Near single-cycle pulse generation using a cascaded all-bulk multi-pass cell compression system
यह शोध पत्र स्पेक्ट्रल ब्रॉडनिंग और कम्प्रेशन के लिए दो बल्क मल्टी-पास सेल्स को कैस्केड करके 1058 nm पर उच्च गुणवत्ता वाले, नियर सिंगल-साइकिल (5.5 fs) ऑप्टिकल पल्स के उत्पादन को प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करता है, जो फ्यूज्ड सिलिका में सेल्फ-फोकसिंग के लिए क्रिटिकल पावर से काफी अधिक पीक पावर पर भी मजबूत प्रदर्शन प्राप्त करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक हमिंगबर्ड (hummingbird) के पंखों की बीच हवा में फड़फड़ाहट की फोटो खींचने की कोशिश कर रहे हैं। इसके लिए, आपको एक ऐसा कैमरा फ्लैश चाहिए जो इतना तेज़ हो कि वह गति को एक ही, स्पष्ट क्षण में स्थिर कर सके। भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक भी यही करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन पक्षी के पंखों के बजाय, वे परमाणुओं के भीतर इलेक्ट्रॉन्स के नृत्य को स्थिर करने की कोशिश कर रहे हैं। इन नन्हे कणों की गति को पकड़ने के लिए, उन्हें प्रकाश के ऐसे स्पंदों (pulses) की आवश्यकता होती है जो एक ट्रिलियनवें सेकंड से भी कम समय के हों। स्पंद जितना तेज़ होगा, इलेक्ट्रॉन के जीवन की तस्वीर उतनी ही स्पष्ट होगी।
द दशकों से, वैज्ञानिक ऐसे लेजर बनाने का प्रयास कर रहे हैं जो इन सुपर-फास्ट फ्लैश की तरह काम करें। लेकिन एक समस्या है: जो लेजर वे आसानी से बना सकते हैं, वे एक स्लो-मोशन वीडियो कैमरे की तरह हैं। वे प्रकाश के ऐसे स्पंद पैदा करते हैं जो समय में "लंबे" होते हैं—सैकड़ों फेमटोसेकंड (एक फेमटोसेकंड एक क्वाड्रिलियनवां हिस्सा है)। इलेक्ट्रॉन को स्पष्ट रूप से देखने के लिए आवश्यक अति-लघु, "सिंगल-साइकिल" फ्लैश प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों को इन लंबे स्पंदों को तब तक दबाना पड़ता है जब तक कि वे अविश्वसनीय रूप से सघन और छोटे न हो जाएं। यह एक लंबे, ढीले रबर बैंड को खींचकर पतला करने और फिर उसे इतनी मजबूती से वापस खींचने जैसा है कि वह एक छोटा, शक्तिशाली स्प्रिंग बन जाए। चुनौती इसे बिना तोड़े या उलझाए करने की है। यह पेपर इस बारे में है कि प्रकाश को सबसे छोटे संभव आकार में, बिना तोड़े, कैसे दबाया जाए।
पेपर: प्रकाश को एक सिंगल साइकिल में दबाना
इस अध्ययन में, स्वीडन के लुंड यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस चरम प्रकाश-दबाने की प्रक्रिया को करने के लिए एक मशीन बनाई। उन्होंने एक मानक लेजर स्पंद से शुरुआत की जो 220 फेमटोसेकंड लंबा था—जो पहले से ही बहुत तेज़ है, लेकिन इलेक्ट्रॉन की सबसे तेज़ गतिविधियों को देखने के लिए बहुत लंबा है। उनका लक्ष्य इस स्पंद को प्रकाश के केवल कुछ "चक्रों" (cycles) तक कुचलना था, जो एक स्पंद की न्यूनतम लंबाई होती है।
लेजर स्पंद को हाथ पकड़े हुए लोगों की एक लंबी, डगमगाती कतार के रूप में सोचें। लाइन को छोटा करने के लिए, आपको लोगों को एक-दूसरे के करीब खींचना होगा। वैज्ञानिकों ने एक विशेष "स्क्वीज़ बॉक्स" (squeeze box) का उपयोग किया जिसे मल्टी-पास सेल (MPC) कहा जाता है। एक ऐसे कमरे की कल्पना करें जिसमें विपरीत दीवारों पर दो दर्पण लगे हों। प्रकाश इन दीवारों के बीच कई बार टकराता है। इस कमरे के अंदर, कांच की मोटी प्लेटें हैं। हर बार जब प्रकाश कांच से टकराता है, तो उसे एक "धक्का" मिलता है जो उसके रंगों को फैला देता है, जिससे वह रंग में चौड़ा लेकिन समय में छोटा हो जाता है।
टीम ने केवल एक स्क्वीज़ बॉक्स का उपयोग नहीं किया; उन्होंने एक रिले रेस की तरह क्रम में दो बॉक्सों का उपयोग किया।
