NAIR-APREXIS: Enabling photonics-based instruments for long-baseline interferometry and integral-field spectroscopy

खगोलशास्त्रियों ने लंबे समय से ब्रह्मांड को अधिक स्पष्ट आँखों से देखने की खोज की है, जिससे उनके दूरबीनों के रिज़ॉल्यूशन की सीमाओं को आगे बढ़ाया जा सके। ऐसा करने के लिए, वे अक्सर कई दूरबीनों से आने वाले प्रकाश को संयोजित करते हैं, जिसे 'इंटरफेरोमेट्री' (interferometry) कहा जाता है, जो एक एकल, विशाल दर्पण की तरह कार्य करता है। हालाँकि, इसे करने का पारंपरिक तरीका भारी कांच के लेंस और दर्पणों पर निर्भर करता है जो वजन में भारी होते हैं, जिन्हें सटीक रूप से संरेखित करना कठिन होता है, और जिनके रास्ते में प्रकाश खोने की संभावना बनी रहती है। हाल के वर्षों में, एक नया दृष्टिकोण उभरा है जो प्रकाश को एक बड़े सतह से टकराकर परावर्तित होने वाली किरण के रूप में नहीं, बल्कि कांच के भीतर उकेरे गए सूक्ष्म, नैनो-स्केल चैनलों के माध्यम से यात्रा करने वाले एक सिग्नल के रूप में देखता है। यह क्षेत्र, जिसे 'एस्ट्रोफोटोनिक्स' (astrophotonics) कहा जाता है, जटिल उपकरणों को एक चिप के आकार तक सिकोड़ने का वादा करता है, जिससे अधिक स्थिरता और सटीकता मिलती है। चुनौती यह सिद्ध करने की रही है कि ये नाजुक, सूक्ष्म संरचनाएं एक वास्तविक वेधशाला की कठोर परिस्थितियों में जीवित रह सकती हैं और अपने विशाल, पारंपरिक समकक्षों के समान प्रदर्शन कर सकती हैं।

NAIR-APREXIS परियोजना पर काम कर रहे शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब ठोस प्रमाण दिए हैं कि यह सूक्ष्म दृष्टिकोण अब उपयोग के लिए तैयार है। उन्होंने सफलतापूर्वक 'अल्ट्राफास्ट लेजर इनस्क्रिप्शन' (ultrafast laser inscription) नामक तकनीक का उपयोग करके कई नए प्रकार के उपकरण बनाए और उनका परीक्षण किया है, जहाँ एक शक्तिशाली लेजर कांच के ब्लॉकों के भीतर सीधे प्रकाश-मार्गों को लिखता है। उनका कार्य यह प्रदर्शित करता है कि ये कांच के चिप न केवल दूर के तारों के प्रकाश को अत्यधिक सटीकता के साथ संयोजित कर सकते हैं, बल्कि ग्रहों और तारों के विस्तृत मानचित्र बनाने के लिए दूरबीन के प्रकाश को पुनर्गठित भी कर सकते हैं। टीम ने अपने उपकरणों का परीक्षण पहले ही कैलिफोर्निया में वास्तविक दूरबीनों पर किया है, और वे 2027 में चिली में एक नई प्रणाली का परीक्षण करने की तैयारी कर रहे हैं। ये परीक्षण दर्शाते हैं कि ये छोटे उपकरण उच्च दक्षता के साथ मंद तारों के प्रकाश को पकड़ सकते हैं और लंबे समय तक स्थिर रह सकते हैं, जो भविष्य के कॉम्पैक्ट, उच्च-प्रदर्शन वाले खगोलीय उपकरणों का मार्ग प्रशर करते हैं।

