Intracavity THz generation using a thin lithium niobate plate in a compact Kerr-lens mode-locked Yb:CALGO bulk oscillator

अदृश्य सिम्फनी: हमें "शांत" प्रकाश को सुनने की आवश्यकता क्यों है

प्रकाश की दुनिया की कल्पना एक विशाल पियानो के रूप में करें। एक छोर पर, आपके पास उच्च-पिच वाली कुंजियाँ हैं: पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश, एक्स-रे और गामा किरणें, जो इतनी ऊर्जावान होती हैं कि वे परमाणुओं को तोड़ सकती हैं। दूसरे छोर पर, आपके पास गहरा, गूँजता हुआ बास (bass) है: रेडियो तरंगें जो आपके संगीत और वाई-फाई संकेतों को ले जाती हैं। लेकिन ठीक बीच में, आपकी त्वचा पर महसूस होने वाली इन्फ्रारेड गर्मी और आपके पॉपकॉर्न पकाने वाले माइक्रोवेव के बीच, पियानो का एक पूरा हिस्सा है जो लंबे समय से हमारे लिए काफी हद तक शांत रहा है। यह "टेराहर्ट्ज़" (THz) रेंज है।

वैज्ञानिक इसे "टेराहर्ट्ज़ गैप" कहते हैं। यह प्रकाश स्पेक्ट्रम का एक रहस्यमय कोना है जो अविश्वसनीय रूप से उपयोगी है। क्योंकि टेराहर्ट्ज़ तरंगें हानिकारक नहीं होती हैं (वे एक्स-रे की तरह आपकी त्वचा को नहीं जलातीं) लेकिन वे कपड़ों, कार्डबोर्ड और प्लास्टिक के पार जा सकती हैं, इसलिए वे सुरक्षा स्कैनर, मेडिकल इमेजिंग और बोतल खोले बिना दवाओं की गुणवत्ता की जांच करने के लिए सुपर-पावर्ड एक्स-रे दृष्टि की तरह हैं। समस्या यह है कि इन तरंगों को बनाना ऐसा था जैसे एक छोटे, चूँ-चूँ करने वाले खिलौने से बास ड्रम बजाने की कोशिश करना। अधिकांश स्रोत या तो उपयोगी होने के लिए बहुत कमजोर हैं या इतने बड़े और महंगे हैं कि एक सामान्य लैब में फिट न हो सकें।

टेराहर्ट्ज़ तरंगों को बनाने के लिए, वैज्ञानिक आमतौर पर अल्ट्राफास्ट लेजर का उपयोग करते हैं—ऐसे लेजर जो प्रकाश के पल्स (pulses) इतनी तेज़ी से छोड़ते हैं कि वे एक सेकंड के एक अंश जितने कम समय के लिए होते हैं। जब ये बिजली जैसी तेज़ पल्स एक विशेष क्रिस्टल से टकराती हैं, तो उन्हें टेराहर्ट्ज़ रेंज में "निचोड़ा" (squeeze) जा सकता है। हालाँकि, इसमें एक पेच है: एक तेज़, स्पष्ट टेराहर्ट्ज़ सिग्नल पाने के लिए, आपको आमतौर पर एक विशाल लेजर सिस्टम की आवश्यकता होती है जिसकी कीमत बहुत अधिक होती है और जो एक पूरे कमरे को घेर लेता है। वैज्ञानिक समुदाय में बड़ा सवाल यह रहा है: क्या हम एक ऐसा शक्तिशाली टेराहर्ट्ज़ स्रोत बना सकते हैं जो छोटा, सस्ता और इतना सरल हो कि किसी भी लैब में उपयोग किया जा सके?

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एक विशाल को जूते के डिब्बे में समाना: नया "इंट्राकैविटी" (Intracavity) तरीका

इस शोध पत्र में, जर्मनी और लिथुआनिया के शोधकर्ताओं की एक टीम कहती है, "हाँ, हम कर सकते हैं।" उन्होंने केवल एक बेहतर टेराहर्ट्ज़ जनरेटर नहीं बनाया; उन्होंने यह बदलकर एक छोटा, कुशल जनरेटर बनाया कि जादू कहाँ होता है।

