Phase-matching in high-order harmonic generation with a plasma-reshaped driving field
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि उच्च-पुनरावृत्ति दर वाले इटरबियम-आधारित लेजरों का उपयोग करके उच्च-क्रम हार्मोनिक जनरेशन में फेज-मैचिंग और परिणामी बड़े स्पेक्ट्रल शिफ्ट को नियंत्रित करने वाला केंद्रीय तंत्र ड्राइविंग लेजर फील्ड का प्लाज्मा-प्रेरित पुनर्गठन (reshaping) है।
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प्रकाश को इस तरह व्यवहार करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है जो इसके स्वभाव को चुनौती देता हुआ प्रतीत होता है, जिससे एक एकल, स्थिर किरण नए रंगों की एक ऐसी लहर में बदल जाती है जो मूल किरण की तुलना में कहीं अधिक ऊर्जावान होती है। यह प्रक्रिया, जिसे हाई-ऑर्डर हार्मोनिक जनरेशन (high-order harmonic generation) के रूप में जाना जाता है, ब्रह्मांड के लिए एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के रूप में कार्य करती है, जिससे वैज्ञानिकों को प्रकाश की ऐसी चमक पैदा करने की अनुमति मिलती है जो इतनी संक्षिप्त है कि वे परमाणुओं के भीतर इलेक्ट्रॉनों की गति को भी स्थिर कर सकती हैं। ये चमक, जो केवल कुछ सौ एटटोसेकंड (attoseconds) तक चलती है—एक ऐसा समय पैमाना जो इतना छोटा है कि एक सेकंड में उतने ही एटटोसेकंड होते हैं जितने ब्रह्मांड के जन्म से अब तक के सेकंड हुए हैं—पदार्थ के सबसे मौलिक स्तर पर अध्ययन करने के लिए आवश्यक हैं। इन उपकरणों को वास्तविक दुनिया के कार्यों, जैसे कि कंप्यूटर चिप्स की गुणवत्ता की जांच करने के लिए उपयोगी बनाने हेतु, शोधकर्ताओं को इस प्रकाश को विश्वसनीय और कुशलता से उत्पन्न करने की आवश्यकता है। वर्षों तक, मानक दृष्टिकोण में टाइटेनियम-सैफायर क्रिस्टल से बने लेजर का उपयोग करना शामिल था, लेकिन इटरबियम (ytterbium) पर आधारित एक अलग प्रकार के लेजर की ओर बदलाव, सेटअप को छोटा, सस्ता और बहुत तेजी से फायर करने में सक्षम बनाने का वादा करता है। हालाँकि, इस नई तकनीक पर स्विच करने से खेल के नियम बदल जाते हैं, और वैज्ञानिकों को यह समझना होगा कि इस नई स्थिति के तहत प्रकाश वास्तव में कैसे व्यवहार करता है ताकि ऐसी मशीनें बनाने से बचा जा सके जो काम करने में विफल हो जाएं।
हाल ही में एक अध्ययन में, स्वीडन के लुंड विश्वविद्यालय और नीदरलैंड के ASML के शोधकर्ताओं ने यह जांचा कि जब प्रकाश नियॉन गैस की एक जेट से गुजरता है तो वह कैसे व्यवहार करता है। उन्होंने उच्च-ऊर्जा वाली चमक उत्पन्न करने के लिए नियॉन गैस की एक धारा में 45 फेम्टोसेकंड (femtoseconds) लंबे इन्फ्रारेड प्रकाश के पल्स छोड़े। जैसे ही प्रकाश गैस के माध्यम से यात्रा कर रहा था, उसने नियॉन परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को अलग कर दिया, जिससे प्लाज्मा नामक एक पतला, आयनित बादल बन गया। टीम को उम्मीद थी कि प्रकाश एक अनुमानित तरीके से व्यवहार करेगा, जैसे कि प्रकाश की एक किरण एक स्पष्ट खिड़की से गुजरती है, लेकिन उन्होंने कुछ बहुत अधिक गतिशील खोजा। जैसे ही लेजर पल्स गैस के माध्यम से आगे बढ़ा, प्लाज्मा बनाने की क्रिया ने स्वयं लेजर बीम के आकार को बदल दिया। गैस में मौजूद इलेक्ट्रॉनों ने प्रकाश के विरुद्ध प्रतिक्रिया दी, जिससे बीम का आकार बदल गया और यात्रा के दौरान वह विकसित होने लगा, बजाय इसके कि वह एक निश्चित, चिकने आकार में बनी रहती। यह पुनर्गठन (reshaping) समझने की कुंजी साबित हुआ कि नया प्रकाश कैसे उत्पन्न किया गया।
