Compact Fully Integrated Alignment-Free and Linearly Polarized Ho Single-Frequency Waveguide Laser
यह शोध पत्र पहले पूर्णतः एकीकृत, अलाइनमेंट-मुक्त और रैखिक रूप से ध्रुवीकृत Ho-डोपेड फ्लोराइड ग्लास वेवगाइड लेजर की रिपोर्ट करता है, जिसमें एक फेम्टोसेकंड-इनस्क्राइब की गई कैविटी है जो 2062.21 nm पर 5 MHz से कम की लाइनविड्थ के साथ स्थिर सिंगल-फ्रीक्वेंसी ऑपरेशन प्राप्त करती है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
प्रकाश को अक्सर एक सरल उपकरण के रूप में देखा जाता है, एक ऐसी किरण जो सूचना ले जाती है या सामग्री को काटती है। लेकिन सबसे सटीक वैज्ञानिक कार्य के लिए, अंतरिक्ष-समय की सबसे हल्की लहरों को सुनने से लेकर दुनिया भर में डेटा भेजने तक, प्रकाश को एक पूर्णतः स्थिर, एकल स्वर होना चाहिए। वैज्ञानिक इसे सिंगल-फ्रीक्वेंसी लेजर कहते हैं। एक टॉर्च के अराजक रंगों के मिश्रण के विपरीत, यह प्रकाश एक सटीक पिच पर कंपन करता है, और स्थिर एवं अपरिवर्तनीय रहता है। दशकों तक, ऐसी शुद्ध किरण बनाना भारी उपकरणों, नाजुक दर्पणों और जटिल सेटअप की आवश्यकता थी जिन्हें सूक्ष्म सटीकता के साथ हाथ से संरेखित (align) करना पड़ता था। यदि मेज हिलती या तापमान बदलता, तो संरेखण विफल हो जाता, और प्रकाश बेकार हो जाता। चुनौती इस नाजुक मशीनरी को एक छोटे, मजबूत पैकेज में सिकोड़ने की थी जो निरंतर समायोजन के बिना वास्तविक दुनिया में जीवित रह सके, विशेष रूप से प्रकाश के एक विशिष्ट रेंज के लिए जिसे मिड-इन्फ्रारेड कहा जाता है, जो रसायनों को पहचानने और सुरक्षित संचार के लिए महत्वपूर्ण है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस प्रकार का पहला पूरी तरह से एकीकृत लेजर बनाया है जो इस कठिन इन्फ्रारेड रेंज में काम करता है और जिसे किसी मैनुअल संरेखण की आवश्यकता नहीं है। उन्होंने एक छोटा सा चिप बनाया, जो एक सेंटीमीटर से थोड़ा अधिक लंबा है, जो एक पूर्ण लेजर फैक्ट्री के रूप में कार्य करता है। इस चिप के भीतर, उन्होंने प्रकाश के यात्रा करने के लिए एक पथ उकेरा और फिर कांच के भीतर ही सूक्ष्म खांचे (grooves) बनाए। ये खांचे एक दर्पण की तरह कार्य करते हैं, जो प्रकाश को कैद करते हैं और उसे एक एकल, शुद्ध आवृत्ति पर कंपन करने के लिए मजबूर करते हैं। पूरा उपकरण एक विशेष प्रकार के कांच से बना है जिसमें होल्मियम (holmium) मिलाया गया है, जो एक दुर्लभ तत्व है जो ऊर्जा मिलने पर चमकता है। प्रकाश के पथ और दर्पणों को सीधे कांच के भीतर लिखने के लिए एक शक्तिशाली, अल्ट्राफास्ट लेजर का उपयोग करके, टीम ने अलग-अलग घटकों की आवश्यकता को समाप्त कर दिया। परिणाम स्वरूप, यह उपकरण न केवल अविश्वसनीय रूप से छोटा है, बल्कि उल्लेखनीय रूप से स्थिर भी है, जो प्रकाश की एक स्थिर किरण उत्पन्न करता है जिसे सीधे एक मानक फाइबर ऑप्टिक केबल में भेजा जा सकता है।
यह यात्रा फ्लोराइड ग्लास के एक ब्लॉक के साथ शुरू हुई, जिसे इस कार्य के लिए आवश्यक विशिष्ट इन्फ्रारेड तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर प्रकाश ले जाने की क्षमता के कारण चुना गया था। शोधकर्ताओं ने ग्लास को संशोधित करने के लिए एक फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग किया, जो एक ऐसा उपकरण है जो इतने छोटे पल्स फायर करता है कि वे एक क्वाड्रिलियनवें सेकंड के हिस्से के लिए होते हैं। उन्होंने केवल एक सुरंग नहीं खोदी; उन्होंने सामग्री के भीतर एक जटिल संरचना बनाई। सबसे पहले, उन्होंने कांच के भीतर गहराई तक लेजर को केंद्रित करके एक वेवगाइड (waveguide) लिखा, जो प्रकाश को निर्देशित करने वाला एक चैनल है। फिर, नमूने को हिलाए बिना या उपकरणों को पुन: संरेखित किए बिना, उन्होंने एक वेवगाइड ब्रैग ग्रेटिंग (waveguide Bragg grating) अंकित किया। यह कांच में आवधिक परिवर्तनों की एक श्रृंखला है जो प्रकाश के एक विशिष्ट रंग के लिए दर्पण के रूप में कार्य करती है। टीम ने इन दर्पणों को अलग-अलग गहराई और लंबाई पर बनाया ताकि यह परीक्षण किया जा सके कि वे कितनी अच्छी तरह काम करते हैं, और अंततः एक ऐसा डिज़ाइन चुना जिसने 2062.21 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश को परावर्तित किया।
