Ultra-High Sensitivity Terahertz Dual-Parameter Sensing Based on Eccentric-Core Photonic Crystal Fiber

सेंसिंग की दुनिया में, जहाँ वैज्ञानिक रसायनों के सूक्ष्म अंशों या जैविक परिवर्तनों का पता लगाने की कोशिश करते हैं, एक निरंतर समस्या लंबे समय से शोधकर्ताओं को परेशान कर रही है: एक साथ दो चीजों को मापने में असमर्थता, बिना एक-दूसरे में हस्तक्षेप किए। कल्पना कीजिए कि आप एक पंख को तौलने की कोशिश कर रहे हैं जबकि एक हल्की हवा तराजू के ऊपर से बह रही है; हवा (तापमान) रीडिंग को बदल देती है, जिससे पंख के वास्तविक वजन (सांद्रता) को जानना असंभव हो जाता है। यह "क्रॉस-सेंसिटिविटी" (परस्पर संवेदनशीलता) चिकित्सा निदान और पर्यावरणीय निगरानी जैसे क्षेत्रों में एक बड़ी बाधा है, जहाँ तापमान में बदलाव उन संकेतों को छिपा सकता है जिन्हें वैज्ञानिक खोजने की कोशिश कर रहे हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक विशेष प्रकार के ग्लास फाइबर की ओर रुख किया है जो प्रकाश के लिए एक सूक्ष्म राजमार्ग की तरह कार्य करता है। साधारण फाइबर जो केवल संकेतों को ले जाते हैं, उनके विपरीत, ये इंजीनियर किए गए धागे इस तरह से प्रकाश को फंसाने के लिए डिज़ाइन किए जा सकते हैं कि वे बाहरी दुनिया के साथ अंतःक्रिया कर सकें। एक ही धागे के भीतर विभिन्न भौतिक प्रभावों को जोड़कर, वैज्ञानिक ऐसी सेंसर बनाने की उम्मीद करते हैं जो तापमान और रासायनिक सांद्रता के बीच अंतर कर सके, जिससे पर्यावरण की अधिक स्पष्ट और विश्वसनीय तस्वीर मिल सके।

नानजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ पोस्ट्स एंड टेलीकम्युनिकेशंस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है जो टेराहर्ट्ज़ इलेक्ट्रोमैग्नेटिक स्पेक्ट्रम रेंज में काम करने वाले एक अद्वितीय प्रकार के फाइबर का उपयोग करके इस चुनौती से निपटता है। स्पेक्ट्रम का यह हिस्सा, जो माइक्रोवेव और इन्फ्रारेड प्रकाश के बीच स्थित है, का एक विशिष्ट लाभ है: इसकी तरंगें इतनी लंबी होती हैं कि वे पदार्थों में गहराई तक प्रवेश कर सकती हैं, जो दर्जनों माइक्रोमीटर तक पहुँच सकती हैं। यह गहराई प्रोटीन या बैक्टीरिया जैसी बड़ी जैविक संरचनाओं का पता लगाने के लिए महत्वपूर्ण है, जो अक्सर पारंपरिक इन्फ्रारेड तकनीक द्वारा उपयोग किए जाने वाले उथले सेंसरों के लिए बहुत बड़ी होती हैं। शोधकर्ताओं का समाधान एक ऐसे फाइबर का उपयोग करना है जिसमें "एक्सेन्ट्रिक कोर" (विषम केंद्र) होता है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश ले जाने वाला केंद्रीय चैनल पूरी तरह से केंद्र में नहीं है बल्कि एक तरफ स्थानांतरित है। यह विषमता इस उपकरण के दोहरे कार्य की कुंजी है। फाइबर की बाहरी सतह पर मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड नामक सामग्री की एक पतली परत लगाई गई है, जो आसपास के तरल के अपवर्तनांक (रिफ्रैक्टिव इंडेक्स) के प्रति संवेदनशील रेजोनेंस प्रभाव पैदा करने के लिए प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करती है। अपवर्तनांक यह मापता है कि कोई पदार्थ प्रकाश को कितना मोड़ता है, जो इसमें घुले हुए पदार्थ के आधार पर बदल जाता है।

