பயன்படும் டிவிடி (DVD), குறுந்தட்டு (குறுவட்டை, CD) போன்றவற்றில் இருந்து குறிபலைகளைப் பெறவும் இந்த சீரொளி மிகவும் பயன்படுகின்றது. பலவகையான கணி அச்சு எந்திரங்கள், கடைகளில் வாங்கும் பொருளை  அடையாளம் காட்டப் பயன்படும் சீரொளி வருடி (scanner), இசைநிகழ்ச்சிகளில் ஒளியலங்காரம் செய்யப்பயன்படும் சீரொளிக்கற்றைகள் என்பதில் இருந்து தொழிலகங்களில் தடிப்பான இரும்பை வெட்டி அறுப்பது, அலுமினியல் குழாய்களை ஒட்டவைப்பது வரை பற்பல பயன்பாடுகளுக்குச் சீரொளி பயன்படுகின்றது.

சீரொளி இயற்பியல் 

ஒரு அணு அதிக சக்தி நிலையில் குறைந்த சக்தி நிலைக்கு வரும் பொழுது எஞ்சிய ஆற்றலை மின்காந்த அலைகள்ஆக வெளியிடுகிறது. இந்த ஆற்றல் சில சமயம் அருகில் உள்ள அணுக்களால் உள்வாங்கபடுகிறது அல்லது வெளியிடப்படுகிறது. வெளியிடப்படும் ஒளியின் அலை நீளம் அந்த அணுவில் ஏற்பட்ட அணு தாண்டல்க்கு (atomic transition) ஏற்றவாறு அமையும். இந்த நிகழ்வு இரு வழிகளில் நடைபெறுகிறது. 1. தன்னிச்சையான காலல் (Spontaneous emission), 2. தூண்டப்பட்ட காலல் (Stimulated emission).

தன்னிச்சையான உமிழ்வு (Spontaneous emission)

தன்னிச்சையான உமிழ்வு என்பது ஒரு அணு அதன் உயர்ந்த ஆற்றல் நிலையில் இருக்கும் கலத்தை குறிக்கும். பொதுவாக அணுக்களின் அணு மாற்றத்தின் காலம் நனோநொடிகளிலோ அல்லது மைக்ரோ நொடிகளிலோ  இருக்கும். இந்த காலம் முடிந்த பின் அணு மாற்றம் எற்பட்டு குறைந்த ஆற்றல் நிலைக்கு செல்லும். இதன் விளைவாக வெளியிடப்படும் ஒளி எந்த திசையிலும் இருக்கலாம். இதை தன்னிச்சையான உமிழ்வு என்று அழைக்கபடுகிறது.

தூண்டப்பட்ட உமிழ்வு (Stimulated emission)
               
தூண்டப்பட்ட உமிழ்வில் அதிக ஆற்றல் நிலையில் உள்ள அணு குறைந்த ஆற்றல் நிலைக்கு வரும் முன்பாகவே அடுத்த ஒளியணுவினால் (photon) தூண்டபட்டு குறைந்த ஆற்றல் நிலைக்கு வருகிறது. இந்த நிகழ்வு தன்னிச்சையான வாழ்நாளுக்கு குறைவான சமயத்தில் நிகழ்கிறது. இது போன்று துண்டபட்டு நிகழும் செயல் தூண்டப்பட்ட உமிழ்வு ஆகும். இந்த நிகழ்வில் இரண்டாவது ஒளியணு உள்கொள்ளபடுவதில்லை மாறாக இந்த ஒளியணு அணு மாற்றதை துண்ட மட்டுமே செய்கிறது. இதனால் இரண்டு ஒளியணுகள் வெளியிடபடுகிறது. இந்த இரண்டு ஒளியணுகளும் ஒரே தசையில் பயணிக்கிறது. இரண்டாவது ஒளியணு முதல் ஒளியணுவின் அலை நீளத்தையும் (wavelength), கட்டத்தையும் (phase) மற்றும் முனைவாக்கதையும் (polarization)கொண்டுள்ளது. இதன் விளைவாக வெளியிடப்படும் ஒளி சிறப்பு வாய்ந்த லேசர் ஒளி என்று அழைக்கபடுகிறது.

