Ho3+-doped CALGO crystals for high-power ultrafast 2.1-μm lasers

कल्पना कीजिए कि आप एक सुपर-फास्ट, हाई-पावर्ड फ्लैशलाइट बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो एक विशिष्ट रंग की रोशनी बिखेरती है: एक गहरा, अदृश्य लाल रंग जिसे "शॉर्ट-वेवलेंथ इन्फ्रारेड" (लगभग 2.1 माइक्रोमीटर) कहा जाता है। यह सिर्फ एक साधारण फ्लैशलाइट नहीं है; इसे इतनी तेज़ी से चमकना होगा कि इसके प्रकाश के पल्स एक ट्रिलियनवें सेकंड से भी कम समय के हों, फिर भी इसे सामग्रियों को काटने या रासायनिक अणुओं के भीतर देखने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली होना चाहिए।

लंबे समय तक, इन शक्तिशाली, सुपर-फास्ट फ्लैश को बनाना एक साइकिल के फ्रेम से फेरारी इंजन बनाने जैसा था। आपको एक मानक लेजर को लेना पड़ता था और फिर उस प्रकाश को सही रंग और गति देने के लिए जटिल, महंगी मशीनरी (जैसे ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर्स) का उपयोग करना पड़ता था। ये सिस्टम बहुत बड़े थे, इनकी कीमत बहुत अधिक थी, और ये केवल फैंसी रिसर्च लैब में ही पाए जाते थे।

यह पेपर इन लेजर्स के लिए एक नया "इंजन" पेश करता है: एक क्रिस्टल जिसे Ho:CALGO कहा जाता है। इस क्रिस्टल को एक जादुई, अव्यवस्थित स्पंज के रूप में सोचें जो प्रकाश ऊर्जा को एक बहुत ही विशेष तरीके से थामता और छोड़ता है।

यहाँ शोधकर्ताओं द्वारा की गई खोजों का विवरण दिया गया है, सरल उपमाओं का उपयोग करते हुए:

1. पुराने सामग्रियों के साथ समस्या

Ho:CALGO से पहले, वैज्ञानिक इन लेजर्स को बनाने के लिए अन्य सामग्रियों का उपयोग करते थे, लेकिन उनमें कुछ खामियां थीं:

• "कम उम्र वाली बैटरी" (Cr-डोपेड क्रिस्टल्स): कुछ सामग्रियां बहुत तेज़ी से चमक सकती थीं, लेकिन उनकी ऊर्जा की "बैटरी" एक माइक्रोसेकंड में खत्म हो जाती थी। वे उच्च-शक्ति वाले कार्यों के लिए पर्याप्त शक्ति स्टोर करने में सक्षम नहीं थे, जिससे वे कमजोर रह जाते थे।
• "गर्म गड़बड़ी" (Tm-डोपेड क्रिस्टल्स): अन्य सामग्रियां ऊर्जा को अच्छी तरह से स्टोर कर सकती थीं, लेकिन जब आप उन्हें शक्तिशाली बनाने की कोशिश करते थे, तो वे अविश्वसनीय रूप से गर्म हो जाती थीं। यह एक सौना (sauna) में मैराथन दौड़ने जैसा था; गर्मी प्रकाश को विकृत कर देती थी, जिससे पल्स को छोटा और तीक्ष्ण बनाए रखना कठिन हो जाता था।
• "संकीर्ण गलियारा" (मानक Ho-डोपेड क्रिस्टल्स): कुछ सामग्रियां ऊर्जा को अच्छी तरह से स्टोर करती थीं और बहुत अधिक गर्म नहीं होती थीं, लेकिन वे प्रकाश को केवल एक बहुत ही संकीर्ण "गलियारे" से गुजरने देती थीं। इसका मतलब था कि लेजर पल्स लंबे और धीमे होने चाहिए, जैसे एक सिंगल ट्रैक पर चलती ट्रेन, न कि तेज़ रफ्तार के विस्फोट की तरह।

