Purely equatorial lasing in spherical liquid crystal polymer microlasers with bipolar refractive index profile

कल्पना कीजिए कि पानी की एक बूंद में एक छोटा, पूर्ण गोला तैर रहा है। इस गोले के भीतर, प्रकाश इसकी भीतरी दीवार से टकराकर घूम सकता है, एक ट्रैक पर दौड़ने वाले धावक की तरह निरंतर चक्कर लगा सकता है। यह घटना, जिसे 'विस्परिंग गैलरी मोड' (whispering gallery mode) कहा जाता है, गोले को एक लेजर के रूप में कार्य करने की अनुमति देती है, जो प्रकाश की एक बहुत ही शुद्ध, तीक्ष्ण किरण उत्सर्जित करती है। वैज्ञानिक लंबे समय से इन सूक्ष्म लेजरों का उपयोग अपने वातावरण में होने वाले परिवर्तनों, जैसे कि किसी विशिष्ट प्रोटीन की उपस्थिति या तापमान में बदलाव को महसूस करने के लिए करते आए हैं। हालाँकि, इसमें एक समस्या है: क्योंकि गोला पूरी तरह से गोल है, इसलिए प्रकाश किसी भी दिशा में घूम सकता है। यदि आप गोले को चमकाने के लिए लेजर का उपयोग करते हैं, तो प्रकाश ऊपर से जाने वाला रास्ता चुन सकता है, या बगल से, या इनके बीच का कोई भी रास्ता। यह अनुमान लगाना कठिन बना देता है कि प्रकाश वास्तव में कहाँ होगा या एक जीवित कोशिका जैसे जटिल, गतिशील वातावरण में सटीक माप के लिए लेजर का उपयोग करना कितना कठिन होगा।

कोलोन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अब इस समस्या का समाधान निकाल लिया है, उन्होंने एक नए प्रकार का गोलाकार माइक्रोलैसर बनाया है जो प्रकाश को केवल एक विशिष्ट स्थान पर, यानी भूमध्य रेखा (equator) पर चलने के लिए मजबूर करता है। गोले के भीतर की सामग्री की आंतरिक संरचना को विशिष्ट रूप से इंजीनियर करके, उन्होंने लेजर प्रकाश को एक एकल, सपाट तल में कैद कर दिया है। यह सफलता सुनिश्चित करती है कि लेजर प्रकाश हमेशा उस निश्चित भूमध्यरेखीय पट्टी में रहेगा, लेकिन केवल तभी जब गोले को पंप बीम के सापेक्ष सही ढंग से उन्मुख (orient) किया गया हो। विशेष रूप से, लेिंग (lasing) तब सबसे कुशलता से होती है जब पंप बीम गोले के आंतरिक द्विध्रुवीय अक्ष (bipolar axis) के लंबवत टकराती है; यदि पंप ध्रुवों से टकराता है या द्विध्रुवीय अक्ष के साथ संरेखित होता है, तो कोई लेजर प्रकाश उत्पन्न नहीं होता है। यह खोज इन सूक्ष्म लेजरों को जैविक प्रणालियों के भीतर विश्वसनीय, स्थानीयकृत सेंसर के रूप में उपयोग करने का मार्ग प्रशस्त करती है, जहाँ यह जानना कि प्रकाश कहाँ स्थित है, उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि स्वयं प्रकाश।