சீரொளி பண்புகள்

ஒற்றை நிறதன்மை (Monochromaticity)

வெள்ளை நிற ஒளி பல நிறங்களாக பிரிவதை நிறமாலை என்கின்றோம். இதற்கு மாறாக ஒரே நிறமாக ஒளி இருந்தால் அதனை ஒற்றை நிறதன்மை (monochromaticity) என்றழைக்கபடுகிறது. சொலபோனால் சீரொளியும் இது போன்றதே! வெள்ளை நிறதின் அலைவரிசையை (bandwidth) சுமார் 300 நானோமீ. அதே வெள்ளை நிற ஒளியை ஒரு சிவப்பு வடிகட்டியுனுள் (filter) செலுத்தினால் சிவப்பு நிறமாக வெளிப்படும். இந்த சிவப்பு நிறம் பொதுவாக 10 முதல் 20 நானோமீ வரை இருக்கும். ஆனால் HeNe சீரொளியின் அலைவரிசையை 1 நானோமீக்கும் குறைவு. இருப்பினும் ஒற்றை நிறதன்மை என்றால் ஒரேஒரு ஒளி அதிர்வு இருக்கவேண்டும் அல்லவா? ஆனால் சீரொளி அலைவரிசையை என்றுமே பூஜ்யமாக இருபதில்லை. இதற்கு காரணம் சரியான ஒற்றை நிறதன்மை என்பது நிச்சயமற்ற கோட்பாடை (uncertainty principle) மீறும் தன்மை ஆகும். இந்த கோட்பாடு நவீன அறிவியலின் ஆணிவேர் ஆகும். ஆதலால் இந்த கோட்பாட்டின் படி ஒரு ஒளியின் அலைநீளம் துளியமாக தெரிந்துவிட்டால் அவ்வொளி எவ்வளவு நேரம் ஒளித்து கொண்டிருக்கும் அல்லது ஒளித்து கொண்டிருக்ககூடும் என்பது கேள்விக்குறியே! அதாவது அந்த ஒளி என்றென்றும் ஒளிர்ந்துகொண்டே இருந்ததது, இன்னும் இருக்கும்! இந்த நிலை நடக்காத ஒன்று. ஆதலால் ஒற்றை நிறதன்மை சீரொளியில் குறிப்பிடுவது ஒரு சிறிய அலைவரிசையை கொண்டதே ஆகும்.

ஒரே திசைதன்மை (Directionality)

சாதாரண ஒளி ஒரு சிறிய துளை வழியாக செல்லும் போது ஒளி விலகுதல் நடைபெறுகிறது. அதாவது ஒளியின் கற்றை விரிகின்றது. சர்க்கசுகளில் விளக்கு வட்டம் (spotlight) அது நடைபெறும் இடத்தை காட்டும் பொருட்டு இந்த விளக்குகள் ஒளி பாய்ச்சுகின்றன. இந்த ஒளி ஒரு பட்டை போன்று வானில் தோன்றும். காரணம் இதன் ஒளியின் கற்றை விரிவது குறைவு. அதே சமயத்தில் சீரொளிக் கற்றையில் இந்த விரிவாக்கம் மிகமிக குறைவு. இந்த சீரொளி கற்றை விரிவாக்கம் ஒரு பாகையின் ஆயிரத்தின் கூறுகளில் அளக்கபடுகிறது. சீரொளி ஒளி ஒத்த அதிர்வு குழாயை விட்டு வெளியேறுவதற்கு முன்பு எதிரொளிப்பதன் மூலமாக பல முறை இடதுவலது திசையில் செல்ல நேருகிறது. எந்த சீரொளிக் கற்றை ஒத்த அதிர்வு குழாயின் மையக்கோட்டில் பயணிக்கிறதோ அந்த ஒளி கற்றைதான் பலமுறை பயணிக்கமுடியும். இதில் ஒளி கற்றை மையகோட்டிலிருந்து சிறிது விலகினாலும் அந்த ஒளி கற்றையால் பலமுறை பயணிக்கமுடியாது. இதனால் வெளியேறும் சீரொளிக் கற்றை நேர்கோட்டில் செல்லவேண்டியதாகிறது. இதனால் சீரொளி ஒரே திசையில் செல்லும் தன்மையைக் கொண்டுள்ளது.

