First demonstration of a multimode-to-multimode photonic lantern for astronomy
यह शोध पत्र एक मल्टीमोड-टू-मल्टीमोड फोटोनिक लालटेन के पहले प्रदर्शन को प्रस्तुत करता है जो सफलतापूर्वक कई मल्टीमोड फाइबर से प्रकाश को 90% से अधिक दक्षता के साथ एक एकल वेवगाइड में संयोजित करता है, जो बिना विवर्तन-सीमित इंजेक्शन (diffraction-limited injection) की आवश्यकता के स्केलेबल मॉड्यूलर टेलीस्कोप अवधारणाओं के लिए एक कम-हानि वाला समाधान प्रदान करता है।
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दूरबीनें मानवता की महान आँखें हैं, जो हमें ब्रह्मांड के सबसे गहरे कोनों में झाँकने की अनुमति देती हैं। सबसे धुंधली और सबसे दूर की वस्तुओं को देखने के लिए, खगोलविदों ने लंबे समय से पहले से भी बड़ी दर्पणों वाली संस्थाएँ बनाने की खोज की है। हालाँकि, एक एकल, विशाल दर्पण का निर्माण करना अविश्वसनीय रूप से कठिन और महंगा है। एक अधिक लचीला दृष्टिकोण मॉड्यूलर टेलीस्कोप बनाना है, जो कई छोटे, अलग दर्पणों से आने वाले प्रकाश को एक शक्तिशाली बीम में संयोजित करता है। चुनौती यह है कि उस प्रकाश को कैसे एकत्र किया जाए और बिना किसी नुकसान के उसे कैसे मिलाया जाए। अतीत में, वैज्ञानिक अक्सर इन बड़े, धुंधले दृश्यों से प्रकाश को बहुत पतले, सिंगल-मोड फाइबर में सिकोड़ने की कोशिश करते थे, लेकिन पृथ्वी के वायुमंडल की हलचल प्रकाश को इतना बिखेर देती है कि वह महंगे सुधार प्रणालियों के बिना ऐसे संकीर्ण चैनलों में फिट नहीं हो पाता। एक नया विचार एक 'फोटोनिक लैंटर्न' नामक उपकरण का उपयोग करने का सुझाव देता है, जो प्रकाश के लिए एक ट्रैफिक डायरेक्टर की तरह कार्य करता है, और उसे कई रास्तों से सुचारू रूप से एक पथ में निर्देशित करता है। जबकि इन उपकरणों का उपयोग प्रकाश को कई रास्तों में विभाजित करने के लिए किया जाता रहा है, लेकिन अब तक खगोल विज्ञान के लिए कई प्रकाश किरणों को एक एकल, बड़े बीम में संयोजित करने के लिए इनका सफलतापूर्वक उपयोग नहीं किया गया था।
शोधकर्ताओं के एक दल ने अब पहला काम करने वाला मल्टीमोड-टू-मल्टीमोड फोटोनिक लैंटर्न प्रदर्शित किया है, जिसे विशेष रूप से कई बड़े फाइबर से प्रकाश को एक में संयोजित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक छोटा, प्रतिबंधात्मक चैनल बनाने के बजाय, उनका उपकरण सात अलग-अलग इनपुट फाइबर से प्रकाश लेता है और उन्हें एक एकल, बड़े आउटपुट वेवगाइड में मिला देता है। टीम ने इन उपकरणों को एक ऐसी प्रक्रिया का उपयोग करके बनाया जिसमें सात फाइबरों को धीरे-धीरे एक साथ लाया जाता है, जिससे वे एक एकल, ठोस संरचना में पिघलकर मिल जाते हैं जहाँ प्रकाश एक एकीकृत बीम के रूप में यात्रा कर सके। उन्होंने इन नए लैंटर्न का परीक्षण विभिन्न रंगों के प्रकाश को उनके माध्यम से प्रवाहित करके किया, और यह मापा कि कितना प्रकाश प्रवेश द्वार से निकास तक पहुँचा। परिणाम आश्चर्यजनक थे: इन उपकरणों ने बहुत कम नुकसान के साथ 90 प्रतिशत से अधिक प्रकाश को गुजरने दिया। यह उच्च दक्षता सिद्ध करती है कि प्रकाश इस संक्रमण के माध्यम से सुचारू रूप से आगे बढ़ता है, और नई, संयुक्त संरचना के भीतर ही सीमित रहता है, बाहर नहीं निकलता।
