Optical parametric amplification of spatiotemporal optical vortices

प्रकाश केवल एक कमरे को रोशन करने वाली किरण मात्र नहीं है; यह तरंगों का एक जटिल ताना-बाना है जिसे जटिल आकृतियों में बुना जा सकता है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने अंतरिक्ष में प्रकाश को गढ़ना सीखा है, इसे सर्पिल (स्पाइरल) में मोड़ना या इसे तंग छल्लों में केंद्रित करना, जिससे 'ऑप्टिकल वोर्टिसेस' (वोर्टेक्स) के रूप में जानी जाने वाली संरचनाएं बनती हैं। ये संरचनाएं 'ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम' नामक एक अद्वितीय गुण धारण करती हैं, जो उन्हें साधारण प्रकाश की तुलना में अलग तरीके से घूमने और पदार्थ के साथ अंतःक्रिया करने की अनुमति देती है। हाल ही में, शोधकर्ताओं ने खोजा कि वे प्रकाश को समय में भी मोड़ सकते हैं, जिससे बीम का एक नया वर्ग बनता है जहाँ पल्स का आकार आगे बढ़ने के साथ बदलता रहता है। जब इन स्थानिक (स्पेशियल) और कालिक (टेम्पोरल) घुमावों को मिलाया जाता है, तो वे 'स्पैटियोटेम्पोरल ऑप्टिकल वोर्टिसेस' कहलाते हैं। ये केवल स्थिर पैटर्न नहीं हैं बल्कि गतिशील, त्रि-आयामी संरचनाएं हैं जहाँ प्रकाश का चरण (फेज) अंतरिक्ष और समय दोनों में एक साथ सर्पिल रूप में घूमता है। हालाँकि वैज्ञानिक इन नाजुक संरचनाओं को बनाना सीख गए हैं, लेकिन एक बड़ी बाधा बनी हुई है: वे अविश्वसनीय रूप से नाजुक हैं और केवल निम्न ऊर्जा स्तरों पर अस्तित्व में रहती हैं। यदि कोई मानक तरीकों का उपयोग करके उन्हें अधिक चमकीला या शक्तिशाली बनाने की कोशिश करता है, तो जटिल आकार आमतौर पर ढह जाता है, ठीक वैसे ही जैसे साबुन के बुलबुले को बिना फोड़े उसे बड़ा करने की कोशिश करना। इस सीमा ने इन आकर्षक बीमों को उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों, जैसे कि अत्यधिक सटीकता के साथ सामग्रियों को काटने या इलेक्ट्रॉनों की तीव्र गति की जांच करने, से दूर रखा है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल कर लिया है और यह प्रदर्शित किया है कि इन नाजुक प्रकाश संरचनाओं के आकार को नष्ट किए बिना उन्हें कैसे प्रवर्धित (एम्प्लीफाई) किया जा सकता है। उन्होंने 'ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्प्लीफिकेशन' नामक एक प्रक्रिया का उपयोग किया, जो एक अत्यधिक चयनात्मक ऊर्जा बूस्टर की तरह कार्य करती है। बीम में अधिक प्रकाश जोड़ने के बजाय, जो नाजुक पैटर्न को अस्त-व्यस्त कर सकता है, उन्होंने एक शक्तिशाली 'पंप बीम' का उपयोग किया ताकि कमजोर, संरचित बीम में ऊर्जा स्थानांतरित की जा सके। परिणाम स्वरूप शक्ति में नाटकीय वृद्धि हुई। शोधकर्ताओं ने प्रकाश का एक बहुत ही मंद पल्स लिया, जिसे एक वोर्टेक्स के रूप में आकार दिया गया था, और उसे एक विशेष क्रिस्टल के माध्यम से एक मजबूत पंप बीम के साथ गुजारा। क्रिस्टल ने एक सेतु के रूप में कार्य किया, जिससे पंप कमजोर पल्स में ऊर्जा प्रवाहित कर सका। उनके प्रयोग में, संरचित प्रकाश पल्स की ऊर्जा में साठ गुना वृद्धि हुई, फिर भी जटिल सर्पिल आकार पूरी तरह से बरकरार रहा। पल्स क्रिस्टल से उसी जटिल संरचना के साथ बाहर निकला जो उसके प्रवेश के समय थी, जिससे यह सिद्ध हुआ कि ये नाजुक रूप उच्च तीव्रता तक की यात्रा में जीवित रह सकते हैं।