टीम ने अपने माइक्रोलैसर को एक लिक्विड क्रिस्टल पॉलिमर से बनाकर यह उपलब्धि हासिल की, जो एक ऐसी सामग्री है जो लिक्विड क्रिस्टल के तरल-समान क्रम और प्लास्टिक की ठोस स्थिरता दोनों को जोड़ती है। उन्होंने लिक्विड क्रिस्टल अणुओं के मिश्रण और एक विशेष डाई (dye) से शुरुआत की जो लेसिंग के लिए ऊर्जा प्रदान करती है। एक माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस का उपयोग करके, उन्होंने इस मिश्रण की छोटी बूंदें बनाईं, जिनका व्यास लगभग 25 से 30 माइक्रोमीटर था। जैसे-जैसे विलायक (solvent) वाष्पित हुआ, बूंदें सिकुड़कर लगभग 9 या 10 माइक्रोमीटर रह गईं। इस सिकुड़ने की प्रक्रिया के दौरान, लिक्विड क्रिस्टल अणु स्वाभाविक रूप से एक द्विध्रुवीय पैटर्न में व्यवस्थित हो गए, जिसमें अणु एक ध्रुव से दूसरे ध्रुव की ओर इशारा कर रहे थे, ठीक वैसे ही जैसे किसी ग्रह के चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं होती हैं। एक बार जब यह संरेखण सेट हो गया, तो शोधकर्ताओं ने बूंदों को ठोस पॉलिमर मोतियों में कठोर करने के लिए पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश का उपयोग किया, जिससे आणविक व्यवस्था हमेशा के लिए लॉक हो गई।

यह आंतरिक व्यवस्था ही इस नए व्यवहार की कुंजी है। एक सामान्य गोले में, सामग्री हर दिशा में एक जैसी दिखती है। इन नए मोतियों में, सामग्री अलग तरह से दिखती है यदि आप इसे अलग दिशा से देखें। अणु ध्रुव से ध्रुव तक जाने वाली रेखाओं के साथ संरेखित हैं, जिससे उस दिशा में उच्च अपवर्तनांक (refractive index) और लंबवत दिशा में कम अपवर्तनांक बनता है। जब शोधकर्ताओं ने इन मोतियों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि प्रकाश केवल तभी लेस (lase) कर सकता है जब गोला बगल की ओर उन्मुख हो, जिससे प्रकाश सतह के समानांतर तरंगों के साथ भूमध्य रेखा के साथ यात्रा कर सके। यदि वे शीर्ष या नीचे से पंप करने का प्रयास करते, या यदि मोती इस तरह उन्मुख होता कि पंप ध्रुवों से टकराता, तो कोई लेजर प्रकाश उत्पन्न नहीं होता, केवल एक मंद चमक दिखाई देती। प्रकाश को ध्रुवों के ऊपर से जाने का मार्ग नहीं मिल पाता था।

शोधकर्ताओं ने सूक्ष्मदर्शी के नीचे मोतियों को रखकर और उन्हें लुढ़कते हुए देखकर इस व्यवहार की पुष्टि की। बगल से देखे जाने पर, मोती एक वलय (ring) जैसा पैटर्न दिखाते हैं, जो भूमध्यरेखीय संरेखण को दर्शाता है। ऊपर से देखे जाने पर, वे एक क्रॉस-नुमा पैटर्न दिखाते हैं। एक केंद्रित लेजर बीम के साथ मोतियों को स्कैन करके, उन्होंने मानचित्रित किया कि प्रकाश ठीक कहाँ से निकल रहा है। उन्होंने पाया कि बगल की ओर उन्मुख मोतियों के लिए, लेजर प्रकाश भूमध्य रेखा के विपरीत दिशाओं में दो चमकीले धब्बों के रूप में दिखाई देता है। जब मोती इस तरह रखे गए कि उनके ध्रुव कैमरे की ओर थे, तो वहां कोई लेजर प्रकाश नहीं था, भले ही शोधकर्ताओं ने इसे जबरदस्ती चलाने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा का उपयोग किया हो। इसने सिद्ध किया कि लेजर सख्ती से भूमध्यरेखीय तल में सीमित है, लेकिन केवल तभी जब गोला सही ढंग से उन्मुख हो।

