Atmospheric aerosol clearing by femtosecond filaments
यह अध्ययन प्रकट करता है कि फेमटोसेकंड फिलामेंट्स वायुमंडलीय कोहरे को मुख्य रूप से जल की बूंदों के ऑप्टिकल शैटरिंग (optical shattering) के माध्यम से साफ करते हैं, न कि ध्वनिक विस्थापन (acoustic displacement) के माध्यम से, जो केवल कसकर केंद्रित गैर-फिलामेंटरी पल्स के लिए महत्वपूर्ण हो जाता है।
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कल्पना कीजिए कि आप धुंध की एक मोटी, सफेद दीवार के बीच से कार चलाने की कोशिश कर रहे हैं। हवा में तैरती पानी की नन्ही बूंदें लाखों छोटे दर्पणों की तरह काम करती हैं, जो आपकी हेडलाइट्स की रोशनी को हर दिशा में बिखेर देती हैं और आपको अंधा कर देती हैं। यही वायुमंडलीय एरोसोल (atmospheric aerosols) की समस्या है: वे प्रकाश को रोकते हैं, जिससे लेजर के लिए लंबी दूरी तक संदेश या ऊर्जा भेजना कठिन हो जाता है। वैज्ञानिक शक्तिशाली, सुपर-फास्ट लेजर पल्स का उपयोग करके इसे हल करने की कोशिश कर रहे हैं। ये पल्स इतने तीव्र होते हैं कि वे यात्रा करते समय खुद को मोड़ और आकार दे सकते हैं, जिससे एक स्व-निर्देशित "प्रकाश की किरण" बनती है जिसे 'फिलामेंट' कहा जाता है। एक फिलामेंट को ऐसे लेजर के रूप में सोचें जो फैलने से इनकार कर देता है, और सैकड़ों मीटर तक सघन और शक्तिशाली बना रहता है, लगभग हवा को चीरती हुई एक चमकती हुई भाले की तरह। बड़ा सवाल जो शोधकर्ता पूछ रहे हैं वह यह है कि यह लेजर भाला वास्तव में धुंध को कैसे साफ करता है? क्या यह एक शॉकवेव (shockwave) के साथ पानी की बूंदों को दूर धकेल देता है, जैसे कि एक सोनिक बूम (sonic boom) किसी पत्ते को एक तरफ धकेल देता है? या क्या यह बूंदों को धूल में तोड़ देता है?
मैरीलैंड विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों की एक टीम ने इस बहस को सुलझाने का फैसला किया कि जब एक सटीक रूप से समयबद्ध पानी की बूंद एक लेजर फिलामेंट से मिलती है, तो क्या होता है। उन्होंने एक ऐसा प्रयोग तैयार किया जहाँ वे पानी की एक नन्ही बूंद (लगभग 5 माइक्रोमीटर त्रिज्या वाली, जो धूल के कण के आकार की होती है) को लेजर के पथ में गिरा सकते थे। उन्होंने यह देखने के लिए हाई-स्पीड कैमरों का उपयोग किया कि क्या बूंद को हवा को गर्म करने की आवाज (ध्वनि) द्वारा दूर धकेला जा रहा है, या क्या वह स्वयं प्रकाश द्वारा चकनाचूर की जा रही है। उन्होंने यह देखने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाए कि क्या भौतिकी उनके देखे गए दृश्यों से मेल खाती है।
परिणाम आश्चर्यजनक थे और उन्होंने एक लोकप्रिय विचार को पूरी तरह बदल दिया। लंबे समय से, कई लोगों का मानना था कि लेजर धुंध को इसलिए साफ करता है क्योंकि वह हवा को इतनी तेजी से गर्म करता है कि एक शक्तिशाली ध्वनिक तरंग (acoustic wave/sound wave) पैदा होती है जो बूंदों को रास्ते से हटा देती है। हालांकि, वैज्ञानिकों ने पाया कि मानक, केंद्रित बीमों द्वारा उत्पन्न लेजर फिलामेंट्स के लिए, यह ध्वनिक तरंग वास्तव में काम करने के लिए बहुत कमजोर है। यह एक हल्की हवा के समान है जो एक भारी पत्थर को चट्टान से नीचे गिराने की कोशिश कर रही हो; ध्वनि तरंग के पास बूंद को रास्ता साफ करने के लिए पर्याप्त पर्याप्त बल (oomph) नहीं है।
