Laser induced broad band white emission from transparent Cr4+:YAG ceramics: Origin of broadband emission

लेजर की दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर ऐसे पदार्थों की तलाश करते हैं जो प्रकाश को उपयोगी तरीकों से मोड़ सकें, जो शक्तिशाली बीम के इंजन या स्विच के रूप में कार्य कर सकें। ऐसा ही एक पदार्थ इट्रियम एल्युमीनियम गार्नेट से बना एक पारदर्शी सिरेमिक है, जिसे क्रोमियम आयनों के साथ डोप किया गया है। यह पदार्थ लेजर पल्स को नियंत्रित करने की अपनी क्षमता के लिए पहले से ही प्रसिद्ध है, लेकिन इसमें एक छिपा हुआ रहस्य भी है। बहुत विशिष्ट परिस्थितियों में, जब इसे अदृश्य इन्फ्रारेड प्रकाश की एक केंद्रित बीम से टकराया जाता है, तो यह स्पष्ट सिरेमिक अचानक सफेद प्रकाश के एक चमकीले, विस्तृत स्पेक्ट्रम के साथ चमक उठता है। यह घटना, जिसे लेजर-प्रेरित सफेद उत्सर्जन (laser-induced white emission) कहा जाता है, केवल एक साधारण हीटिंग प्रभाव नहीं है जैसे कि बल्ब का फिलामेंट लाल गर्म होकर चमकता है। यह एक जटिल परस्पर क्रिया है जहाँ पदार्थ एक साथ प्रकाश ऊर्जा के कई पैकेटों को अवशोषित करता है, जिससे घटनाओं की एक श्रृंखला शुरू होती है जिसके परिणामस्वरूप दृश्य रंग की एक चमक निकलती है। यह समझना कि यह कैसे होता है, इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रकट करता है कि ऊर्जा ठोस पदार्थों के माध्यम से कैसे चलती है और प्रकाश उत्पन्न करने या लेजर बीम को नियंत्रित करने के नए तरीके विकसित करने में सहायक हो सकता है।

पोलैंड के इंस्टीट्यूट फॉर लो टेम्परेचर एंड स्ट्रक्चर रिसर्च के शोधकर्ताओं ने उच्च गुणवत्ता वाले पारदर्शी सिरेमिक का उपयोग करके इस चमकते रहस्य की जांच करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक पॉलिश किए हुए, डिस्क के आकार के नमूने को एक वैक्यूम चैंबर के अंदर रखा, जिससे लगभग सारी हवा निकालकर एक लगभग पूर्ण निर्वात (vacuum) बनाया जा सके। फिर उन्होंने सिरेमिक की सतह पर 1064 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य वाली एक केंद्रित इन्फ्रारेड प्रकाश की बीम छोड़ी। जब प्रकाश पर्याप्त शक्तिशाली था और दबाव पर्याप्त कम था, तो सिरेमिक की सतह पर सफेद प्रकाश का एक शानदार बिंदु दिखाई दिया। यह प्रकाश सिरेमिक के गहरे भीतर से नहीं आ रहा था बल्कि यह पूरी तरह से एक सतही घटना (surface phenomenon) थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह चमक केवल तभी दिखाई दी जब लेजर पावर एक निश्चित सीमा को पार कर गई, और एक बार शुरू होने के बाद, जैसे-जैसे उन्होंने लेजर पावर बढ़ाई, इसकी चमक नाटकीय रूप से बढ़ गई।

टीम ने इस प्रकाश की प्रकृति को समझने के लिए इसके गुणों को सावधानीपूर्वक मापा। उन्होंने पाया कि सफेद उत्सर्जन 650 नैनोमीटर के आसपास केंद्रित रंगों का एक विस्तृत बैंड था, जो दृश्य स्पेक्ट्रम के लाल भाग में है लेकिन इतना फैला हुआ है कि मानवीय आंखों को सफेद दिखाई दे। यह प्रकाश बहुत तेज़ी से प्रकट और लुप्त हुआ, जिसमें लगभग 9 मिलीसेकंड का राइज टाइम (rise time) और लगभग 6 मिलीसेकंड का डिके टाइम (decay time) था। यह गति अन्य सामग्रियों में देखी जाने वाली समान चमकने वाली प्रभावों की तुलना में बहुत अधिक थी, जिससे इस विचार को खारिज किया जा सका कि सिरेमिक केवल गर्म होकर आग की तरह चमक रहा था। यदि यह थर्मल रेडिएशन (ऊष्मीय विकिरण) होता, तो प्रकाश अधिक समय तक बना रहता और इसमें एक मजबूत इन्फ्रारेड पूंछ (infrared tail) शामिल होती, जिसका शोधकर्ताओं ने न तो अवलोकन किया और न ही पाया। इसके अलावा, घंटों के एक्सपोज़र के बाद भी नमूने में किसी भी प्रकार की क्षति के संकेत नहीं मिले, जिससे पुष्टि हुई कि प्रक्रिया के दौरान पदार्थ अपेक्षाकृत ठंडा रहा।

