Experimental demonstration of Flying-Focus enhanced Thomson scattering
यह शोध पत्र एक स्पैटियोटेम्पोरली इंजीनियर (स्थानिक-कालिक रूप से इंजीनियर) "फ्लाइंग-फोकस" लेजर पल्स के प्रयोगात्मक प्रदर्शन की रिपोर्ट करता है जो थॉमसन स्कैटरिंग इंटरैक्शन को लंबा करने के लिए प्रति-प्रसारित (काउंटरप्रोपगेटिंग) इलेक्ट्रॉन बंच के वेग के साथ मेल खाता है, जिससे एक्स-रे यील्ड और ब्राइटनेस में उल्लेखनीय वृद्धि होती है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसे कैमरे से एक तेज़ दौड़ती रेस कार की फोटो खींचने की कोशिश कर रहे हैं जिसका शटर बहुत ही पेचीदा है। यदि आप कैमरा लेंस को बहुत अधिक कसकर फोकस करने की कोशिश करते हैं, तो "डेप्थ ऑफ फील्ड" इतनी उथली हो जाती है कि कार केवल एक पल के लिए फोकस में रहती है और फिर धुंधली होकर फ्रेम से बाहर हो जाती है। यह हाई-स्पीड फोटोग्राफी और भौतिकी की एक क्लासिक समस्या है: आप प्रकाश की एक अत्यंत तीव्र और तीक्ष्ण किरण चाहते है जो किसी चीज़ से टकराए, लेकिन भौतिकी के नियम (विशेष रूप से विवर्तन या डिफ्रैक्शन) कहते हैं कि यदि आप उस प्रकाश को एक छोटे, चमकीले बिंदु में सिकोड़ते हैं, तो वह तुरंत फैल जाएगा और अपनी तीव्रता खो देगा।
अब, कल्पना कीजिए कि आप इस तीव्र प्रकाश का उपयोग प्रकाश की गति के करीब चलती हुई पदार्थ की एक कणिका (पार्टिकल) से टकराने के लिए करना चाहते हैं। यदि प्रकाश की किरण बहुत छोटी है, तो वह कण को मिस कर देती है या केवल एक क्षण के लिए उसे छूकर निकल जाती है। यदि आप कण को पकड़ने के लिए किरण को लंबा करने की कोशिश करते हैं, तो यह अपना दम खो देती है और अपना काम करने के लिए बहुत कमजोर हो जाती है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस "तंग फोकस बनाम लंबी अंतःक्रिया" (tight focus vs. long interaction) की दुविधा में फंसे हुए थे। उन्हें एक ऐसा तरीका चाहिए था जिससे एक लेजर बीम पूरी तरह से केंद्रित रहे और साथ ही शक्तिशाली भी रहे, जैसे कि एक ऐसी स्पॉटलाइट जो जादुई रूप से खिंच सके और एक धावक के साथ-साथ दौड़ सके। यह एक अल्ट्रा-ब्राइट एक्स-रे बनाने की चुनौती है, जो सामग्रियों के सूक्ष्म विवरणों को देखने, ब्रह्मांड के मूलभूत निर्माण खंडों का अध्ययन करने और यहाँ तक कि नए प्रकार के मेडिकल इमेजिंग को बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हैं।
"फ्लाइंग फोकस" समाधान
हाल ही में एक प्रयोग में, वैज्ञानिकों की एक टीम ने सफलतापूर्वक एक लेजर ट्रिक बनाई जिसने इस समस्या को हल कर दिया। उन्होंने कुछ ऐसा बनाया जिसे वे "फ्लाइंग-फोकस" (Flying-Focus) कहते हैं। एक सामान्य लेजर फोकस को मंच पर एक स्थिर स्पॉटलाइट की तरह समझें; यह एक विशिष्ट स्थान पर सबसे चमकीला चमकता है, और यदि आप उस स्थान से दूर जाते हैं, तो प्रकाश मंद और धुंधला हो जाता है। हालाँकि, फ्लाइंग-फोकस एक ऐसी स्पॉटलाइट की तरह है जिसे मंच पर अभिनेता के साथ "दौड़ने" के लिए प्रोग्राम किया गया है। विशेष लेंसों और प्रिज्मों का उपयोग करके लेजर के रंगों को विभाजित करके (थोड़ा वैसा ही जैसे एक प्रिज्म इंद्रधनुष बनाता है), वैज्ञानिकों ने लेजर के विभिन्न रंगों को थोड़े अलग समय और स्थानों पर फोकस किया। जब उन्होंने इन टुकड़ों को सही ढंग से एक साथ रखा, तो लेजर का "सबसे चमकीला बिंदु" स्थिर नहीं रहा; यह वास्तव में एक पथ पर चलती है जिसकी गति वैज्ञानिक नियंत्रित कर सकते हैं।
प्रयोग: एक भूत को पकड़ना