2. Ho:CALGO समाधान: "अव्यवस्थित राजमार्ग"

शोधकर्ताओं ने CALGO क्रिस्टल का परीक्षण किया जिसमें होल्मियम आयन (Ho:CALGO) मिलाए गए थे।

• "अव्यवस्थित" होने का लाभ: एक पूरी तरह से व्यवस्थित लाइब्रेरी (एक व्यवस्थित क्रिस्टल) बनाम एक थोड़ा अस्त-व्यस्त बुकशॉप (एक अव्यवस्थित क्रिस्टल) की कल्पना करें। व्यवस्थित लाइब्रेरी में, किताबें सख्त पंक्तियों में होती हैं, जो आपको कितनी तेज़ी से किताबें उठा सकते हैं, इस पर सीमा लगाती हैं। अस्त-व्यस्त बुकशॉप में, किताबें हर जगह बिखरी हुई होती हैं, जिससे आप एक साथ कई अलग-अलग किताबें उठा सकते हैं।
  • क्योंकि CALGO क्रिस्टल परमाणु स्तर पर "अव्यवस्थित" है, यह प्रकाश के लिए एक चौड़ा, सपाट राजमार्ग बनाता है। यह लेजर को बिना फंसे अविश्वसनीय रूप से छोटे पल्स (अल्ट्राफास्ट) उत्पन्न करने की अनुमति देता है।
• "कूल" फैक्टर: आमतौर पर, अव्यवस्थित क्रिस्टल गर्मी को संभालने में खराब होते हैं। लेकिन CALGO एक दुर्लभ अपवाद है। यह एक ऐसे अस्त-व्यस्त कमरे की तरह है जिसमें अभी भी घर का सबसे अच्छा एयर कंडीशनिंग लगा हुआ है। यह पिघले या बीम को विकृत किए बिना उच्च शक्ति को संभाल सकता है।
• "कुशल" पंप: इस लेजर को एक "सहायक" लेजर (एक Tm-फाइबर लेजर) द्वारा पंप किया जाता है जो Ho:CALGO की ऊर्जा आवश्यकताओं के साथ लगभग पूरी तरह से मेल खाता है। यह बिल्कुल सही ईंधन से गैस टैंक भरने जैसा है, जिससे बहुत कम ऊर्जा गर्मी के रूप में बर्बाद होती है।

3. उन्होंने वास्तव में क्या बनाया और मापा

पेपर दो मुख्य मोड में इन लेजर्स के निर्माण और परीक्षण का विवरण देता है:

A. ऑसिलेटर (पल्स जनरेटर)
यह वह मशीन है जो शुरुआती फ्लैश बनाती है।

• रिकॉर्ड शक्ति: "SESAM" (एक विशेष दर्पण जो शटर की तरह काम करता है) नामक तकनीक का उपयोग करके, उन्होंने एक ऐसा लेजर बनाया जो 8.7 वॉट की औसत शक्ति के साथ 369 फेमटोसेकंड (एक फेमटोसेकंड एक क्वाड्रिलियनवां सेकंड होता है) के पल्स के साथ चमकता है। यह इस रंग रेंज में अपने प्रकार का सबसे शक्तिशाली "बल्क" लेजर है।
• स्पीड डेमन: "केर-लेंस मोड-लॉकिंग" (जो प्रकाश की अपनी तीव्रता का उपयोग करके एक शटर के रूप में करती है) नामक एक अलग तकनीक का उपयोग करके, उन्होंने गति को और भी आगे बढ़ाया। उन्होंने 73 फेमटोसेकंड जितने छोटे पल्स प्राप्त किए। हालांकि, इस गति को पाने के लिए, उन्हें शक्ति को घटाकर 170 मिलीवाट करना पड़ा। यह एक समझौता है: आप या तो बहुत तेज़ कार पा सकते हैं या एक बहुत भारी ट्रक, लेकिन दोनों को एक साथ पाना कठिन है।
• "GHz" सफलता: उन्होंने एक ऐसा संस्करण भी बनाया जो प्रति सेकंड 1.179 बिलियन बार (1.179 GHz) चमकता है। यह एक ऐसी स्ट्रोब लाइट की तरह है जो इतनी तेज़ी से झपकती है कि वह निरंतर प्रवाह जैसा दिखता है, जो उच्च-गति रासायनिक सेंसिंग के लिए अद्भुत है।

