A high-speed anamorphic pupil-conjugate slit spectrograph for rapid, self-luminous sources

जब वैज्ञानिक उन चीजों का अध्ययन करते हैं जो जलती हैं, फटती हैं, या एक पल के लिए अस्तित्व में आती हैं, तो वे एक निराशाजनक विरोधाभास का सामना करते हैं। तेजी से बदलती घटना, जैसे कि सतह पर दौड़ती हुई लौ (फ्लेम फ्रंट) या निर्वात में फटने वाले तार की रसायन विज्ञान को समझने के लिए, उन्हें इससे निकलने वाले प्रकाश को रंगों के इंद्रधनुष में तोड़ना पड़ता है। यह प्रक्रिया, जिसे स्पेक्ट्रोस्कोपी कहा जाता है, यह प्रकट करती है कि कौन से रासायनिक तत्व मौजूद हैं। हालाँकि, इस काम के लिए पारंपरिक उपकरण एक सरल धारणा पर बने होते हैं: कि प्रकाश का स्रोत स्थिर रहता है। यदि उपकरण के देखने के दौरान स्रोत थोड़ा भी हिल जाता है, तो परिणामी इंद्रधनुष धुंधला हो जाता है और खिसक जाता है, जिससे डेटा अपठनीय या भ्रामक हो जाता है। उन घटनाओं के लिए जो रुकने और पुन: अंशांकन (recalibrate) करने के लिए बहुत तेज़ हैं, या उन विस्फोटों के लिए जो केवल एक बार हो सकते हैं, यह गति भ्रम के एक धुंधलेपन को पैदा करती है जहाँ वास्तविक रासायनिक संकेत शोर में खो जाते हैं।

न्यू जर्सी में विजन रिसर्च के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया कैमरा सिस्टम बनाया है जो यह समाधान करता है कि प्रकाश मशीन में कहाँ प्रवेश करता है। उपकरण के फोकस को वस्तु की स्थिति पर लॉक करने के बजाय, उन्होंने उपकरण को इस तरह से डिजाइन किया कि प्रकाश स्रोत की स्थिति मायने नहीं रखती है। एक विशिष्ट आंतरिक स्टॉप (stop) और एक विशेष बेलनाकार लेंस (cylindrical lens) को एक सटीक व्यवस्था में रखकर, उन्होंने यह सुनिश्चित किया कि आने वाले प्रकाश का कोण, न कि उसका स्थान, यह निर्धारित करे कि रंग सेंसर पर कहाँ गिरेंगे। इसका अर्थ यह है कि भले ही जलता हुआ कोई टुकड़ा बेतहाशा उछले, घूमे या फैलता हो, उसका रासायनिक फिंगरप्रिंट कैमरे की स्क्रीन पर पूरी तरह से स्थिर रहता है। परिणाम स्वरूप, यह एक ऐसा उपकरण बन गया है जो एक बार होने वाली अराजक घटनाओं की वास्तविक रसायन विज्ञान को बिना डेटा के भटक जाए, कैप्चर कर सकता है।

इस नवाचार का मूल आधार यह है कि उपकरण स्थान (space) और रंग के बीच के संबंध को कैसे संभालता है। एक मानक स्पेक्ट्रोग्राफ में, स्लिट—वह संकीर्ण छिद्र जो प्रकाश को अंदर आने देता है—स्रोत की एक छवि होती है। यदि स्रोत हिलता है, तो स्लिट की छवि हिल जाती है, और रंग डिटेक्टर पर खिसक जाते हैं। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यदि वे इसके बजाय स्लिट को "प्यूपिल" (pupil), या उस एपर्चर की छवि बना सकें जो प्रकाश के कोण को नियंत्रित करता है, तो स्रोत की स्थिति अप्रासंगिक हो जाएगी। उन्होंने मानक, बाजार में उपलब्ध कैमरा लेंसों और एक हाई-स्पीड कैमरे का उपयोग करके एक प्रणाली बनाई जो एक 4f रिले (4f relay) के माध्यम से प्रकाश का मार्ग बनाती है, जो लेंसों की एक ऐसी विशिष्ट व्यवस्था को दर्शाता है जो प्रकाश के कोण को स्थिर रखता है। इस रिले के भीतर, उन्होंने एक आइरिस (iris) रखा जो सिस्टम के मुख्य स्टॉप के रूप में कार्य करता है। फिर, उन्होंने एक बेलनाकार लेंस जोड़ा, जो केवल एक दिशा में प्रकाश को केंद्रित करता है, ताकि स्लिट को ठीक वहीं रखा जा सके जहाँ प्रकाश का कोण एनकोड होता है, न कि उसका स्थान।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह अवधारणा काम करती है, टीम ने पहले अपने उपकरण का परीक्षण एक साधारण प्रकाश स्रोत, एक टॉर्च के साथ किया, जो उनके दृश्य क्षेत्र (field of view) में आगे-पीछे घूम रही थी। जब उन्होंने एक पारंपरिक सेटअप का उपयोग किया जहाँ सामने वाला लेंस स्टॉप के रूप में कार्य करता था, तो प्रकाश के हिलने पर स्पेक्ट्रल छवि काफी अधिक डगमगा गई, जो सेंसर पर एक मिलीमीटर से अधिक खिसक गई। यह तेज़ गति से बदलते रासायनिक परिवर्तनों को ट्रैक करना असंभव बना देता। हालाँकि, जब उन्होंने अपने नए डिज़ाइन के साथ स्विच किया, जिसमें आंतरिक आइरिस स्टॉप के रूप में कार्य करता था, तो स्पेक्ट्रल छवि अपनी जगह पर स्थिर रही। भले ही प्रकाश स्रोत पूरे उपयोगी दृश्य में घूम रहा था, रंगों का विस्थापन एक हजारवें मिलीमीटर से भी कम था। यह स्थिरता इस बात पर भी निर्भर नहीं थी कि उन्होंने स्रोत को देखने के लिए कौन सा कैमरा लेंस इस्तेमाल किया, जो यह साबित करता है कि उपकरण वास्तव में फोर-ऑप्टिक (fore-optic) के चयन के प्रति तटस्थ (agnostic) है।

