Wide-field mid-infrared single-photon upconversion imaging
यह शोध पत्र एक एपीरियॉडिक क्वासी-फेज-मैचिंग कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग करने वाले एक वाइड-फील्ड मिड-इन्फ्रारेड सिंगल-फोटॉन अपकन्वर्जन इमेजिंग सिस्टम को प्रस्तुत करता है, जो एक महत्वपूर्ण रूप से विस्तारित 30° फील्ड ऑफ व्यू प्राप्त करने के लिए, कमरे के तापमान पर सिंगल-फोटॉन संवेदनशीलता के साथ 216 kHz पर हाई-स्पीड स्नैपशॉट इमेजिंग और हाई-रेज़ोल्यूशन 3D टाइम-ऑफ-फ़्लाइट क्षमताओं को सक्षम बनाता है।
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कल्पना कीजिए कि आप अंधेरे में चमकती हुई किसी चीज़ की तस्वीर लेने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आपका कैमरा केवल दृश्य प्रकाश (जैसे लैंप की रोशनी) देख सकता है, जबकि वह वस्तु अदृश्य इन्फ्रारेड (अवरक्त) प्रकाश में चमक रही है।
लंबे समय तक, वैज्ञानिकों के पास इस समस्या को हल करने के लिए एक चतुर तरकीब थी: वे एक विशेष क्रिस्टल का उपयोग करते हैं जो एक अनुवादक (translator) की तरह काम करता है। यह क्रिस्टल अदृश्य इन्फ्रारेड प्रकाश को तुरंत दृश्य प्रकाश में बदल देता है जिसे एक मानक सिलिकॉन कैमरा (जैसे आपके फोन में होता है) देख सके। इसे फ्रीक्वेंसी अपकन्वर्जन (frequency upconversion) कहा जाता है।
हालाँकि, इस तरकीब के साथ एक बड़ी समस्या थी। वह क्रिस्टल बहुत नखरेबाज था। वह केवल एक बहुत ही संकीले कोण (angle) से आने वाले प्रकाश को ही अनुवादित कर सकता था, जैसे कि एक बहुत पतली स्ट्रॉ (नली) के माध्यम से देखना। यदि वस्तु बहुत चौड़ी थी या प्रकाश बगल से आ रहा था, तो क्रिस्टल उसे अनुवादित करने से मना कर देता था। पूरी तस्वीर देखने के लिए, वैज्ञानिकों को वस्तु या क्रिस्टल को धीरे-धीरे स्कैन करना पड़ता था, कई छोटी तस्वीरें लेनी पड़ती थीं और उन्हें एक पहेली की तरह आपस में जोड़ना पड़ता था। यह धीमा और जटिल था।
बड़ी सफलता
इस शोध पत्र में, शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार का "अनुवादक" क्रिस्टल बनाया है जो बिल्कुल भी नखरेबाज नहीं है। उन्होंने एक विशेष क्रिस्टल का उपयोग किया जहाँ इसकी आंतरिक संरचना एक छोर से दूसरे छोर तक धीरे-धीरे बदलती है (जैसे एक ढलान या सीढ़ी)। यह क्रिस्टल को एक ही बार में बहुत विस्तृत कोणों से आने वाले प्रकाश को स्वीकार करने की अनुमति देता है।
उन्होंने इसे कैसे हासिल किया, इसके लिए यहाँ सरल उपमाओं (analogies) का उपयोग किया गया है:
1. "चर्प्ड" (Chirped) क्रिस्टल (एक समायोज्य ढलान)
एक पारंपरिक क्रिस्टल को एक एकल, सपाट ढलान की तरह समझें। एक गेंद (प्रकाश) केवल तभी उस पर ऊपर चढ़ सकती है जब वह एक बहुत ही विशिष्ट कोण से आए। यदि वह बगल से आती है, तो वह गिर जाती है।
नया क्रिस्टल एक लंबे, घुमावदार ढलान की तरह है जो आगे बढ़ने के साथ अपना ढलान बदलता रहता है। चाहे गेंद किसी भी कोण से आए, ढलान पर एक ऐसा विशिष्ट स्थान होता है जहाँ ढलान पूरी तरह से मेल खाता है, जिससे वह सुचारू रूप से ऊपर चढ़ सकती है। इसका मतलब है कि कैमरा अब एक ही शॉट में लगभग 30 डिग्री का एक विशाल दृश्य क्षेत्र (field of view) देख सकता है। यह पुराने तरीके की तुलना में दस गुना अधिक चौड़ा है। आपको स्कैन करने या छवियों को जोड़ने की आवश्यकता नहीं है; आप बस एक तस्वीर खींच लेते हैं।
2. "सुपर-सेंसिटिव आँखों" के साथ अदृश्य को देखना
शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि यह प्रणाली अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है। वे लगभग बिना किसी प्रकाश के—केवल एक फोटॉन (प्रकाश का एक एकल कण) प्रति पल्स—का उपयोग करके तस्वीरें लेने में सफल रहे।
कैसे? कल्पना कीजिए कि आप शोर भरे कमरे में फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं।
- शोर (Noise): आमतौर पर, प्रकाश को बदलने की प्रक्रिया बहुत सारा बैकग्राउंड "स्टैटिक" या शोर पैदा करती है।
- फ़िल्टर (Filter): शोधकर्ताओं ने एक "स्पेक्ट्रल-टेम्पोरल फ़िल्टर" का उपयोग किया। इसे एक क्लब के बहुत सख्त बाउंसर की तरह समझें। बाउंसर केवल उन्हीं लोगों को अंदर जाने देता है जिन्होंने एक विशिष्ट रंग की शर्ट पहनी हो (तरंग दैर्ध्य/wavelength) और जो एक विशिष्ट क्षण (पल्स टाइमिंग) पर पहुँच रहे हों। बाकी सभी को बाहर निकाल दिया जाता है।
- परिणाम: क्योंकि बैकग्राउंड शोर को बहुत प्रभावी ढंग से बाहर निकाल दिया जाता है, इसलिए कैमरा बिना किसी महंगे फ्रीजिंग उपकरण के, सामान्य कमरे के तापमान पर भी उस एकल फुसफुसाहट (फोटॉन) को स्पष्ट रूप से पहचान सकता है।
3. "सुपर-फास्ट शटर" (हाई-स्पीड वीडियो)
चूँकि यह प्रणाली इतनी कुशल है और कैमरा बहुत तेज़ है, इसलिए वे ऐसी गति से तस्वीरें ले सकते हैं जो सामान्य इन्फ्रारेड कैमरों के लिए असंभव है।
- उन्होंने 31 मीटर प्रति सेकंड (लगभग 70 मील प्रति घंटा) की गति से घूमती हुई वस्तु का फिल्मांकन किया।
- उन्होंने इसे 216,000 फ्रेम प्रति सेकंड की दर से कैप्चर किया।
- इसे समझने के लिए: एक सामान्य वीडियो 30 फ्रेम प्रति सेकंड का होता है। यह प्रणाली इतनी तेज़ है कि यह किसी गोली या रासायनिक प्रतिक्रिया के समय को भी रोक (freeze) सकती है।
4. "3D टाइम मशीन"
अंत में, उन्होंने एक ऐसी सुविधा जोड़ी जो उन्हें गहराई (depth) देखने में मदद करती है। क्योंकि वे जानते हैं कि प्रकाश का पल्स कब भेजा गया था और वह कब वापस आया, इसलिए वे एक टाइम मशीन की तरह काम कर सकते हैं।
- कल्पना कीजिए कि आप एक दीवार पर टॉर्च मार रहे हैं जिसके पीछे एक दर्पण लगा है। प्रकाश दीवार से टकराता है, फिर दर्पण से टकराता है, और वापस आता है।
- यह प्रणाली इतनी तेज़ है कि वह "पहले उछाल" (दीवार) को "दूसरे उछाल" (दर्पण) से अलग कर सकती है क्योंकि वे थोड़े अलग समय पर आते हैं।
- केवल उस प्रकाश को चुनकर जो एक विशिष्ट समय पर पहुँचता है, वे वस्तु की 3D छवि बना सकते हैं, जिससे सामने के हिस्से को पीछे के हिस्से से अलग किया जा सके।
वे वास्तव में क्या दावा करते हैं
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि यह नई प्रणाली क्या कर सकती है:
- एक ही शॉट में अदृश्य इन्फ्रारेड प्रकाश की वाइड-एंगल तस्वीरें ले सकती है (स्कैनिंग की आवश्यकता नहीं है)।
- सिंगल फोटॉन का पता लगा सकती है (अत्यधिक संवेदनशील)।
- 216,000 फ्रेम प्रति सेकंड की गति तक वीडियो रिकॉर्ड कर सकती है।
- प्रकाश के वापस लौटने के समय को मापकर 3D छवियां बना सकती है।
लेखक सुझाव देते हैं कि ये विशेषताएं तुरंत उपयोगी हो सकती हैं:
- सामग्रियों में दोषों की जाँच करने के लिए बिना उन्हें तोड़े (जैसे कंप्यूटर चिप के अंदर देखना)।
- शरीर के भीतर चिकित्सा परीक्षण (बायोमेडिकल परीक्षण) के लिए।
- वस्तुओं का 3D स्कैनिंग (वॉल्यूमेट्रिक टोमोग्राफी) करने के लिए।
संक्षेप में, उन्होंने एक धीमी, संकीर्ण और नखरेबाज इन्फ्रारेड कैमरे को एक तेज़, वाइड-एंगल, सुपर-सेंसिटिव और 3D-क्षम कैमरा में बदल दिया है, और वह भी मानक सिलिकॉन कैमरों का उपयोग करके।
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