Robust Orbital Angular Momentum Transfer Using low-cost Diffractive Optics
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि सूक्ष्म कणों के ऑप्टिकल ट्रैपिंग और रोटेशन के लिए मजबूत कक्षीय कोणीय संवेग (ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम) स्थानांतरण, एसीटेट पर मुद्रित कम लागत वाले, स्थिर बाइनरी होलोग्राम का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, जो अपनी कम विवर्तन दक्षता (डिफ्रैक्शन एफिशिएंसी) के बावजूद महंगे प्रोग्रामेबल ऑप्टिक्स के एक स्केलेबल और उच्च-क्षति-सीमा वाले विकल्प के रूप में कार्य करता है।
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कल्पना कीजिए एक ऐसी दुनिया की जहाँ प्रकाश केवल उजाला ही नहीं करता; बल्कि यह सूक्ष्म वस्तुओं को पकड़ सकता है, थाम सकता है और पानी की एक बूंद में तैरते छोटे कणों को घुमा भी सकता है। यह ऑप्टिकल ट्वीज़र्स (optical tweezers) का क्षेत्र है, एक ऐसा उपकरण जो एक केंद्रित लेजर बीम के दबाव का उपयोग करके बैक्टीरिया या प्लास्टिक के मोतियों जैसे सूक्ष्म कणों को बिना छुए उन्हें फँसाने के लिए करता है। दशकों से, वैज्ञानिक इन बीमों का उपयोग जीवन की यांत्रिकी का अध्ययन करने के लिए करते आए हैं, जैसे कि कोशिकाएं कैसे चलती हैं या अणु आपस में कैसे क्रिया करते हैं। इस तकनीक का एक विशेष रूप से दिलचस्प विस्तार फँसे हुए ऑब्जेक्ट को घुमाना है। लेजर बीम को एक विशेष भंवर (vortex) के रूप में आकार देकर, जो प्रकाश के बवंडर जैसा दिखता है, शोधकर्ता कण को एक घुमावदार बल स्थानांतरित कर सकते हैं, जिसे कक्षीय कोणीय संवेग (orbital angular momentum) कहा जाता है, जिससे वह घूमने लगता है। घूर्णन को नियंत्रित करने की यह क्षमता माइक्रो-रोबोटिक्स और बायोफिजिक्स जैसे क्षेत्रों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जहाँ एक सूक्ष्म गियर को घुमाना या एक तरल कोशिका को हिलाना अक्सर आवश्यक होता है। हालाँकि, इन घुमावदार बीमों को बनाने के लिए पारंपरिक रूप से महंगी और जटिल मशीनरी की आवश्यकता होती थी, जिसे कई प्रयोगशालाओं के लिए खरीदना या संचालित करना कठिन होता है।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि इस उच्च-तकनीकी हेरफेर को उल्लेखनीय रूप से सरल और सस्ती सामग्रियों के साथ प्राप्त किया जा सकता है। बीट्रिज़ मोरालेस-क्रुज़ाडो और सहयोगियों के नेतृत्व वाली टीम ने दिखाया कि वे स्पष्ट एसीटेट शीट (clear acetate sheets), जिस तरह की सामग्री अक्सर ओवरहेड प्रोजेक्टर के लिए उपयोग की जाती है, पर मुद्रित स्थिर होलोग्राम का उपयोग करके आवश्यक घुमावदार प्रकाश बीम उत्पन्न कर सकती हैं। हजारों डॉलर के महंगे, कंप्यूटर-नियंत्रित उपकरणों पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने इन मुद्रित पैटर्न का उपयोग एक मानक लेजर बीम को आकार देने के लिए किया। जब लेजर इस एसीटेट से गुजरता है, तो मुद्रित डिज़ाइन प्रकाश को विभाजित करता है, जिससे केंद्र में एक छेद और एक घूमते हुए चरण पैटर्न (swirling phase pattern) वाली एक विशिष्ट बीम बनती है। यह बीम, जब कसकर केंद्रित की जाती है, तो एक ऐसा जाल (trap) बनाती है जो एक सूक्ष्म कण को पकड़ सकता है और उसे घुमा सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि भले ही मुद्रित होलोग्राम पूरी तरह से कुशल नहीं हैं—जो लेजर की शक्ति का केवल लगभग दो प्रतिशत उपयोगी घुमावदार बीम में बदलते हैं—फिर भी शेष प्रकाश कणों को चलाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है। अपने प्रयोगों में, उन्होंने मोतियों को लगातार घुमाने के लिए उपयोगी बीम में एक मिलीवाट से भी कम शक्ति का उपयोग किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि इस प्रकार के सटीक नियंत्रण के लिए उच्च-लागत वाले उपकरण एक सख्त आवश्यकता नहीं हैं।
