Wide-field mid- to long-wave infrared imaging with undetected photons
यह शोध पत्र एक AgGaS₂ क्रिस्टल में नॉन-कोलिनियर फेज-मैचिंग के माध्यम से अनडिटेक्टेड फोटॉन्स के साथ क्वांटम इमेजिंग का उपयोग करके वाइड-फील्ड मिड-टू-लॉन्ग-वेव इन्फ्रारेड इमेजिंग (6–10 µm) को प्रदर्शित करता है, जो पारंपरिक डिटेक्टरों की तुलना में बेहतर रिज़ॉल्यूशन और अधिग्रहण समय के साथ, बैकग्राउंड-नॉइज़-मुक्त, रूम-टेम्परेचर ऑपरेशन प्राप्त करता है।
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इन्फ्रारेड प्रकाश में दुनिया को देखना वास्तविकता की एक छिपी हुई परत को प्रकट करता है, जहाँ एक जीवित कोशिका की गर्मी या एक अणु का रासायनिक हस्ताक्षर दृश्यमान हो जाता है। स्पेक्ट्रम का यह हिस्सा वैज्ञानिकों के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो उन्हें बिना किसी डाई या मार्कर से लेबल किए, अपने अद्वितीय "फिंगरप्रिंट्स" द्वारा सामग्रियों की पहचान करने का एक तरीका प्रदान करता है। हालाँकि, इन छवियों को कैप्चर करना लंबे समय से एक कठिन कार्य रहा है। इन्फ्रारेड प्रकाश स्वयं वातावरण की तापीय चमक (थर्मल ग्लो) से प्रभावित होता है; कमरे के तापमान पर, सब कुछ एक ऐसा बैकग्राउंड शोर उत्सर्जित करता है जो धुंधले संकेतों को दबा देता है। स्पष्ट रूप से देखने के लिए, पारंपरिक कैमरों को अक्सर महंगे, विशेष सेंसरों की आवश्यकता होती है जिन्हें क्रायोजेनिक तापमान तक ठंडा करना पड़ता है, और फिर भी, यह प्रक्रिया धीमी है और इस अत्यधिक बैकग्राउंड हीट द्वारा सीमित है।
एक अलग दृष्टिकोण उभरा है, जो प्रकाश के एक विचित्र गुण पर निर्भर करता है जिसे क्वांटम इंटरफेरेंस (क्वांटम व्यतिकरण) कहा जाता है। वस्तु से टकराकर वापस आने वाले इन्फ्रारेड फोटोन का पता लगाने के बजाय, यह विधि उन्हें केवल एक संदेशवाहक के रूप में उपयोग करती है। इस तकनीक में प्रकाश की किरण को दो जुड़े हुए जोड़ों में विभाजित किया जाता है: एक भाग दृश्य स्पेक्ट्रम (visible spectrum) में यात्रा करता है, जिसे हमारी आँखें और मानक कैमरे देख सकते हैं, जबकि दूसरा इन्फ्रारेड में यात्रा करता है। ये दोनों किरणें एक साथ उत्पन्न होती हैं और इस तरह जुड़ी रहती हैं कि वे एक-दूसरे से अविभाज्य हो जाती हैं। यदि इन्फ्रारेड किरण किसी वस्तु के साथ परस्पर क्रिया करती है, तो वह अपने दृश्य साथी के व्यवहार को बदल देती है, भले ही दृश्य किरण ने कभी उस वस्तु को छुआ न हो। दृश्य प्रकाश को मापकर, वैज्ञानिक उस छवि को पुनर्गठित कर सकते हैं जिसका सामना अदृश्य इन्फ्रारेड प्रकाश ने किया था, जिससे प्रभावी रूप से सीधे इन्फ्रारेड फोटोन का पता लगाने की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। इसका अर्थ है कि यह छवि उस थर्मल शोर से मुक्त है जो आमतौर पर इन्फ्रारेड कैमरों को प्रभावित करता है।
