Pulse-by-pulse programmable synthesis of ultrafast optical waveforms
यह शोध पत्र एक प्रोग्रामेबल पल्स-बाय-पल्स शेपर प्रस्तुत करता है जो FPGA-संचालित इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेशन को सिंक्रोनाइज़ करके ~20 MHz पर अल्ट्राफास्ट पल्स के नियत (deterministic) स्पेक्ट्रल-टेम्पोरल नियंत्रण को प्राप्त करता है, जो जटिल तरंगों (waveforms) के निर्माण और पल्स-इंडेक्स-निर्भर फेज प्रोफाइल को नॉनलीनियर स्पेक्ट्रल ब्रीदिंग डायनेमिक्स में मैप करने में सक्षम बनाता है।
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आधुनिक प्रकाश विज्ञान की दुनिया में, शोधकर्ताओं ने लंबे समय से प्रकाश के आकार को गढ़ने की क्षमता की खोज की है। प्रकाश की एक किरण की कल्पना एक निरंतर धारा के रूप में नहीं, बल्कि अविश्वसनीय रूप से छोटे विस्फोटों की एक तीव्र-फायर श्रृंखला के रूप में करें, जिनमें से प्रत्येक का अस्तित्व केवल एक ट्रिलियनवें हिस्से के अंश के लिए होता है। दशकों तक, वैज्ञानिक इन विस्फोटों को आकार दे सकते थे, लेकिन केवल हर एक के लिए समान डिज़ाइन लागू करके, जैसे कागज की एक लंबी रिबन पर एक पैटर्न की मोहर लगाना। लक्ष्य हमेशा इस सीमा को तोड़ना रहा है: प्रत्येक व्यक्तिगत विस्फोट को एक अद्वितीय कैनवास के रूप में उपयोग करना, और हर क्षण में इसके रंग, समय और आकार को बदलना, भले ही वे प्रति सेकंड लाखों बार आ रहे हों। नियंत्रण का यह स्तर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को सबसे तेज़ रासायनिक प्रतिक्रियाओं और क्वांटम घटनाओं की जांच करने की अनुमति देगा, जो उन घटनाओं की गति के साथ मेल खाती सटीकता के साथ हो, न कि केवल उनके एक धुंधले औसत को देखने के बजाय।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस मायावी लक्ष्य को प्राप्त करने वाली एक मशीन बनाई है, जो प्रकाश के पल्स (आघात) के अनुक्रम संख्या को एक प्रोग्राम करने योग्य डायल में बदल देती है। उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो एक अत्यंत तीव्र प्रकाश पल्स के हर बार आने पर उसके गुणों को फिर से लिख सकता है, जो लगभग प्रति सेकंड 20 मिलियन पल्स की दर से काम करता है। एक स्थिर फिल्टर का उपयोग करने के बजाय जो सभी पल्स को समान रूप से प्रभावित करता है, उनका उपकरण एक उच्च-गति वाले संपादक की तरह कार्य करता है जो प्रत्येक पल्स के गुजरने पर उसे एक अनूठे निर्देश को सौंपता है। प्रत्येक पल्स के आगमन के साथ एक तेज़ इलेक्ट्रॉनिक सिग्नल को सिंक्रोनाइज़ करके, वे प्रकाश को समय में खींच सकते हैं, उस पर एक विशिष्ट पैटर्न बना सकते हैं, और फिर उसे वापस संकुचित कर सकते हैं। यह प्रक्रिया उन्हें पल्स की श्रृंखला में प्रत्येक व्यक्तिगत पल्स पर एक अलग "कोड" लिखने की अनुमति देती है, प्रभावी रूप से पल्स के स्थान को प्रकाश को नियंत्रित करने के एक नए तरीके में बदल देती है।