परियोजना की पहली बड़ी सफलता में एक ऐसा उपकरण शामिल था जिसे दो दूरबीनों से आने वाले प्रकाश को संयोजित करने के लिए डिज़ाइन किया गया था ताकि तारों की चमक और आकार को मापा जा सके। शोधकर्ताओं ने इस उपकरण को 'इन्फ्रासिल' (Infrasil) नामक एक विशेष प्रकार के कांच का उपयोग करके बनाया, जो अंतरिक्ष में ठंडी वस्तुओं के अध्ययन के लिए उपयोग किए जाने वाले इन्फ्रारेड प्रकाश के प्रति पारदर्शी है। उन्होंने अपने लेजर तकनीक का उपयोग करके कांच के भीतर सूक्ष्म चैनलों का एक नेटवर्क उकेरा जो तारों के प्रकाश को विभाजित और पुनर्संयोजित करता है। जब उन्होंने इस उपकरण का परीक्षण कैलिफोर्निया में छह दूरबीनों के एक समूह, CHARA एरे (CHARA Array) में किया, तो परिणाम प्रभावशाली थे। उपकरण उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहा, जिसने घंटों के अवलोकन के दौरान अपना प्रदर्शन बनाए रखा। यह एक प्रतिशत की सटीकता के साथ तारों के हस्तक्षेप पैटर्न (interference patterns) को मापने में सक्षम था, जो गंभीर वैज्ञानिक खोज के लिए आवश्यक सटीकता का स्तर है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उपकरण कुशल था, जिससे चालीस प्रतिशत से अधिक तारकीय प्रकाश डिटेक्टर तक पहुँच सका, और यह बिना किसी अतिरिक्त उपकरण के पांच परिमाण (magnitude five) जितने धुंधले तारों का भी पता लगाने में सक्षम था। इस सफलता ने दिखाया कि कांच का एक छोटा, ठोस ब्लॉक जटिल, भारी ऑप्टिकल प्रणालियों को प्रतिस्थापित कर सकता है और साथ ही बेहतर स्थिरता प्रदान कर सकता है।

केवल प्रकाश को संयोजित करने से परे, टीम ऐसे उपकरण भी विकसित कर रही है जो तारे या ग्रह की धुंधली छवि को प्रकाश और रंग के विस्तृत मानचित्र में बदल सकें, जिसे 'इंटीग्रल फील्ड स्पेक्ट्रोस्कोपी' (integral field spectroscopy) कहा जाता है। इसे प्राप्त करने के लिए, वे एक नए प्रकार का फाइबर ऑप्टिक केबल बना रहे हैं जिसमें सौ से अधिक सूक्ष्म कोर (cores) हैं, जिनमें से प्रत्येक आकाश के अलग-अलग हिस्से से प्रकाश को पकड़ने के लिए एक अलग पिक्सेल के रूप में कार्य करता है। ऐसे डिजाइनों में एक प्रमुख बाधा यह रोकना है कि एक कोर से प्रकाश दूसरे पड़ोसी में न लीक हो जाए, जिससे छवि धुंधली हो सकती है। एक 'हेटरोजीनियस' (heterogeneous) डिजाइन का उपयोग करके, जहाँ कोर थोड़े अलग आकार के होते हैं, शोधकर्ताओं ने इस लीकेज को उस स्तर तक सफलतापूर्वक कम कर दिया है जहाँ एक हजार में से एक भाग से भी कम प्रकाश क्रॉसओवर होता है। वे वर्तमान में एक पूर्ण प्रणाली बना रहे हैं जिसमें इन कोरों को एक रेखा में पुनर्गठित करने के लिए एक लेजर-रिटन डिवाइस शामिल है, जो एक स्पेक्ट्रोग्राफ को फीड करता है। यह प्रणाली चिली में एक दूरबीन पर 2027 में परीक्षण के लिए निर्धारित है, जिसका लक्ष्य खगोलविदों को अन्य सितारों की परिक्रमा करने वाले ग्रहों का पता लगाने और अध्ययन करने में मदद करना है।