एक लेजर ऑसिलेटर की कल्पना एक ऐसे गलियारे के रूप में करें जिसके दोनों सिरों पर दर्पण हों। जब आप उसमें प्रकाश डालते हैं, तो वह आगे-पीछे उछलता रहता है। आमतौर पर, हम उस प्रकाश का केवल एक छोटा सा हिस्सा ही अपना काम करने के लिए बाहर निकलने देते हैं। लेकिन इस शोध पत्र के शोधकर्ताओं ने निर्णय लिया कि वे उस जादू को उस गलियारे के अंदर, दर्पणों के बीच, सीधे रखेंगे। वे इसे "इंट्राकैविटी" जनरेशन कहते हैं।

कल्पना कीजिए कि आप एक छोटी प्याली का उपयोग करके बाल्टी भरने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप नदी में प्याली को केवल एक बार डुबोते हैं, तो आपको थोड़ा सा पानी मिलता है। लेकिन यदि आपके पास एक जादुई प्याली है जो एक बंद लूप के भीतर आगे-पीछे उछलती है, और हर एक चक्कर में थोड़ा सा पानी इकट्ठा करती है, तो आप बाल्टी को बहुत तेज़ी से भर सकते हैं। इस टीम ने यही किया। उन्होंने एक कॉम्पैक्ट लेजर कैविटी के अंदर लिथियम नियोबेट (Lithium Niobate - LN) नामक एक विशेष क्रिस्टल की एक बहुत पतली स्लाइस रखी। जैसे-जैसे लेजर प्रकाश हजारों बार आगे-पीछे उछलता गया, उसने बॉक्स के अंदर ऊर्जा की एक विशाल मात्रा बनाई, जो उस मात्रा से कहीं अधिक थी जो कभी दरवाजे से बाहर निकल सकती थी।

शोधकर्ताओं ने Yb:CALGO नामक एक विशिष्ट प्रकार के लेजर क्रिस्टल का उपयोग किया, जिसे एक सस्ते, कम लागत वाले डायोड द्वारा पंप किया गया था (वही जो आप एक उच्च श्रेणी के लेजर पॉइंटर में पा सकते हैं, लेकिन बहुत अधिक शक्तिशाली)। वे डायोड से केवल 21.4 वॉट की इनपुट पावर का उपयोग करके, लेजर कैविटी के अंदर 71 वॉट की शक्ति को निचोड़ने में सफल रहे। यह एक छोटी बैटरी पैक से एक चमकदार बल्ब की ऊर्जा प्राप्त करने जैसा है।

इस उच्च-ऊर्जा लूप के अंदर, उन्होंने लिथियम नियोबेट का 50-माइक्रोमीटर मोटा स्लाइस रखा। इसे समझने के लिए, एक मानव बाल लगभग 70 माइक्रोमीटर मोटा होता है, इसलिए यह क्रिस्टल एक बाल से भी पतला है। क्योंकि यह बहुत पतला है, लेजर प्रकाश और उत्पन्न टेराहर्ट्ज़ तरंगें एक ही गति से चलते हैं, जो तरंगों को मजबूत बनाने के लिए महत्वपूर्ण है।

उन्होंने क्या पाया?
जब उन्होंने लेजर चालू किया, तो पतला क्रिस्टल एक अनुवादक (translator) की तरह काम करने लगा, जिसने अदृश्य, अल्ट्राफास्ट लेजर पल्स को टेराहर्ट्ज़ पल्स में बदल दिया।

• ध्वनि: उन्होंने "सिंगल-साइकिल" टेराहर्ट्ज़ पल्स उत्पन्न किए, जो एक लंबे, गूँजते हुए रोल के बजाय एक एकल, तीखे ड्रम की थाप की तरह हैं।
• रेंज: इन पल्सों ने 3 THz तक की फ्रीक्वेंसी रेंज को कवर किया, जो विभिन्न सामग्रियों को देखने के लिए एक बहुत विस्तृत और उपयोगी स्पेक्ट्रम है।
• शक्ति: उन्होंने केवल एक क्रिस्टल के एक तरफ से 120 माइक्रोवाट टेराहर्ट्ज़ पावर एकत्र की। हालांकि यह सुनने में छोटा लग सकता है, लेकिन टेराहर्ट्ज़ जनरेशन की दुनिया में, यह एक महत्वपूर्ण मात्रा है, खासकर इतने छोटे, सरल सेटअप के लिए।
• गति: यह सिस्टम इन पल्सों को प्रति सेकंड 85 मिलियन बार (85 MHz) फायर करता है। यह उच्च गति एक गेम-चेंजर है क्योंकि यह बहुत तेज़ डेटा संग्रह और स्पष्ट, शोर-मुक्त छवियों की अनुमति देता है।