B. एम्पलीफायर (पावर बूस्टर)
एक बार जब आपके पास एक तेज़ पल्स हो जाता है, तो आपको उसे धीमा किए बिना उसे और अधिक शक्तिशाली बनाने की आवश्यकता होती है।

• चुनौती: आमतौर पर, जब आप एक पल्स को एम्प्लीफाई करते हैं, तो वह एक लंबे, धीमे पल्स में "दब" जाता है क्योंकि सामग्री एक साथ सभी रंगों को नहीं संभाल पाती।
• परिणाम: चूंकि Ho:CALGO में ऊपर वर्णित "चौड़ा राजमार्ग" है, इसलिए वे पल्स को 112 माइक्रोजूल की ऊर्जा तक एम्प्लीफाई करने में सक्षम रहे, और वह भी 100,000 बार प्रति सेकंड की दर से, पल्स की अवधि को छोटा (750 फेमटोसेकंड) रखते हुए। उन्होंने एक विशेष सेल का उपयोग करके इन पल्स को 97 फेमटोसेकंड तक और अधिक कंप्रेस (संकुचित) भी किया, जिससे 525 मेगावाट की पीक पावर प्राप्त हुई।

4. आगे क्या है? (पेपर के अनुसार)

पेपर यह दावा नहीं करता है कि ये लेजर आपके स्टेक को काटने या आपकी बीमारी का निदान करने के लिए तैयार हैं। इसके बजाय, यह इंजीनियरिंग के मार्ग को रेखांकित करता है:

• "थिन डिस्क" विचार: और भी अधिक शक्ति (सैकड़ों वाट) प्राप्त करने के लिए, वे क्रिस्टल के आकार को एक पतली डिस्क में बदलने का सुझाव देते हैं, जो एक सिक्के की तरह पतली होती है। इससे लेजर को और भी बेहतर तरीके से ठंडा करने में मदद मिलती है।
• "फ्रीजर" विचार: वे इन लेजर्स को क्रायोजेनिक फ्रीजर में चलाने का सुझाव देते हैं। आमतौर पर, क्रिस्टल को जमाने से वह तेज़ पल्स को गुजरने देने के लिए बहुत "सख्त" हो जाता है। लेकिन क्योंकि Ho:CALGO "अव्यवस्थित" है, यह जमने के बाद भी ढीला रहता है, जिससे संभावित रूप से गति खोए बिना और भी अधिक शक्ति और ऊर्जा मिल सकती है।
• "अगला रंग" विचार: वे संकेत देते हैं कि यही क्रिस्टल एक और भी लंबी तरंग दैर्ध्य (लगभग 2.9 माइक्रोमीटर) पर प्रकाश बना सकता है, जो विभिन्न प्रकार की सेंसिंग के लिए उपयोगी है, हालांकि यह अभी प्रारंभिक जांच चरण में है।

सारांश

संक्षेप में, यह पेपर कहता है कि Ho:CALGO एक क्रांतिकारी सामग्री है। यह अन्य क्रिस्टल के सर्वोत्तम गुणों को जोड़ता है: यह बहुत अधिक ऊर्जा स्टोर कर सकता है, यह अत्यधिक गर्म नहीं होता है, और यह प्रकाश को तेज़ और स्वतंत्र रूप से चलने देता है। शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक ऐसे वर्किंग लेजर बनाए हैं जो इस विशिष्ट रंग रेंज में पिछले प्रयासों की तुलना में तेज़ और अधिक शक्तिशाली हैं, जो आज के विशाल, जटिल सिस्टम के बजाय छोटे, सस्ते और अधिक कुशल उपकरणों की एक नई पीढ़ी का मार्ग प्रशस्त करते हैं।