परियोजना ने यह भी पता लगाया कि उपकरणों को और भी छोटा और एकीकृत कैसे बनाया जाए। शोधकर्ताओं ने 'टू-फोटॉन पॉलीमराइजेशन' (two-photon polymerization) नामक प्रक्रिया का उपयोग करके फाइबर ऑप्टिक केबलों के सिरों पर सीधे छोटे, त्रि-आयामी ऑप्टिकल घटकों को प्रिंट किया। ये घटक लघु स्पेक्ट्रोग्राफ के रूप में कार्य करते हैं, जो खगोलीय पिंडों की रासायनिक संरचना का विश्लेषण करने के लिए प्रकाश को उसके रंगों में विभाजित करते हैं। प्रत्येक उपकरण एक मिलीमीटर से भी छोटा है, फिर भी यह एक ही ठोस सामग्री के भीतर प्रकाश को विस्तारित, समानांतर (collimate) और विसरित (disperse) करने का प्रबंधन करता है। प्रयोगशाला परीक्षणों में, इन सूक्ष्म स्पेक्ट्रोग्राफों ने लगभग तीस की 'रिजॉल्विंग पावर' हासिल की, जिसका अर्थ है कि वे निकटवर्ती रंगों के बीच अंतर कर सकते थे, और उन्होंने अस्सी प्रतिशत से अधिक प्रकाश संचारित किया। यह स्तर का एकीकरण यह सुझाव देता है कि भविष्य के उपकरण अविश्वसनीय रूप से हल्के होंगे और उन्हें किसी संरेखण (alignment) की आवश्यकता नहीं होगी, क्योंकि ऑप्टिकल भाग स्थायी रूप से आपस में जुड़े हुए हैं।

एक अन्य अभिनव विकास में पिरामिड के आकार के छोटे सेंसर बनाना शामिल है जिनका उपयोग दूरबीन के दृश्य की गुणवत्ता को मापने के लिए किया जाता है। पारंपरिक रूप से, ये पिरामिड कांच से बने होते हैं और इन्हें पूरी तरह से तीक्ष्ण किनारों के साथ प्राप्त करने के लिए महंगे और कठिन पॉलिशिंग की आवश्यकता होती है। टीम ने इन पिरामिडों को बनाने के लिए 3D ऑप्टिकल प्रिंटिंग का उपयोग किया, जो केवल कुछ मिलीमीटर चौड़े हैं। उनके माप से पता चला कि इन प्रिंटेड पिरामिडों में सतह की चिकनाई और किनारों की तीक्ष्णता पारंपरिक रूप से बनाए गए कांच के पिरामिडों के बराबर या उससे भी बेहतर है। क्योंकि वे बहुत छोटे हैं, वे एक अनूठा फिल्टरिंग भी पेश करते हैं जो खगोलविदों को वायुमंडलीय विक्षोभ (atmospheric turbulence) को मापने में सुधार करने में मदद कर सकता है। एक 'एडेप्टिव ऑप्टिक्स' टेस्टबेड पर प्रारंभिक परीक्षणों ने पुष्टि की कि ये प्रिंटेड सेंसर अनुमानित रूप से कार्य करते हैं, जो भविष्य के दूरबीनों के लिए सस्ते और अधिक बहुमुखी वेवफ्रंट सेंसरों के द्वार खोलते हैं।

शायद इस तकनीक की सबसे महत्वपूर्ण पुष्टि 'लार्ज बाइनोक्युलर टेलिस्कोप' में स्थापित एक सेंसर के दीर्घकालिक अध्ययन से मिली। यह सेंसर, जो फाइबर में प्रकाश को केंद्रित करने में मदद करने के लिए प्रिंटेड लेंस के एक घेरे का उपयोग करता है, छह वर्षों से वास्तविक दुनिया में काम कर रहा है। इस दौरान, यह तापमान के उतार-चढ़ाव, आर्द्रता, कंपन और दूरबीन की निरंतर गति के संपर्क में रहा। इन कठोर परिस्थितियों के बावजूद, सेंसर ने पूरी तरह से कार्य करना जारी रखा, इसके प्रदर्शन में गिरावट या विचलन के कोई संकेत नहीं मिले। छह साल का यह रिकॉर्ड साबित करता है कि ये 3D-प्रिंटेड ऑप्टिकल घटक वेधशाला के चुनौतीपूर्ण वातावरण में लंबे समय तक जीवित रहने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं। यह पुष्टि करता है कि यह तकनीक केवल प्रयोगशाला की जिज्ञासा नहीं है, बल्कि भविष्य के खगोलीय उपकरणों के लिए एक व्यवहार्य समाधान है, जो छोटे, अधिक स्थिर और ब्रह्मांड को अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ प्रकट करने में सक्षम उपकरणों का मार्ग प्रशस्त करती है।