तापमान को रासायनिक रीडिंग के साथ भ्रमित किए बिना मापने के लिए, शोधकर्ताओं ने फाइबर के केंद्रीय वायु छिद्र को एक विशेष तरल से भरा जो गर्मी के प्रति प्रतिक्रिया करता है। जैसे-जैसे तापमान बदलता है, इस तरल के गुण बदलते हैं, जिससे फाइबर के माध्यम से यात्रा करने वाला प्रकाश बाहरी कोटिंग की तुलना में अलग तरीके से तरल के साथ युग्मित (कपल) होता है। यह एक ही धागे के भीतर दो अलग-अलग सेंसिंग चैनल बनाता है: एक जो बाहरी कोटिंग के माध्यम से रासायनिक वातावरण को सुनता है, और दूसरा जो आंतरिक तरल के माध्यम से तापमान को सुनता है। क्योंकि ये दोनों तंत्र स्वतंत्र रूप से कार्य करते हैं, सेंसर यह बता सकता है कि रासायनिक सांद्रता में परिवर्तन और तापमान में परिवर्तन के बीच क्या अंतर है, जिससे प्रभावी रूप से उस क्रॉस-सेंसिटिविटी को समाप्त किया जा सकता है जो पुराने उपकरणों को प्रभावित करती है। टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह मॉडल करने के लिए किया कि इस संरचना के भीतर प्रकाश कैसे व्यवहार करता है, जिससे पुष्टि हुई कि दोनों चैनल एक-दूसरे में हस्तक्षेप नहीं करते हैं।

सिमुलेशन से पता चला कि सेंसर उल्लेखनीय सटीकता के साथ प्रदर्शन करता है। तरल के अपवर्तनांक में परिवर्तन के परीक्षण के दौरान, डिवाइस ने प्रति इकाई अपवर्तनांक के लिए 1080.0 माइक्रोमीटर तक की संवेदनशीलता दिखाई। इस उच्च संवेदनशीलता का अर्थ है कि नमूने की रासायनिक संरचना में मामूली सा बदलाव भी प्रकाश के व्यवहार में महत्वपूर्ण बदलाव लाता है, जिससे इसे पहचानना आसान हो जाता है। रासायनिक पहचान से उत्पन्न सिग्नल तीक्ष्ण था, जिसकी चौड़ाई कम थी, जो स्पष्ट और विशिष्ट रीडिंग की अनुमति देता है। तापमान के लिए, सेंसर समान रूप से प्रभावी साबित हुआ, जिसने माइनस 20 से 40 डिग्री सेल्सियस के रेंज में 0.85 प्रति डिग्री की संवेदनशीलता के साथ परिवर्तन का पता लगाया। तापमान सिग्नल और भी तीक्ष्ण था, जिसकी चौड़ाई यह सुनिश्चित करती है कि तापमान के उतार-चढ़ाव को उच्च रिज़ॉल्यूशन के साथ मापा जा सके। ये परिणाम बताते हैं कि यह उपकरण सैद्धांतिक रूप से दर्जनों माइक्रोमीटर की पैठ गहराई प्राप्त कर सकता है, जो पारंपरिक सेंसरों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है जो लगभग 100 नैनोमीटर की गहराई तक सीमित होते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि यदि निर्माण प्रक्रिया पूर्ण नहीं है, तो यह डिज़ाइन कितना मजबूत होगा, जो कि ऐसे सूक्ष्म संरचनाओं के निर्माण में एक सामान्य वास्तविकता है। उन्होंने फाइबर के छिद्रों के आकार और कोटिंग की मोटाई में भिन्नता का अनुकरण किया, और पाया कि सेंसर का प्रदर्शन छोटे विचलन के साथ भी स्थिर बना रहा। रेजोनेंस पीक्स, जो उन विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) को दर्शाते हैं जहाँ सेंसिंग होती है, इन स्थितियों के तहत 1.3 प्रतिशत से भी कम विस्थापित हुए, जिससे पुष्टि हुई कि उपकरण विश्वसनीय और व्यावहारिक है। अपने डिज़ाइन की पिछली स्टडीज से तुलना करते हुए, टीम ने पाया कि उनका सेंसर जटिल गणितीय सुधारों के बिना उच्च संवेदनशीलता, संकीर्ण सिग्नल चौड़ाई और दो मापदंडों को स्वतंत्र रूप से मापने की क्षमता का बेहतर संतुलन प्रदान करता है। एक अपेक्षाकृत सरल संरचना के माध्यम से प्राप्त यह संयोजन, जिसमें पॉलिशिंग या जटिल आंतरिक कोटिंग की आवश्यकता नहीं होती है, एक ऐसे भविष्य की ओर संकेत करता है जहाँ कोशिकीय गतिविधि से लेकर पर्यावरणीय प्रदूषकों तक की निगरानी अधिक सटीकता और आसानी से की जा सकती है, जो संभावित रूप से वैज्ञानिकों की निगरानी करने के तरीके को बदल सकता है।