प्रयोग में एक सेटअप शामिल था जहाँ एक हरी लेजर बीम को इन एसीटेट होलोग्रामों की एक श्रृंखला के माध्यम से निर्देशित किया गया था, जिनमें से प्रत्येक पर अलग-अलग पैटर्न मुद्रित थे ताकि अलग-अलग घुमाव वाली बीम बनाई जा सके। शोधकर्ताओं ने उन पैटर्न का परीक्षण किया जिन्हें विभिन्न डिग्री के घूर्णन के लिए डिज़ाइन किया गया था, जिन्हें दो से पांच तक की संख्याओं द्वारा लेबल किया गया था। जैसे ही प्रकाश होलोग्राम से गुजरा, इसने एक छल्ले के आकार की बीम बनाई जिसका केंद्र काला था, जो कणों को रिंग के बीच में फँसाने के लिए आदर्श आकार है। टीम ने पानी के भीतर ट्रैप में एक या दो माइक्रोमीटर व्यास के छोटे प्लास्टिक के मोती रखे। इसके बाद उन्होंने देखा कि लेजर की शक्ति और उपयोग किए गए होलोग्राम के प्रकार को बदलने पर मोतियों का व्यवहार कैसा रहता है। परिणाम स्पष्ट थे: मोती घूमने लगे, और उनकी घूमने की गति तब बढ़ गई जब उन्होंने लेजर की शक्ति बढ़ाई या अधिक घुमाव वाला होलोग्राम उपयोग किया। छोटे मोतियों के लिए, शोधकर्ता एक साथ कई कणों को प्रकाश के घेरे के भीतर घूमते हुए देख सके, जबकि बड़े मोती, जो रिंग में फिट होने में कठिन होते हैं, आमतौर पर एक एकल कण को फँसाते हैं।
सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक इस कम लागत वाले तरीके की मजबूती (robustness) थी। मुद्रित होलोग्राम की कम दक्षता के बावजूद, उनके द्वारा उत्पादित बीम इतनी साफ और समान थी कि वे विश्वसनीय रूप से घुमावदार बल को स्थानांतरित कर सकें। शोधकर्ताओं ने घूमते हुए मोतियों की गति को मापा और पाया कि यह एक अनुमानित पैटर्न का पालन करती है: अधिक शक्ति का अर्थ था तेज़ घूमना, और प्रकाश के अधिक घुमाव का अर्थ भी तेज़ घूमना था। उन्होंने नोट किया कि उनके द्वारा परीक्षण किए गए सबसे बड़े घुमाव के लिए, कई मोतियों का व्यवहार थोड़ा जटिल हो गया, संभवतः इसलिए क्योंकि घूमते हुए कण एक-दूसरे के आसपास के पानी के प्रवाह को प्रभावित कर रहे थे, लेकिन कणों को घुमाने की मौलिक क्षमता बरकरार रही। टीम ने यह भी देखा कि छोटे मोतियों की तुलना में बड़े मोतियों को गति में लाना आसान था, जो एक विरोधाभासी परिणाम है, जिसका कारण यह है कि बड़ा ऑब्जेक्ट होने के कारण ट्रैप थोड़ा कम कठोर हो जाता है, जिससे वे समान घुमावदार बल के तहत अधिक स्वतंत्र रूप से घूम पाते हैं।
यह कार्य स्थापित करता है कि पदार्थ को प्रकाश के साथ हेरफेर करने की क्षमता केवल अच्छी तरह से वित्त पोषित, उच्च-तकनीकी प्रयोगशालाओं तक ही सीमित नहीं होनी चाहिए। मुद्रित एसीटेट होलोग्राम का उपयोग करके, वैज्ञानिक ऑप्टिकल ट्रैपिंग के लिए एक किफायती, टिकाऊ और आसानी से पुनरुत्पादित मंच बना सकते हैं। फोटोग्राफिक फिल्म का उपयोग करने वाली पुरानी विधियों के विपरीत, जो आर्द्रता या तापमान में बदलाव के साथ विकृत हो सकती थी, ये मुद्रित शीट स्थिर और सुसंगत रहती हैं। अध्ययन पुष्टि करता है कि एक साधारण, स्थिर प्लास्टिक के टुकड़े के साथ भी, सूक्ष्म पैमाने पर नियंत्रित यांत्रिक गति को चलाने के लिए आवश्यक संरचित प्रकाश उत्पन्न किया जा सकता है। यह माइक्रोफ्लुइडिक्स और जैविक अनुसंधान में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के द्वार खोलता है, जहाँ सूक्ष्म वस्तुओं को हिलाने, छांटने या घुमाने की क्षमता आवश्यक है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि थोड़ी सी सूझबूझ और एक एसीटेट शीट के साथ, कक्षीय कोणीय संवेग के शक्तिशाली भौतिकी का उपयोग सूक्ष्म दुनिया को घुमाने के लिए किया जा सकता है, जिससे उन्नत ऑप्टिकल हेरफेर किसी के लिए भी सुलभ हो जाता है जिसके पास एक लेजर और एक प्रिंटर है।
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