इस संरचना को लेजर में बदलने के लिए, शोधकर्ताओं ने चिप के एक छोर को एक फाइबर ऑप्टिक केबल से जोड़ा जो कांच को चमकाने के लिए आवश्यक शक्ति प्रदान करती थी। दूसरे छोर पर, उन्होंने एक अत्यधिक परावर्तक दर्पण लगाया। इस सेटअप ने एक कैविटी (cavity) बनाई, एक छोटा कमरा जहाँ प्रकाश बार-बार टकराकर वापस आ सकता था। कांच के भीतर वेवगाइड ब्रैग ग्रेटिंग ने दूसरे दर्पण के रूप में कार्य किया, जिससे पर्याप्त प्रकाश बाहर निकल सका और एक बीम बन सकी। जब उन्होंने सिस्टम में ऊर्जा पंप की, तो लेजर तुरंत काम करने लगा। इसने 2062.21 नैनोमीटर पर एक एकल, स्थिर प्रकाश किरण उत्पन्न की। बीम इतनी शुद्ध थी कि इसकी चौड़ाई (width), जो आवृत्ति के परिवर्तन का माप है, 5 मिलियन साइकिल प्रति सेकंड से भी कम थी। इस तरह की स्थिरता इतने छोटे उपकरण के लिए दुर्लभ है।
सबसे आश्चर्यजनक खोजों में से एक प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) का व्यवहार था। प्रकाश तरंगें अलग-अलग दिशाओं में कंपन कर सकती हैं, और कई लेजर प्रणालियों में, यह दिशा यादृच्छिक होती है या इसे नियंत्रित करना कठिन होता है। इस नए उपकरण में, प्रकाश एक एकल, सीधी रेखा में कंपन करते हुए बाहर निकला। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस कंपन की दिशा इस बात पर निर्भर करती थी कि आंतरिक संरचना कैसे बनाई गई थी। जब उन्होंने बिना आंतरिक दर्पणों वाले इसी तरह के चिप का परीक्षण किया, तो प्रकाश एक अलग दिशा में कंपन कर रहा था। कांच के भीतर दर्पण लिखने की प्रक्रिया ने प्रकाश के चलने के तरीके को बदल दिया, जिससे वह एक विशिष्ट दिशा में संरेखित होने के लिए मजबूर हुआ। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि लेजर लेखन प्रक्रिया द्वारा बनाई गई सूक्ष्म संरचनाएं अलग-अलग दिशाओं में कंपन करने वाले प्रकाश के साथ अलग तरह से परस्पर क्रिया करती थीं, जिससे अनचाहे ओरिएंटेशन प्रभावी रूप से फिल्टर हो गए।
टीम ने उपकरण को मजबूत बनाने में काफी समय बिताया। उन्होंने बिना किसी विशेष तापमान नियंत्रण या सक्रिय कूलिंग के, एक सामान्य प्रयोगशाला वातावरण में पंद्रह घंटों से अधिक समय तक लेजर चलाया। बदलती परिस्थितियों के बावजूद, लेजर के रंग में केवल बहुत मामूली बदलाव आया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि उपकरण यांत्रिक और तापीय रूप से स्थिर है। संपूर्ण लेजर कैविटी केवल 12.4 मिलीमीटर लंबी थी, जो पारंपरिक सेटअप के एक अंश के बराबर है। चूंकि दर्पण और प्रकाश का पथ सभी कांच के एक ही टुकड़े में लिखे गए हैं, इसलिए इसमें कोई भी ढीले हिस्से नहीं हैं जो हिल सकें या गलत संरेखित हो सकें। प्रकाश चिप से बाहर निकलता है और उच्च दक्षता के साथ एक मानक फाइबर ऑप्टिक केबल में प्रवेश करता है, जो वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए तैयार है।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि जटिल, उच्च-प्रदर्शन वाले ऑप्टिकल सिस्टम को सीधे कांच के एक ठोस टुकड़े में बनाना संभव है। प्रकाश स्रोत, दर्पणों और आउटपुट कप्लर को एक ही मोनोलिथिक संरचना में एकीकृत करके, शोधकर्ताओं ने उस नाजुक संरेखण की आवश्यकता को समाप्त कर दिया है जिसने लंबे समय से लेजर तकनीक को प्रभावित किया है। यह उपकरण मिड-इन्फ्रारेड रेंज में एक स्थिर, सिंगल-फ्रीक्वेंसी बीम उत्पन्न करता है, जो स्पेक्ट्रम का एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ पहुँचना कठिन है लेकिन उन्नत सेंसिंग और संचार के लिए आवश्यक है। एक कॉम्पैक्ट, अलाइनमेंट-मुक्त पैकेज में ऐसे लेजर बनाने की क्षमता इन शक्तिशाली उपकरणों को पोर्टेबल उपकरणों में तैनात करने की ओर संकेत करती है, जिससे वे प्रयोगशाला के नियंत्रित वातावरण से निकलकर क्षेत्र (field) में पहुँच सकें। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि कांच को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, वे प्रकाश को उस सटीकता के साथ नियंत्रित कर सकते हैं जो पहले इतने छोटे स्थान में असंभव थी।
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