इस जांच का एक प्रमुख हिस्सा यह देखना था कि जब लेजर बीम नमूने से गुजरती है तो क्या होता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि जब सफेद प्रकाश चमक रहा था, तब सिरेमिक से गुजरने वाली लेजर बीम अधिक शक्तिशाली थी। हालांकि, जिस क्षण सफेद प्रकाश गायब हुआ—चाहे इसलिए क्योंकि उन्होंने लेजर स्पॉट को हिला दिया था या इसलिए क्योंकि उन्होंने चैंबर में वापस हवा आने दी—बीम की ट्रांसमिटेड पावर गिर गई। इससे पता चला कि सफेद प्रकाश बनाने वाली प्रक्रिया सामग्री को लेजर बीम के प्रति अधिक पारदर्शी भी बना रही है, जिसे स्व-पारदर्शिता (self-transparency) नामक घटना कहा जाता है। इस व्यवहार ने संकेत दिया कि लेजर पदार्थ के भीतर मुक्त रूप से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों को उत्पन्न कर रहा है, जो फिर इसके माध्यम से प्रकाश के संचरण को बदल देते हैं।

इन अवलोकनों की व्याख्या करने के लिए, वैज्ञानिकों ने सिरेमिक में मौजूद क्रोमियम आयनों के विभिन्न रूपों को शामिल करते हुए एक मॉडल प्रस्तावित किया। इस पदार्थ में दो अलग-अलग अवस्थाओं में क्रोमियम आयन होते हैं, जो एक जोड़ी के रूप में कार्य करते हैं जहाँ एक दूसरे को इलेक्ट्रॉन दे सकता है। जब तीव्र लेजर प्रकाश सतह से टकराता है, तो यह एक इलेक्ट्रॉन को एक आयन से दूसरे में कूदने के लिए मजबूर करता है, और फिर उस इलेक्ट्रॉन को सतह के पास एक विशेष क्षेत्र में धकेलता है जहाँ आवेश (charges) जमा होते हैं। यह इलेक्ट्रॉन फिर सतह पर मौजूद दोषों (defects) या फंसे हुए ऑक्सीजन अणुओं के साथ परस्पर क्रिया करता है, और अपनी ऊर्जा को ब्रॉड-स्पेक्ट्रम सफेद प्रकाश की एक चमक के रूप में मुक्त करता है, इससे पहले कि वह वापस क्रोमियम आयनों में लौट आए। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यह प्रक्रिया वायु दाब के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है; यदि दबाव 0.5 मिलीबार से ऊपर जाता है, तो सफेद प्रकाश पूरी तरह से गायब हो जाता है, जो बताता है कि आसपास की हवा चमक पैदा करने के लिए आवश्यक नाजुक इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण में बाधा डालती है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह सफेद प्रकाश सिरेमिक की सतह पर इलेक्ट्रॉनों के एक बहु-चरणीय नृत्य का परिणाम है, जो लेजर से फोटॉन के अवशोषण द्वारा संचालित होता है। हालांकि ऊर्जा को प्रकाश के रूप में मुक्त करने के सटीक विवरण को अभी भी परिष्कृत किया जा रहा है, साक्ष्य एक तंत्र की ओर इशारा करते हैं जिसमें मिश्रित-वैलेंस (mixed-valence) क्रोमियम जोड़े और सतही आवेश क्षेत्र शामिल हैं। यह कार्य एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि पारदर्शी सिरेमिक अत्यधिक लेजर स्थितियों के तहत कैसे व्यवहार करते हैं, जो इस सतही चमक को सामग्री के बल्क (bulk) गुणों से अलग करता है, और सूक्ष्म स्तर पर प्रकाश और पदार्थ की परस्पर क्रिया के बारे में एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है।