एक और दिलचस्प खोज यह थी कि लेजर प्रकाश एक एकल, ठोस रंग के रूप में नहीं आता है। इसके बजाय, मुख्य लेजर रेखा कई अलग-अलग, निकटवर्ती रेखाओं में विभाजित हो जाती है, जैसे कि एक प्रिज्म सफेद प्रकाश को इंद्रधनुष में तोड़ता है, लेकिन बहुत अधिक सूक्ष्म विवरण के साथ। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये विभाजित रेखाएं उन विभिन्न पथों के अनुरूप थीं जो प्रकाश भूमध्य रेखा के चारों ओर ले सकता है। क्योंकि मोती की आंतरिक संरचना हर दिशा में पूरी तरह से समान नहीं है, इसलिए थोड़ा अलग दिशा में यात्रा करने वाला प्रकाश थोड़े अलग ऑप्टिकल गुणों का अनुभव करता है। इसके कारण प्रकाश की ऊर्जा अलग-अलग उप-मोड्स (sub-modes) में विभाजित हो जाती है। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके दिखाया कि यह विभाजन इसलिए होता है क्योंकि प्रकाश तरंगें मोती के भीतर अणुओं के विशिष्ट संरेखण के साथ परस्पर क्रिया करती हैं। उन्होंने यह भी पाया कि विभाजन की मात्रा इस बात पर निर्भर करती कि अणु कितने पूर्णतः संरेखित थे; जब उन्होंने एक अलग, कम स्थिर लिक्विड क्रिस्टल से बने मोतियों का परीक्षण किया, तो विभाजन अधिक था, जिससे पता चलता कि उनके पॉलिमर मोतियों में संरेखण बहुत अच्छा था लेकिन पूर्ण नहीं।

शायद भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि क्या ये नए पॉलिमर मोती जीवित कोशिकाओं के उपयोग के लिए सुरक्षित हैं। उन्होंने इन्हें फाइब्रोब्लास्ट कोशिकाओं (fibroblast cells), जो कि एक सामान्य प्रकार की पशु कोशिका है, के कल्चर में रखा। दो दिनों के बाद, कोशिकाएं स्वस्थ थीं और मोती बरकरार और फ्लोरोसेंट (fluorescent) रहे। इसके विपरीत, जब उन्होंने उसी कल्चर में एक मानक लिक्विड क्रिस्टल सामग्री की बूंदें रखीं, तो बूंदें एक दिन के भीतर घुल गईं और लगभग सभी कोशिकाओं को मार दिया। यह परिणाम बताता है कि लिक्विड क्रिस्टल अणुओं को एक ठोस पॉलिमर में लॉक करके, शोधकर्ताओं ने उस विषाक्तता को हटा दिया है जो आमतौर पर इन सामग्रियों के जैविक उपयोग को रोकती है।

लेजर प्रकाश को एक एकल, अनुमानित तल में सीमित करने की क्षमता पारंपरिक गोलाकार माइक्रोलैसर की तुलना में एक महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती है, बशर्ते कि अभिविन्यास (orientation) नियंत्रित हो। पिछले सिस्टम में, प्रकाश किसी भी तल में घूम सकता था, जिससे एक जटिल वातावरण में सेंसर की स्थिति को ट्रैक करना या यह सुनिश्चित करना कठिन हो जाता था कि वह सही स्थान को माप रहा है। इन नए भूमध्यरेखीय लेजरों के साथ, सेंसिंग क्षेत्र निश्चित और संकीकर है। यह सटीक, स्थानीयकृत माप की अनुमति देता है जो लेजर को पंप करने के सटीक कोण पर निर्भर नहीं करता है, जब तक कि गोला बगल की ओर उन्मख (oriented) हो। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इसका उपयोग एक जीवित कोशिका के भीतर विशिष्ट संरचनाओं को टैग करने और ट्रैक करने या उच्च सटीकता के साथ यांत्रिक बलों को मापने के लिए किया जा सकता है। चूंकि प्रकाश रेखाओं का विभाजन अणुओं के आंतरिक क्रम के प्रति संवेदनशील है, इसलिए लेजर स्वयं सामग्री की भौतिक स्थिति को मापने के उपकरण के रूप में भी कार्य कर सकता है। एक स्थिर, गैर-विषाक्त सामग्री को अत्यधिक अनुमानित ऑप्टिकल व्यवहार के साथ जोड़कर, यह कार्य सूक्ष्म दुनिया को पहले से कहीं अधिक स्पष्टता और विश्वसनीयता के साथ महसूस करने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है।