शोधकर्ताओं ने दो चीजों के बीच एक दौड़ आयोजित की: एक लेजर एक्सेलेरेटर से तेजी से निकलने वाले इलेक्ट्रॉन्स का एक समूह और यह विशेष "फ्लाइंग-फोकस" लेजर बीम। इलेक्ट्रॉन अविश्वसनीय रूप से तेज गति से चल रहे थे, जिनकी ऊर्जा लगभग 210 MeV थी। लक्ष्य यह था कि लेजर का चमकीला बिंदु इलेक्ट्रॉन्स का पीछा पूरी तरह से करे, ताकि वे यथासंभव लंबे समय तक एक-दूसरे के बगल में चल सकें।
उन्होंने पाया कि जब उन्होंने लेजर को बिल्कुल सही तरीके से ट्यून किया—विशेष रूप से "ग्रुप डिले डिस्पर्शन" (group delay dispersion) को लगभग 16,200 fs² के मान पर समायोजित करके—तो लेजर का चमकीला बिंदु इलेक्ट्रॉन समूह की गति और पथ के साथ लगभग पूरी तरह मेल खा गया। यह ऐसा था जैसे लेजर बीम में एक इन-बिल्ट जीपीएस (GPS) हो जो इलेक्ट्रॉन्स पर लॉक हो गया हो। जब यह मिलान हुआ, तो प्रकाश और इलेक्ट्रॉन्स के बीच की अंतःक्रिया सामान्य से बहुत अधिक समय तक चली।
परिणाम: उज्जवल, तीक्ष्ण एक्स-रे
चूंकि लेजर और इलेक्ट्रॉन लंबे समय तक एक साथ रहे, इसलिए इसके परिणामस्वरूप उत्पन्न एक्स-रे में भारी उछाल आया। टीम ने मापा कि इस "मैच्ड" सेटअप ने मानक लेजर सेटअप की तुलना में 0.1 से 1.0 MeV ऊर्जा रेंज में दोगुने से अधिक एक्स-रे फोटॉन उत्पन्न किए, जिसमें इस चलते हुए फोकस का उपयोग नहीं किया गया था।
यहाँ चतुराई भरा हिस्सा है: आमतौर पर, यदि आप लेजर को लंबे समय तक अंतःक्रिया करने के लिए मजबूर करते हैं, तो आपको इसे कमजोर करना पड़ता है, जो एक्स-रे की गुणवत्ता को खराब कर देता है। लेकिन क्योंकि फ्लाइंग-फोकस चलते हुए भी सघन और चमकीला बना रहता है, इसलिए वैज्ञानिक लेजर की तीव्रता को एक "स्वीट स्पॉट" (जहाँ इलेक्ट्रॉन एक सीधी, अनुमानित रेखा में चलते हैं) पर बनाए रख सके, बजाय इसके कि इसे इतना तीव्र होने दिया जाए कि इलेक्ट्रॉन अनियंत्रित हो जाएं। इसने एक्स-रे को केंद्रित और चमकीला बनाए रखा। वास्तव में, उत्पादित एक्स-रे इतने केंद्रित थे कि यदि वे भविष्य में बेहतर गुणवत्ता वाला इलेक्ट्रॉन बीम उपयोग करते हैं, तो वे संभावित रूप से एक्स-रे स्रोत को वर्तमान तरीकों की तुलना में 25 गुना अधिक चमकीला बना सकते हैं।
यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह प्रयोग सिद्ध करता है कि आप एक लेजर पल्स को इंजीनियर कर सकते हैं जिसमें विवर्तन (diffraction) की सामान्य सीमाओं को चुनौती देने वाला एक "मूविंग फोकस" हो। यह केवल एक सिद्धांत नहीं है; उन्होंने वास्तव में इसे बनाया, इसे इलेक्ट्रॉन्स पर चलाया, और एक्स-रे में वृद्धि देखी। यह शोध पत्र दिखाता है कि मानक लेंसों और दर्पणों का एक चतुर व्यवस्था में उपयोग करके, वे एक गतिशील प्रकाश संरचना बना सकते है जो प्रकाश और पदार्थ की अंतःक्रिया को बढ़ाती है। यह अगली पीढ़ी के एक्स-रे स्रोतों के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करता है जो अविश्वसनीय रूप से चमकीले और ट्यूनेबल (tunable) हैं, जो वैज्ञानिकों को भारी सामग्रियों की स्पष्ट तस्वीरें लेने, विशिष्ट आइसोटोप का पता लगाने और प्रकृति की सबसे मौलिक शक्तियों का अध्ययन करने में मदद कर सकते हैं। टीम ने यह भी उल्लेख किया कि इलेक्ट्रॉन्स ने स्वयं एक प्रोब (जांच उपकरण) के रूप में कार्य किया, जिससे यह सत्यापित हुआ कि लेजर का मूविंग फोकस ठीक वैसा ही कर रहा था जैसा कि उन्हें प्रोग्राम किया गया था।
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