இசைவுப் பெருக்கம் (Coherence)

இசைவுப் பெருக்கம் பண்பு சீரொளி ஒளியின் தனித்தன்மை ஆகும். இசைவுப் பெருக்கம் இருக்க காரணம் சீரொளி கற்றை (1) ஒரே மாதிரியான அலைநீளம் கொண்டிருப்பது, (2) ஒரே திசை கொண்டிருப்பது, (3) ஒரே கட்டத்தை கொண்டிருப்பதும் ஆகும். இது இரு வகைப்படும், (1) இடம் சார்ந்த இசைவு (Spatial coherence) மற்றும் (2) காலம் சார்ந்த இசைவு (Temporal coherence).

இடம் சார்ந்த இசைவு (Spatial coherence) 

சீரொளியின் மேல் பகுதி ஒளி கற்றையும் கீழ் பகுதி ஒளி கற்றையும் இசைவு கொண்டிருந்தால் அது இடம் சார்ந்த இசைவு எனப்படும். எவ்வளவு தொலைவு வரை இந்த இசைவு இருக்கிறதோ அந்த அளவு இடம் சார்ந்த இசைவு உள்ளது என்று அர்த்தம்.

காலம் சார்ந்த இசைவு (Temporal coherence) 

இரண்டு சீரொளி கற்றை ஒன்று மற்றொன்றை கடக்கும் பொழுது எவ்வளவு நேரம் இன்றண்டின் இடையே இசைவு இருக்கிறதோ அது காலம் சார்ந்த இசைவு ஆகும். அதாவது எதனை அலைநீளம் வரையில் இந்த இரண்டு ஒளி காற்றையும் இசைவு இருக்கிறதோ அந்த அளவு காலம் சார்ந்த இசைவு உள்ளது என்று பொருள். இதிலிருந்து நாம் அறிவது என்னவென்றால் எவ்வளவுக்குஎவ்வளவு சீரொளி ஒற்றை நிறதன்மை கொண்டுளதோ அவ்வளவுக்குஅவ்வளவு காலம் சார்ந்த இசைவு இருக்கும்.

பல்வேறு வகையான சீரொளி ஆக்கிகள்

சீரொளி வரலாறு

அடித்தளக் கருத்துகள் 
1917 இல் ஆல்பெர்ட் ஐன்சுட்டின் Zur Quantentheorie der Strahlung" (கதிர்வீச்சு பற்றிய குவாண்டம் கோட்பாடு)  என்னும் தலைப்பிட்ட ஆய்வுக்கட்டுரையில், பின்னாளில் சீரொளி,  சீர்நுண்ணலை (maser) என அறியப்பட்ட கருவிகளுக்கு அடிப்படைகளைப் பற்றி எழுதினார். இதில் எவ்வாறு (1) உயர் ஆற்றல் நிலையில் இருந்து எதிர்மின்னிகள் (எலக்ட்ரான்கள்) தணிந்த ஆற்றல்நிலைகளுக்குத் தற்செயலாய் தாவும் பொழுது மின்காந்த அலைக்கதிர்கள் அல்லது கதிர்வீச்சு (கதிர் உமிழ்வு) நிகழும் என்றும், (2) உயர் ஆற்றல் நிலையில் இருந்து புறத் தூண்டுதலால்,  தணிவான ஆற்றல் நிலைகளுக்குத் தாவி கதிர்வீச்சு (கதிர் உமிழ்வு) நிகழும் (stimulated) என்றும், (3) ஆற்றல் முற்றுமாய் பற்றப்படும் (பற்றி உள்வாங்கப்படும்) (absorption) என்றும் கூறினார். இந்நிகழ்வுகள் ஒவ்வொன்றுக்கும் ஒவ்வொரு நிகழ்தகவு அல்லது வாய்ப்புக் (probability) கெழு (எண்) உண்டு என்று கணித்துக் கூறினார். இந்த நிகழ்தகவு கெழுக்களுக்கு இன்று ஐன்சுட்டின் கெழுக்கள் (Einstein coefficients) என்று பெயர். இதில் தூண்டுதலால் நிகழும் கதிர்வீச்சே சீரொளிக்கு மிகவும் இன்றியமையாதது

1928இல் ருடோல்ஃவ் லாண்டன்பர்கு (Rudolph W. Landenburg) என்பவர் தூண்டுதல் கதிர்வீசும் எதிர்மறை பற்றுப்பாடும் (negative absorption) உண்டு என்பதை உறுதிசெய்தார்.

1939 இல் வாலெண்ட்டின் வாப்பிரிக்காந்த் (Valentin A. Fabrikant) குறைந்த நீளமுள்ள அலைகளில் தூண்டு உமிழ்வு வழி மிகைப்பு ஏற்படும் என்பதை முன்பகர்ந்தார்.