स्थिरता की पुष्टि के बाद, शोधकर्ताओं ने अपने नए उपकरण की सटीकता का लक्षण वर्णन करने की ओर रुख किया। उन्होंने हीलियम डिस्चार्ज लैंप का उपयोग करके यह मानचित्रित किया कि कैमरा सेंसर का कौन सा कॉलम प्रकाश की किस तरंग दैर्ध्य (wavelength) के अनुरूप है। हीलियम की ज्ञात रेखाओं पर एक सुचारू वक्र (smooth curve) फिट करके, उन्होंने केवल 0.12 नैनोमीटर के अवशेष त्रुटि (residual error) के साथ अंशांकन सटीकता प्राप्त की। उन्होंने इसे बिना अंशांकन बदले एक नियॉन लैंप का परीक्षण करके सत्यापित किया, जिसमें पाया गया कि नियॉन रेखाएं उनकी भविष्यवाणियों से केवल 0.13 नैनोमीटर की त्रुटि के साथ मेल खाती थीं। उन्होंने उपकरण की दृष्टि की तीक्ष्णता, जिसे स्पेक्ट्रल रेजोल्यूशन कहा जाता है, को भी मापा। स्लिट की चौड़ाई को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने वह इष्टतम सेटिंग पाई जहाँ उपकरण दो रंगों के बीच अंतर कर सकता था जो 0.92 नैनोमीटर की दूरी पर थे, जो कई महत्वपूर्ण रासायनिक हस्ताक्षरों को अलग करने के लिए पर्याप्त विवरण का स्तर है।

असली परीक्षा तब हुई जब उन्होंने अपने स्पेक्ट्रोग्राफ को एक वास्तविक, अराजक घटना पर लागू किया: नाइट्रोसेल्यूलोज का दहन। उन्होंने पदार्थ की एक पट्टी को तीन मीटर दूर रखा और उसे प्रज्वलित किया। जैसे ही लौ (flame front) पट्टी पर अनिश्चित रूप से फैली और आगे बढ़ी, कैमरे ने 10,000 फ्रेम प्रति सेकंड की दर से प्रकाश को कैप्चर किया, जिसमें प्रत्येक फ्रेम एक्सपोज़र केवल 99 माइक्रोसेकंड का था। क्योंकि उपकरण लौ की गति के प्रति प्रतिरक्षित था, स्पेक्ट्रल रेखाएं स्थिर रहीं। टीम ने आग में पांच अलग-अलग रासायनिक प्रजातियों की पहचान की: सोडियम, पोटैशियम, कैल्शियम, रुबिडियम और कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड नामक एक अणु। उन्होंने पूरी घटना के दौरान सोडियम रेखा को ट्रैक किया, और हिंसक गति के बावजूद, सेंसर पर रेखा की स्थिति औसally केवल 0.06 नैनोमीटर तक ही बदली। जो मामूली बदलाव हुए, वे उपकरण के गति को ट्रैक करने में विफल होने के कारण नहीं थे, बल्कि लौ के भौतिक विज्ञान के कारण थे, जहाँ गैस की ठंडी बाहरी परतों ने प्रकाश को अवशोषित और पुन: उत्सर्जित किया, जिससे रेखा का आभासी केंद्र थोड़ा खिसक गया।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक ऐसा हाई-स्पीड स्पेक्ट्रोग्राफ बनाना संभव है जिसे स्रोत के स्थिर रहने की आवश्यकता नहीं है। स्पेक्ट्रल पंजीकरण को कैमरे के पॉइंटिंग से अलग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो ऑन-द-फ्लाई री-कैलिब्रेशन या जटिल फाइबर-ऑप्टिक स्कैम्बलिंग की आवश्यकता के बिना तेज़, स्व-दीप्तिमान (self-luminous) स्रोतों को देख सकता है। मानक कैटलॉग ऑप्टिक्स और एक हाई-स्पीड कैमरे से बना यह उपकरण, एक स्थिर स्पेक्ट्रल स्थिति बनाए रखता है, भले ही स्रोत घूम रहा हो, जिससे वे गैर-भौतिक बदलाव समाप्त हो जाते हैं जो आमतौर पर ऐसे मापों में बाधा डालते हैं। हालांकि यह डिज़ाइन रंग के फैलाव की दिशा में सूक्ष्म स्थानिक विवरणों को देखने की कुछ क्षमता का त्याग करता है, लेकिन यह चलती हुई घटनाओं की वास्तविक रसायन विज्ञान को देखने की क्षमता प्राप्त करता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह दृष्टिकोण भविष्य के विस्फोटित तारों (exploding wires) और पल्स्ड प्लाज्मा के अध्ययन के लिए आदर्श रूप से उपयुक्त है, जहाँ स्रोत तेजी से फैलता है और सैकड़ों हजारों या लाखों फ्रेम प्रति सेकंड की दर की आवश्यकता होती है। फिलहाल, यह उपकरण एक प्रमाण के रूप में खड़ा है कि सही ऑप्टिकल व्यवस्था के साथ, चलती हुई लौ की अराजकता को एक स्पष्ट, स्थिर रासायनिक रिकॉर्ड में बदला जा सकता है।