शोधकर्ताओं ने नियॉन गैस द्वारा उत्पन्न प्रकाश के रंग को अत्यधिक सटीकता के साथ मापा, और यह देखा कि लेजर पल्स की ऊर्जा और गैस के दबाव को बदलने पर रंग कैसे बदलता है। उन्होंने पाया कि उत्पन्न प्रकाश का रंग नाटकीय रूप रूप से बदल सकता है, जो रंगों के स्पेक्ट्रम में दो अलग-अलग चरणों से अधिक की सीमा को कवर करता है। यह बदलाव यादृच्छिक नहीं था; यह समय का एक सीधा मानचित्र था। क्योंकि लेजर पल्स गैस से गुजरते समय उसे बदल देता है, इसलिए नया प्रकाश बनाने के लिए स्थितियाँ पल्स के भीतर एक बहुत ही संक्षिप्त क्षण के लिए ही आदर्श होती हैं। यदि लेजर ऊर्जा कम है या गैस विरल है, तो यह आदर्श क्षण पल्स के अंत में होता है, जिससे एक विशिष्ट रंग प्राप्त होता है। यदि शोधकर्ता ऊर्जा या गैस का दबाव बढ़ाते हैं, तो प्लाज्मा बीम को अधिक तेज़ी से नया आकार देता है, जिससे वह आदर्श क्षण पल्स के शुरुआती हिस्से में होता है, जिसके परिणामस्वरूप एक अलग रंग मिलता है। इन रंग परिवर्तनों को ट्रैक करके, टीम प्रभावी रूप से प्रकाश उत्पादन के समय के बदलाव को वास्तविक समय में देख सकी।
इन अवलोकनों को समझने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया जिसने गैस के माध्यम से प्रकाश की यात्रा का अनुकरण किया। उन्होंने पाया कि इन प्रयोगों का वर्णन करने का मानक तरीका, जो यह मानता है कि लेजर बीम एक पूर्ण, अपरिवर्तनीय आकार में रहती है, उनके परिणामों की व्याख्या नहीं कर सकता था। वह पारंपरिक दृष्टिकोण भविष्यवाणी करता था कि प्रकाश उत्पादन कुछ स्थितियों के तहत पूरी तरह से काम करना बंद कर देगा, या रंग अलग दिशा में शिफ्ट होंगे जैसा कि उन्होंने देखा। एकमात्र तरीका जिससे प्रायोगिक डेटा से मेल खाया जा सका, वह था प्लाज्मा द्वारा बीम को पुनर्गठित करने के प्रभाव को शामिल करना। मॉडल ने दिखाया कि प्लाज्मा एक लेंस की तरह कार्य करता है जो पल्स के चलते समय फोकस बदलता है, जिससे प्रकाश की तीव्रता और आकार बदल जाता है और इस तरह प्रकाश का उत्पादन जीवित और कुशल बना रहता है। इस पुनर्गठन ने प्रकाश को उन समयों और तीव्रताओं पर उत्पन्न होने की अनुमति दी जहाँ अन्यथा यह असंभव होता, जिससे इन प्रकाश स्रोतों को अनुकूलित करने के नियमों को प्रभावी रूप से फिर से लिखा गया।
अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि इन नए, उच्च-गति वाले लेजर सिस्टमों के लिए, प्रकाश और गैस के बीच की परस्पर क्रिया पहले की तुलना में कहीं अधिक जटिल है। प्लाज्मा केवल एक निष्क्रिय माध्यम के रूप में वहां नहीं बैठा है; यह सक्रिय रूप से ड्राइविंग लेजर बीम को तराशता (sculpts) है, और यह तराशना ही यह निर्धारित करने वाला प्रमुख कारक है कि कब और किस प्रकार का प्रकाश उत्पन्न होगा। यह खोज उन लोगों के लिए महत्वपूर्ण है जो सेमीकंडक्टर निर्माण जैसे उन्नत अनुप्रयोगों के लिए कॉम्पैक्ट, उच्च-पुनरावृत्ति-दर वाले प्रकाश स्रोत बनाने का प्रयास कर रहे हैं। यह सुझाव देता है कि सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए, इंजीनियर केवल पुराने सूत्रों पर भरोसा नहीं कर सकते जो एक स्थिर, अपरिवर्तनीय बीम मानकर चलते हैं। इसके बजाय, उन्हें इस तथ्य को ध्यान में रखना होगा कि बीम अपनी यात्रा के दौरान लगातार अपना आकार बदल रही है। इस पुनर्गठन को समझकर और इसका लाभ उठाकर, वैज्ञानिक अपने उपकरणों को सटीक, अल्ट्रा-ब्रॉडबैंड फ्लैश उत्पन्न करने के लिए बेहतर ढंग से ट्यून कर सकते हैं जिनकी आवश्यकता अगली पीढ़ी के वैज्ञानिक और औद्योगिक उपकरणों के लिए है।
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