इंपीरियल कॉलेज लंदन के शोधकर्ताओं ने अब इस अवधारणा को लिया है और इसे महत्वपूर्ण रूप से विस्तारित किया है, मिड- से लॉन्ग-वेव इन्फ्रारेड रेंज, विशेष रूप से 6 और 10 माइक्रोमीटर के बीच, वाइड-फील्ड इमेज बनाने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। यह वैज्ञानिक विश्लेषण के लिए एक महत्वपूर्ण क्षेत्र है, जो उन तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) को कवर करता है जहाँ कई महत्वपूर्ण रासायनिक बंधन प्रकाश को अवशोषित करते हैं। अपने प्रयोग में, टीम ने इन जुड़े हुए जोड़ों को उत्पन्न करने के लिए सिल्वर थियोगैलेट (silver thiogallate) से बने एक क्रिस्टल का उपयोग किया। उन्होंने सेटअप को इस तरह व्यवस्थित किया कि इन्फ्रारेड किरण, जिसे वे "इडलर" (idler) कहते हैं, एक नमूने से गुजरे, जबकि दृश्य "सिग्नल" किरण को एक मानक सिलिकॉन कैमरे की ओर निर्देशित किया गया। क्योंकि इन्फ्रारेड प्रकाश को कैमरे द्वारा कभी भी डिटेक्ट नहीं किया गया, इसलिए सिस्टम ने उस बैकग्राउंड शोर से बचाव किया जो आमतौर पर ऐसे मापों को सीमित करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस पद्धति ने उन्हें कमरे के तापमान पर काम करने वाले सर्वश्रेष्ठ मानक इन्फ्रारेड डिटेक्टरों की तुलना में कम से कम सौ गुना अधिक धुंधले स्तर पर भी इन्फ्रारेड प्रकाश का पता लगाने की अनुमति दी।
टीम ने अपनी छवियों में विवरण का एक उच्च स्तर प्राप्त किया, जो दृश्य क्षेत्र (फील्ड ऑफ व्यू) में 8,000 से अधिक विशिष्ट बिंदुओं को हल (resolve) कर सका। 8 माइक्रोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर, वे 297 माइक्रोमीटर जितने छोटे फीचर्स को भी अलग पहचान सके। सिस्टम का परीक्षण करने के लिए, उन्होंने इन्फ्रारेड किरण के पथ में विशिष्ट पैटर्न वाले धातु के मास्क रखे। कैमरे ने, जो केवल दृश्य प्रकाश को देख रहा था, सफलतापूर्वक इन मास्क के आकारों को पुनर्गठित किया, जिससे छेद और ठोस क्षेत्रों को स्पष्टता के साथ दिखाया गया। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे क्रिस्टल के कोण और पंप करने वाले लेजर के रंग को समायोजित करके केवल 6 से 10 माइक्रोमीटर की रेंज के भीतर विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर इमेजिंग करने के लिए सिस्टम को ट्यून कर सकते हैं। यह लचीलापन सुझाव देता है कि इस विधि को विभिन्न सामग्रियों में विशिष्ट रासायनिक हस्ताक्षरों को लक्षित करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।
सफलता में गति भी एक प्रमुख कारक थी। टीम ने डेटा को प्रोसेस करने के दो तरीके प्रदर्शित किए। पहले तरीके में प्रकाश के फेज (phase) को धीरे-धीरे बदलते हुए छवियों की एक श्रृंखला लेना शामिल था, जिसमें एक फ्रेम के लिए लगभग दस सेकंड का समय लगा और उच्च गुणवत्ता वाली छवियां प्राप्त हुईं। दूसरे तरीके ने पूरी छवि के लिए केवल दस सेकंड का समय लेकर, एक सिंगल स्नैपशॉट का उपयोग करके छवि को पुनर्गठित किया, हालांकि इसमें इमेज क्वालिटी के साथ थोड़ा समझौता हुआ। यह गति पारंपरिक इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी विधियों की तुलना में एक नाटकीय सुधार है, जिन्हें समान छवि बनाने में घंटों लग सकते हैं। परिणाम संकेत देते हैं कि बिना ठंडे डिटेक्टरों या जटिल उपकरणों के, इन्फ्रारेड में तेज़, स्पष्ट और स्पेक्ट्रली चयनात्मक इमेजिंग करना संभव है। यह प्रगति जीव विज्ञान और रसायन विज्ञान में नए अनुप्रयोगों के द्वार खोलती है, जहाँ बैकग्राउंड शोर के बिना और तेज़ी से आणविक संरचनाओं को देखने की क्षमता वैज्ञानिकों के लिए नमूनों के विश्लेषण के तरीके को बदल सकती है।
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