1947 இல் வில்லிசு லாம்பு (Willis E. Lamb) மற்றும் ஆர். சி. ரெதர்ஃவோர்டு (R. C. Retherford ) ஆகிய இருவரும்  ஐதரசனில் தூண்டு கதிர் உமிழ்வு நிகழ்வதை முதன்முதல் காட்டினார்கள.

பொதுவாக எதிர்மின்னிகள் (எலக்ட்ரான்கள்) அதிக எண்ணிக்கையில்  தணிந்த ஆற்றல் நிலைகளிலும், குறைவான  எண்ணிக்கையில் உயர் ஆற்றல் நிலைகளில் இருக்கும். 1950 இல் ஆல்ஃவிரெடு காசுட்லர் (Alfred Kastler), என்பவர் இந்நிலையை எவ்வாறு தலைகீழாக மாற்றி உயர் ஆற்றல்நிலைகளில் அதிக எதிர்மின்னிகளை ஒளிபாய்ச்சி ஏற்ற முடியும்   என்னும் மிக முக்கியமான கருத்தை முன்வைத்தார். இதற்காக இவருக்கு 1966 இல் இயற்பியல் நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது. பின்னர் இரண்டாண்டுகள் கழித்து புரோசல் காசுட்லர் (Brossel, Kastler) மற்றும் விண்ட்டர் (Winter) என்னும் இருவர் செய்முறையாக நிறுவினர்.

மேசர் அல்லது சீர்நுண்ணலை

லேசர் அல்லது சீரொளி

சீரொளி பயன்பாடுகள் 
 சீரொளியினைப் பயன்படுத்தி கடினமான பொருள்களில் மிக நுண்ணிய துளைகளிடவும், வெட்டவும், பற்றவைப்பதற்கும் பயன்படுகிறது.
 பொருள்களின் தன்மையை சோதிக்க உதவும்.
 ஒளியியல் இழை (optical fiber) செய்தித் தொடர்பில் குறைக்கடத்தி லேசர் (semi conducting laser) பயன்படுகிறது.
 குறுவட்டு இயக்கி (CD player), வன்வட்டு இயக்கிகளில் (DVD player) சீரொளி முக்கிய பங்கு வகிக்கின்றது.
 இராமன் நிறமாலையில் (Raman spectroscopy) பயன்படுகிறது.
 மிக நுண்ணிய அறுவை சிகிச்சைகளில் சீரொளி பயன்படுகிறது.
 எண்டோஸ்கோப்பியில் (endoscopy) சீரொளி பயன்படுகிறது.
 கண் விழித்திரையை நீக்குதலில் பயன்படுகிறது.

அடிக்குறிப்புகளும் மேற்கோள்களும்

வெளி இணைப்புகள் 

 Encyclopedia of laser physics and technology by Dr. Rüdiger Paschotta
 A Practical Guide to Lasers for Experimenters and Hobbyists by Samuel M. Goldwasser
 Homebuilt Lasers Page by Professor Mark Csele
 Powerful laser is 'brightest light in the universe' – The world's most powerful laser as of 2008 might create supernova-like shock waves and possibly even antimatter (New Scientist, April 9, 2008)
 "Laser Fundamentals" an online course by Prof. F. Balembois and Dr. S. Forget. Instrumentation for Optics, 2008, (accessed January 17, 2014)
 Northrop Grumman's Press Release on the Firestrike 15kw tactical laser product. 
 Website on Lasers 50th anniversary by APS, OSA, SPIE
 Advancing the Laser anniversary site by SPIE: Video interviews, open-access articles, posters, DVDs 
 Bright Idea: The First Lasers  history of the invention, with audio interview clips.
 Free software for Simulation of random laser dynamics
 Video Demonstrations in Lasers and Optics Produced by the Massachusetts Institute of Technology (MIT). Real-time effects are demonstrated in a way that would be difficult to see in a classroom setting.
 Virtual Museum of Laser History, from the touring exhibit by SPIE
 website with animations, applications and research about laser and other quantum based phenomena Universite Paris Sud

 
ஒளியியல் கருவிகள்
குவாண்டம் இயங்கியல்
இயற்பியல்
அமெரிக்கக் கண்டுபிடிப்புகள்
உருசியக் கண்டுபிடிப்புகள்
சோவியத் கண்டுபிடிப்புகள்