शोधकर्ताओं ने इन लैंटर्न का निर्माण MARCOT-Pathfinder टेलीस्कोप को समर्थन देने के लिए किया, जो वर्तमान में स्पेन के कैलर ऑल्टो वेधशाला (Calar Alto Observatory) में संचालित हो रहा है। यह टेलीस्कोप सात व्यक्तिगत ट्यूबों से बना है, जिनमें से प्रत्येक आकाश से प्रकाश एकत्र करता है। प्रभावी ढंग से कार्य करने के लिए, सिस्टम को सात ट्यूबों के प्रकाश को एक एकल धारा में मिलाने की आवश्यकता थी जिसे एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रोग्राफ में भेजा जा सके। टीम ने 25 माइक्रोमीटर के कोर व्यास वाले इनपुट फाइबर चुने, जिसका आकार आकाश का एक विस्तृत दृश्य कैप्चर करने के लिए चुना गया था, जो वायुमंडलीय अशांति के कारण होने वाले विशिष्ट धुंधलेपन के आकार से लगभग दोगुना है। उन्होंने इन सात फाइबरों को 50 माइक्रोमीटर कोर व्यास वाले एक एकल आउटपुट फाइबर में मिला दिया। प्रत्येक फाइबर द्वारा ले जाने जा सकने वाले प्रकाश पथों, या 'मोड्स' की संख्या की सावधानीपूर्वक गणना करके, उन्होंने यह सुनिश्चित किया कि आउटपुट फाइबर इतना बड़ा हो कि वह सात इनपुट से आने वाले सभी प्रकाश को बिना किसी नुकसान के समाहित कर सके।
यह सत्यापित करने के लिए कि उनका डिज़ाइन काम कर रहा है, टीम ने 520 नैनोमीटर पर हरे रंग और 685 नैनोमीटर पर लाल रंग सहित विभिन्न तरंग दैर्ध्य (wavelengths) पर चार अलग-अलग लैंटर्न के प्रदर्शन को मापा। उन्होंने अपने परिणामों को सटीक बनाने के लिए दो अलग-अलग परीक्षण विधियों का उपयोग किया। एक विधि में, उन्होंने लैंटर्न को अन्य फाइबरों के साथ जोड़ने से पहले और बाद में प्रकाश को मापा, जबकि दूसरी विधि में, उन्होंने सीधे एक संदर्भ (reference) के साथ आउटपुट की तुलना की। सभी परीक्षणों में, लैंटर्न ने लगातार 90 प्रतिशत से ऊपर की दक्षता प्रदान की। अपवाद केवल उनके द्वारा बनाए गए पहले उपकरण के दो विशिष्ट पोर्ट्स थे, जहाँ निर्माण प्रक्रिया अभी पूरी तरह से परिष्कृत नहीं हुई थी। उन मामलों में भी, प्रदर्शन मजबूत रहा। टीम ने यह भी देखा कि डिवाइस से निकलने वाला प्रकाश एक विशिष्ट फूल जैसी आकृति बनाता है, जो पुष्टि करता है कि सात अलग-अलग कोर सफलतापूर्वक एक एकल, सुसंगत गाइडिंग क्षेत्र में मिल गए हैं।
यह सफलता मॉड्यूलर टेलीस्कोप अवधारणाओं के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। यह सिद्ध करके कि प्रकाश को कई बड़े फाइबरों से एक बड़े फाइबर में न्यूनतम नुकसान के साथ संयोजित किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने स्केलेबल, लागत प्रभावी टेलीस्कोप बनाने के लिए एक बड़ी बाधा को दूर कर दिया है। उनका कार्य दिखाता है कि ऐसे सिस्टम को उपकरण में प्रवेश करने से पहले वायुमंडलीय धुंधलेपन को ठीक करने के लिए जटिल, महंगी उपकरणों की आवश्यकता नहीं होती है। इसके बजाय, लैंटर्न स्वयं कुशलता से संयोजन को संभालता है, और एकत्र किए गए कुल प्रकाश को सुरक्षित रखता है। हालांकि टीम का कहना है कि भविष्य का कार्य निर्माण प्रक्रिया को अधिक सुसंगत बनाने और उपकरणों को वेधशाला की कठोर परिस्थितियों के अनुकूल बनाने पर केंद्रित होगा, वर्तमान परिणाम पुष्टि करते हैं कि यह तकनीक खगोलविदों को आकाश पर अगली पीढ़ी की विशाल, मॉड्यूलर आँखों के निर्माण में मदद करने के लिए तैयार है।
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