प्रयोग ने केवल प्रकाश को अधिक चमकीला ही नहीं बनाया; इसने यह भी प्रकट किया कि ये संरचनाएं अन्य प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करते समय कैसे व्यवहार करती हैं। जब पंप बीम ने मूल पल्स को ऊर्जा स्थानांतरित की, तो उसने एक अलग रंग की प्रकाश की एक नई बीम भी बनाई, जिसे 'इडलर' कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह नई बीम केवल मूल आकार की नकल नहीं करती है। इसके बजाय, इसने संरचना का एक दर्पण-छवि वाला संस्करण विरासत में प्राप्त किया। यदि मूल पल्स घड़ी की दिशा (क्लॉकवाइज) में घूम रहा था, तो नई बीम घड़ी की विपरीत दिशा (एंटी-क्लॉकवाइज) में घूमी। 'फेज कंजुगेशन' के रूप में ज्ञात यह घटना इसलिए हुई क्योंकि भौतिकी के सख्त नियम यह नियंत्रित करते हैं कि ऊर्जा और संवेग बीमों के बीच कैसे साझा किए जाते हैं। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि सिस्टम का कुल "घुमाव" (ट्विस्ट) संरक्षित था, जिसमें नई बीम समीकरण को संतुलित करने के लिए विपरीत घुमाव ले जा रही थी। यह खोज दर्शाती है कि प्रवर्धन प्रक्रिया केवल एक साधारण बूस्ट नहीं है बल्कि एक परिष्कृत सूचना हस्तांतरण है, जो विभिन्न रंगों में नई, संरचित प्रकाश बीम बनाने में सक्षम है जबकि उनके मौलिक टोपोलॉजी को सुरक्षित रखती है।

इन उच्च-ऊर्जा, संरचित बीमों को उत्पन्न करने की क्षमता संभावनाओं की एक नई श्रेणी के द्वार खोलती है। चूंकि प्रवर्धन प्रक्रिया को दृश्य स्पेक्ट्रम से लेकर निकट-अवरक्त (नियर-इन्फ्रारेड) तक विभिन्न रंगों में ट्यून किया जा सकता है, इसलिए वैज्ञानिक अब उन तरंग दैर्ध्यों में शक्तिशाली, संरचित बीम बना सकते हैं जो पहले दुर्गम थे। शोधकर्ताओं ने सफेद प्रकाश के विस्तृत स्पेक्ट्रम से एक 'सीड बीम' चुनकर और एक शक्तिशाली, संरचित पल्स के साथ समाप्त करके इसे प्रदर्शित किया। यह लचीलापन यह सुनिश्चित करता है कि भविष्य में, इन बीमों का उपयोग चरम प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रियाओं को संचालित करने के लिए किया जा सकता है, जैसे कि विकिरण के नए रूपों को उत्पन्न करना या अविश्वसनीय रूप से कम समय के पैमाने पर इलेक्ट्रॉनों की गति का अध्ययन करना। यह कार्य स्थापित करता है कि स्पैटियोटेम्पोरल वोर्टिसेस की नाजुक वास्तुकला इतनी मजबूत है कि इसे बढ़ाया जा सकता है, जिससे वे एक प्रयोगशाला की जिज्ञासा से एक व्यावहारिक उपकरण में बदल जाते हैं। यह सिद्ध करके कि इन संरचनाओं को उनके आकार को खोए बिना प्रवर्धित और नए रंगों में परिवर्तित किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने संरचित प्रकाश की सटीक, निम्न-ऊर्जा दुनिया और उन्नत वैज्ञानिक अन्वेषण के लिए आवश्यक उच्च-तीव्रता वाले क्षेत्र के बीच एक महत्वपूर्ण सेतु प्रदान किया है।