यह एक बड़ी बात क्यों है?
यह शोध पत्र स्पष्ट रूप से इस विचार के विरुद्ध तर्क देता है कि अच्छे टेराहर्ट्ज़ परिणाम प्राप्त करने के लिए आपको विशाल, जटिल प्रणालियों की आवश्यकता है। इसे लेजर कैविटी के अंदर करने के पिछले प्रयास अक्सर विफल रहे क्योंकि क्रिस्टल बहुत गर्म हो जाते थे या लेजर अस्थिर हो जाता था। शोधकर्ताओं ने अतीत में एक अलग क्रिस्टल (गैलियम फॉस्फाइड) का परीक्षण किया था, लेकिन पाया कि यह गर्मी और शक्ति को सहन नहीं कर सका।

इसके विपरीत, उनका लिथियम नियोबेट क्रिस्टल एक कठिन खिलाड़ी साबित हुआ। इसने बिना पिघले या टूटे उच्च शक्ति को संभाला, और लेजर स्थिर रहा। उन्होंने पावर स्केलिंग को मापा और पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने लेजर पावर बढ़ाई, टेराहर्ट्ज़ पावर लगभग पूरी तरह से एक वर्ग (square) पैटर्न में बढ़ी (यदि आप शक्ति को दोगुना करते हैं, तो आपको चार गुना टेराहर्ट्ज़ मिलता है)। यह सुझाव देता है कि उन्होंने अभी तक सीमा को छुआ भी नहीं है; यदि वे बस डायल को थोड़ा और बढ़ा दें, तो और भी मजबूत सिग्नल प्राप्त करने के लिए बहुत जगह है।

"क्या होगा अगर" और भविष्य के कदम
लेखक सावधानी से नोट करते हैं कि हालांकि उनके पास एक वर्किंग प्रोटोटाइप है, लेकिन यह अंतिम उत्पाद नहीं है। उन्होंने स्पष्ट चित्र प्राप्त करने के लिए 156 सेकंड में परिणामों को मापा, और स्पष्ट तस्वीर पाने के लिए 313 ट्रेसेस का औसत निकाला। उन्होंने यह भी स्वीकार किया कि उनके वर्तमान सेटअप में कुछ बाधाएं हैं:

1. डिटेक्टर: उन्होंने टेराहर्ट्ज़ तरंगों का पता लगाने के लिए एक मोटा क्रिस्टल इस्तेमाल किया, जिसने एक फिल्टर की तरह काम किया, जिससे बहुत उच्च आवृत्तियाँ कट गईं। यदि वे एक पतला डिटेक्टर उपयोग करते, तो वे और भी उच्च नोट्स सुन सकते थे।
2. संग्रहण (Collection): उन्होंने केवल क्रिस्टल के एक तरफ से आने वाली टेराहर्ट्ज़ तरंगों को पकड़ा। चूंकि तरंगें दोनों दिशाओं में जाती हैं, इसलिए वे दूसरी तरफ को पकड़कर अपनी शक्ति को संभावित रूप से दोगुना कर सकते हैं।
3. गति: उनका स्कैनिंग तरीका धीमा (1 Hz) था ताकि सिग्नल साफ रहे। वे सुझाव देते हैं कि तेज़ स्कैनिंग विधियाँ वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए सिस्टम को बहुत तेज़ बना सकती हैं।

निष्कर्ष
यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता कि इसने टेराहर्ट्ज़ विज्ञान की हर समस्या को हल कर दिया है। इसके बजाय, यह सिद्ध करता है कि एक सरल, कॉम्पैक्ट और कम लागत वाला लेजर सिस्टम उच्च-गुणवत्ता वाली टेराहर्ट्ज़ तरंगें उत्पन्न कर सकता है। एक मानक लेजर कैविटी के भीतर लिथियम नियोबेट की एक पतली स्लाइस रखकर, उन्होंने दिखाया कि "टेराहर्ट्ज़ गैप" को खोजने के लिए आपको अरबों डॉलर की मशीन की आवश्यकता नहीं है। आपको बस एक चतुर विचार और एक पतला क्रिस्टल चाहिए। यह चिकित्सा की गुणवत्ता की जांच करने से लेकर दीवारों के पार देखने तक, सब कुछ के लिए कई अधिक वैज्ञानिकों और प्रयोगशालाओं को इस शक्तिशाली तकनीक का उपयोग करने के द्वार खोलता है, और वह भी बिना किसी विशाल सुविधा के।