- पहला स्क्वीज़: 220-फेमटोसेकंड का स्पंद पहले बॉक्स में प्रवेश करता है। कांच के माध्यम से 11 बार टकराने के बाद, यह 50-फेमटोसेकंड के स्पंद के रूप में बाहर आता है। यह बहुत छोटा था, लेकिन अभी भी पर्याप्त तेज़ नहीं था।
- दूसरा स्क्वीज़: यह छोटा स्पंद फिर दूसरे बॉक्स में प्रवेश करता है। यहाँ, वैज्ञानिकों ने पावर डायल को बढ़ा दिया। उन्होंने प्रकाश को इतनी ज़ोर से धकेला कि इसकी तीव्रता उस स्तर से सैकड़ों गुना अधिक थी जो आमतौर पर कांच को अजीब व्यवहार करने (एक घटना जिसे "सेल्फ-फोकसिंग" कहा जाता है) के लिए प्रेरित करती है। आमतौर पर, प्रकाश को इस तरह कांच के माध्यम से धकेलना एक कीचड़ भरे गड्ढे में रेस कार चलाने जैसा है; आप उम्मीद करते हैं कि कार फंस जाएगी या कीचड़ चारों ओर उछलेगा, जिससे सवारी खराब हो जाएगी।
बड़ी खोज
शोधकर्ता इस बात को लेकर चिंतित थे कि प्रकाश को इतनी ज़ोर से धकेलने से बीम विकृत हो जाएगी, जिससे वह अव्यवस्थित और बेकार हो जाएगी। वे "स्पेशियो-टेम्पोरल कपलिंग्स" (spatio-temporal couplings) की तलाश कर रहे थे, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि "प्रकाश स्थान और समय में उलझ और मुड़ रहा है।" लेकिन यहाँ आश्चर्यजनक बात यह थी: कुछ भी गलत नहीं हुआ।
अत्यधिक शक्ति के बावजूद, प्रकाश दूसरे बॉक्स से पूरी तरह साफ होकर बाहर निकला। टीम ने अंतिम स्पंद को मापा और पाया कि यह केवल 5.5 फेमटोसेकंड लंबा था। प्रकाश की इस विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (1058 नैनोमीटर) पर, यह प्रकाश तरंग के मात्र 1.6 चक्रों के बराबर है। यह वह सबसे छोटा स्पंद अवधि है जिसे इस विशिष्ट "ऑल-बल्क" (ठोस कांच, कोई गैस नहीं) विधि का उपयोग करके अब तक हासिल किया गया है।
यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह पेपर पुष्टि करता है कि यह विधि खूबसूरती से काम करती है। उन्होंने हर उस तरीके से स्पंद की जांच की जिससे वे सोच सकते थे:
- समय: उन्होंने इसकी लंबाई मापी और पाया कि यह बिल्कुल उतना ही छोटा था जितनी उन्हें उम्मीद थी (5.5 fs)।
- स्थान: उन्होंने बीम के आकार की जांच की और पाया कि यह अभी भी एक पूर्ण वृत्त था, न कि कोई विकृत धब्बा।
- रंग: उन्होंने रंगों की जांच की और पाया कि स्पंद में प्रकाश का एक विशाल, सुचारू इंद्रधनुष शामिल था, जिसमें कोई अजीब अंतराल या घुमाव नहीं था।
टीम ने इंडियम गैलियम आर्सेनाइड (InGaAs) से बने एक विशेष कैमरे का उपयोग किया ताकि वे उन रंगों को देख सकें जिन्हें सामान्य कैमरे मिस कर देते हैं (1100 nm से ऊपर कुछ भी)। इसने उन्हें पूरी तस्वीर देखने की अनुमति दी, जिससे यह सिद्ध हुआ कि स्पंद अपने पूरे अल्ट्रा-वाइड कलर रेंज में उच्च गुणवत्ता वाला था।
मुख्य निष्कर्ष
यह पेपर दिखाता है कि आप एक मानक लेजर ले सकते हैं, उसे कांच-भरे दर्पणों के दो चरणों से गुजार सकते हैं, और बीम को तोड़े बिना उसे सिंगल-साइकिल स्पंद में बदल सकते हैं। भले ही उन्होंने कांच को उसकी अंतिम सीमा तक धकेला, प्रकाश व्यवस्थित और शक्तिशाली बना रहा। अंतिम स्पंद 40 माइक्रोजूल ऊर्जा ले जाता है, जो आगे के प्रयोगों के लिए उपयोगी है।
लेखक सुझाव देते हैं कि यह सेटअप "स्ट्रॉन्ग-फील्ड" प्रयोगों के लिए आवश्यक सुपर-फास्ट प्रकाश बनाने का एक संक्षिप्त, मजबूत और कुशल तरीका है। इसमें अत्यधिक पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश बनाना या यहाँ तक कि आइसोलेटेड एटोसेकंड स्पंद उत्पन्न करना शामिल है (जो फेमटोसेकंड से भी छोटे होते हैं) ताकि इलेक्ट्रॉनों की वास्तविक गति को देखा जा सके। हालांकि वे उल्लेख करते हैं कि बिना कोट की गई कांच की प्लेटों के कारण कुछ ऊर्जा हानि होती है, यह विधि सिद्ध करती है कि ठोस कांच पृथ्वी पर सबसे तेज़ प्रकाश स्पंद बनाने के लिए आवश्यक अत्यधिक शक्ति को संभाल सकता है।
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