इसके बजाय, मुख्य नायक स्वयं प्रकाश है। जब लेजर पानी की बूंद से टकराता है, तो यह एक आवर्धक लेंस (magnifying glass) की तरह काम करता है, जो प्रकाश को बूंद के दूसरी ओर अत्यधिक केंद्रित कर देता है। इससे पानी तुरंत गर्म हो जाता है, उबलता है और बाहर की ओर फट जाता है, जिसे "ऑप्टिकल शैटरिंग" (optical shattering) कहा जाता है। बूंद केवल हिलती नहीं है; यह सूक्ष्म टुकड़ों में टूट जाती है। ये टुकड़े इतने छोटे होते हैं कि वे दर्पणों की तरह प्रकाश को बिखेरते नहीं हैं; इसके बजाय, वे प्रकाश को सीधे अपने माध्यम से गुजरने देते हैं। लेजर अनिवार्य रूप से धुंध को एक महीन धुंध (mist) में बदल देता है जो अदृश्य होती है, जिससे अगली प्रकाश की किरण बिना किसी बाधा के गुजर सकती है।
शोधकर्ता "ध्वनि तरंग" सिद्धांत का परीक्षण करने के लिए बहुत सावधान रहे। उन्होंने एक ऐसी स्थिति बनाई जहाँ उन्होंने लेजर को हवा में बहुत अधिक ऊर्जा जमा करने के लिए मजबूर किया—एक सामान्य फिलामेंट की तुलना में बहुत अधिक—यह देखने के लिए कि क्या एक सुपर-स्ट्रॉन्ग साउंड वेव अंततः एक बूंद को दूर धकेल सकती है। इसके बावजूद, बूंद केवल बहुत कम मात्रा में, लगभग 5 माइक्रोमीटर, हिली, जो रास्ता साफ करने के लिए पर्याप्त नहीं है। उनके कंप्यूटर सिमुलेशन ने इसकी पुष्टि की, जिससे पता चला कि हवा का खिंचाव (drag) बूंद की गति को तुरंत धीमा कर देता है। ध्वनि तरंग केवल तभी एक मजबूत "धकेलने वाला" बनी जब उन्होंने एक बहुत ही कसकर केंद्रित, गैर-फिलामेंट लेजर का उपयोग किया जिसने एक बहुत छोटे बिंदु में भारी मात्रा में ऊर्जा डाली, जो कि लंबी दूरी तक धुंध साफ करने के लिए उपयोग किए जाने वाले लंबे, स्व-निर्देशित फिलामेंट्स में होने वाली स्थिति नहीं है।
तो अंतिम निष्कर्ष यह है कि वास्तविक दुनिया में लंबी दूरी के लेजर फिलामेंट्स के लिए, धुंध किसी सोनिक बूम से साफ नहीं होती है। यह एक सूक्ष्म विस्फोट से साफ होती है। लेजर लाइट पानी की बूंदों को हानिरहित धूल में तोड़ देती है, जिससे अगली किरण बिना किसी बाधा के गुजर पाती है। हालांकि ध्वनि तरंग मौजूद है, लेकिन यह मुख्य सफाई तंत्र होने के लिए बहुत कमजोर है। वैज्ञानिक सुझाव देते हैं कि यदि हम भविष्य में धुंध को साफ करने के लिए ध्वनि तरंगों का उपयोग करना चाहते हैं, तो हमें अलग प्रकार के लेजरों को देखना होगा, शायद वे जो लंबे वेवलेंथ (wavelengths) या अलग पल्स शेप का उपयोग करते हैं, लेकिन फिलहाल, लेजर फिलामेंट का जादू धुंध को धकेलने में नहीं, बल्कि उसे चकनाचूर करने की उसकी क्षमता में निहित है।
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