शोधकर्ताओं ने इस क्षमता को तीन अलग-अलग स्तरों के नियंत्रण के माध्यम से प्रदर्शित किया, जिनमें से प्रत्येक ने प्रकाश को नियंत्रित करने का एक नया तरीका दिखाया। सबसे पहले, उन्होंने दिखाया कि वे प्रकाश के 'फेज' (कला) को एक बाइनरी पैटर्न में आसानी से पलट सकते हैं, जो तरंग के शिखर और घाटियों के समय से संबंधित एक गुण है। इसने एक स्पेक्ट्रल इंटरफेरेंस प्रभाव पैदा किया, जो इस तरह है जैसे प्रकाश की तरंगें ओवरलैप होकर पैटर्न बनाती हैं, लेकिन यह पैटर्न एक पल्स से दूसरे पस्त तक बदलता रहता है। दूसरा, उन्होंने पल्स को अत्यधिक सटीकता के साथ समय में आगे-पीछे जाने के लिए प्रोग्राम किया। एक विशिष्ट प्रकार के फेज शिफ्ट को लागू करके, वे प्रत्येक पल्स की स्थिति को एक सेकंड के सूक्ष्म अंशों में आगे या पीछे खिसका सकते थे, जिससे एक सुचारू, नियतात्मक प्रक्षेपवक्र (डिटरमिनिस्टिक ट्रजेक्टरी) बना, जिसका पालन प्रकाश ने पल्स-दर-पल्स किया। इसने उन्हें जटिल समय पैटर्न बनाने की अनुमति दी, जैसे कि एक पल्स ट्रेन जो एक मंद लय में दोलन करती है, और वह भी मशीन के किसी भी भौतिक भाग को हिलाए बिना।
सबसे आश्चर्यजनक प्रदर्शन में "ब्रीदिंग" (साँस लेने जैसी प्रक्रिया) नामक एक घटना शामिल थी। शोधकर्ताओं ने पल्स को आवधिक रूप से अपनी अवधि बदलने के लिए प्रोग्राम किया, जिससे वे एक लयबद्ध चक्र में खिंचते और सिकुड़ते रहे। जब इन आकार वाले पल्स को एक विशेष फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से भेजा गया, तो कांच के नॉनलीनियर (अरेखीय) गुणों ने इस समय-आधारित ब्रीदिंग को प्रकाश के रंग स्पेक्ट्रम में बदल दिया। केवल समय में चौड़ा या संकरा होने के बजाय, पल्स रंगों की अपनी श्रेणी में फैलने और सिकुड़ने लगे। टीम ने मानचित्रित किया कि नियंत्रण की शक्ति बढ़ाने पर यह ब्रीदिंग कैसे बदली। उन्होंने पाया कि निम्न स्तरों पर, प्रकाश एक एकल रंग ब्लॉक के रूप में धीरे से सांस लेता है। जैसे-जैसे उन्होंने नियंत्रण बढ़ाया, स्पेक्ट्रम कई अलग-अलग चोटियों (पीक्स) में विभाजित हो गया, जैसे कि एक एकल स्वर एक कॉर्ड में टूट जाता है। और भी उच्च स्तरों पर, ये चोटियाँ वापस एक साथ मिलकर एक एकल, व्यापक और तीव्रता से सांस लेती हुई लिफाफे (एनवेलप) में विलीन हो गईं।
यह कार्य प्रकाश नियंत्रण के बारे में सोचने का एक नया तरीका स्थापित करता है, जहाँ पल्स का इंडेक्स—यानी अनुक्रम में उसका नंबर—एक प्रोग्राम करने योग्य डिग्री ऑफ फ्रीडम बन जाता है। पारंपरिक प्रणालियों में, इस तरह के जटिल व्यवहार जैसे कि ब्रीदिंग या विभाजन अक्सर लेजर की आंतरिक गतिशीलता से स्वतः उत्पन्न होते हैं, जिससे उन्हें अनुमानित या नियंत्रित करना कठिन हो जाता है। यहाँ, शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि वे इन व्यवहारों को बाहरी रूप से निर्देशित कर सकते हैं, एक विशिष्ट निर्देशों का क्रम लिखकर जो प्रकाश को ठीक वैसे ही विकसित होने के लिए मजबूर करता है जैसा कि डिज़ाइन किया गया है। ऑप्टिकल वेवफॉर्म्स के लिए पल्स-दर-पल्स नियंत्रण को नॉनलीनियर ऑप्टिक्स के साथ जोड़कर, उन्होंने एक ऐसा मंच बनाया है जहाँ प्रकाश का विकास हर एक पल्स के लिए हल (रिजॉल्व) और संश्लेषित किया जा सकता है। यह ऑप्टिकल वेवफॉर्म्स के वास्तविक समय में, पल्स-रिजॉल्व्ड संश्लेषण के लिए एक मार्ग खोलता है, जो प्रकृति की सबसे तेज़ गतिशीलता की खोज के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान करता है।
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