Ultra-sensitive Chalcogenide-based Photonic Crystal Fiber Sensor Enhanced by Optofluidic Reconfiguration and Engineered Dispersion for Broadband Supercontinuum Generation and Multi-functional Environmental Detection

प्रकाश कांच के रेशों (फाइबर्स) के माध्यम से उल्लेखनीय दक्षता के साथ यात्रा करता है, एक ऐसा सिद्धांत जिसने दशकों से वैश्विक इंटरनेट को आधार प्रदान किया है। फिर भी, वैज्ञानिक लंबे समय से इन रेशों को केवल डेटा ट्रांसमिशन से आगे ले जाने के लिए प्रयासरत रहे हैं, ताकि उन्हें ऐसे उपकरणों में बदला जा सके जो केवल संकेतों को ले जाने से कहीं अधिक कर सकें। कांच के भीतर एक सटीक पैटर्न में सूक्ष्म छिद्रों को व्यवस्थित करके, शोधकर्ता फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर बना सकते हैं, ऐसी संरचनाएं जो प्रकाश को उन तरीकों से निर्देशित करती हैं जो पारंपरिक कांच नहीं कर सकता। ये रेशे प्रकाश के समय और रंग में फैलने के तरीके, जिसे 'डिस्पर्शन' (विक्षेपण) कहा जाता है, के हेरफेर की अनुमति देते हैं। जब इन्हें उन सामग्रियों के साथ जोड़ा जाता है जो प्रकाश के प्रति तीव्रता से प्रतिक्रिया करती हैं, जैसे कि चाल्कोजेनाइड ग्लास, तो ये रेशे लेजर प्रकाश के एक एकल, छोटे पल्स को निकट-अवरक्त (नियर-इन्फ्रारेड) से मध्य-अवरक्त (मिड-इन्फ्रारेड) तक फैले हुए रंगों के एक शानदार, निरंतर इंद्रधनुष में बदल सकते हैं। यह घटना, जिसे 'सुपरकंटीनम जनरेशन' कहा जाता है, उन्नत इमेजिंग और रासायनिक विश्लेषण के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। साथ ही, इन्हीं रेशों को अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील डिटेक्टर के रूप में इंजीनियर किया जा सकता है, जो वातावरण में सूक्ष्म परिवर्तनों, जैसे कि विशिष्ट रसायनों की उपस्थिति या तापमान में बदलाव को महसूस करने में सक्षम हैं। चुनौती एक ऐसे एकल उपकरण को बनाने की रही है जो इस विस्तृत स्पेक्ट्रम के प्रकाश उत्पन्न करने और उच्च सटीकता के साथ पर्यावरणीय परिवर्तनों का पता लगाने, दोनों में उत्कृष्ट हो।

इस्लामिक आजाद यूनिवर्सिटी काजेरॉन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया डिजाइन प्रस्तावित किया है जो इन दोनों क्षमताओं को एक ही कॉम्पैक्ट फाइबर में समाहित करता है। उनका कार्य, जो हाल ही में किए गए एक अध्ययन में विस्तृत है, एक फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर का वर्णन करता है जो आर्सेनिक सेलेनाइड ग्लास से बना है, जो एक ऐसी सामग्री है जो तीव्र प्रकाश को संभालने और इन्फ्रारेड तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) को प्रसारित करने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है। इसकी संरचना कांच के छिद्रों के एक वर्गाकार ग्रिड के इर्द-गिर्द बनाई गई है, लेकिन इसमें दो महत्वपूर्ण चीजें जोड़ी गई हैं जो इसे अलग बनाती हैं। पहला, फाइबर के बिल्कुल केंद्र में एक एकल स्वर्ण नैनोकण (गोल्ड नैनोपार्टिकल) है, धातु का एक ऐसा कण जो इतना छोटा है कि इसे माइक्रोमीटर के अंशों में मापा जाता है। दूसरा, केंद्रीय कोर के चारों ओर छिद्रों की एक रिंग को एक तरल पदार्थ से भरा गया है, जिससे फाइबर के आंतरिक गुणों को वास्तविक समय में समायोजित किया जा सकता है। ठोस कांच के कोर, धात्विक केंद्र और तरल से भरी रिंग का यह संयोजन एक अनूठा वातावरण बनाता है जहाँ प्रकाश पदार्थ के साथ शक्तिशाली तरीकों से अंतःक्रिया करता है।

शोधकर्ताओं ने उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह मॉडल करने के लिए किया कि इस फाइबर के भीतर प्रकाश कैसे व्यवहार करेगा। उन्होंने पाया कि संरचना की दूसरी परत में वायु छिद्रों के आकार को सावधानीपूर्वक निर्धारित करके, वे फाइबर को इस तरह ट्यून कर सकते हैं कि 1.80 माइक्रोमीटर की एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश बहुत तेजी से या बहुत धीरे बिना फैले यात्रा कर सके। सुपरकंटीनम उत्पन्न करने के लिए यह सटीक नियंत्रण आवश्यक है। जब उन्होंने इस तरंग दैर्ध्य पर इस फाइबर में लेजर प्रकाश का एक छोटा, तीव्र पल्स भेजने का सिमुलेशन किया, तो प्रकाश केवल इसके माध्यम से प्रवाहित नहीं हुआ; बल्कि यह रंगों के एक विस्तृत स्पेक्ट्रम में विस्फोट कर गया। सिमुलेशन ने दिखाया कि आउटपुट प्रकाश 1.2 से 3.0 माइक्रोमीटर की सीमा को कवर करता है, जो कई प्रकार के स्पेक्ट्रोस्कोपिक विश्लेषण के लिए उपयोगी व्यापक विस्तार है। यह विस्तार इसलिए हुआ क्योंकि कांच की सामग्री स्वयं अत्यधिक 'नॉनलीनियर' (गैर-रेखीय) है, जिसका अर्थ है कि यह गुजरने वाले प्रकाश के प्रति दृढ़ता से प्रतिक्रिया करती है, और छोटे कोर के भीतर प्रकाश के कड़े घेरे ने इस प्रभाव को और बढ़ा दिया।

प्रकाश उत्पन्न करने के अलावा, यह फाइबर एक असाधारण संवेदनशील डिटेक्टर साबित हुआ। केंद्र में मौजूद स्वर्ण नैनोकण प्रकाश के लिए एक फोकल पॉइंट के रूप में कार्य करता है, जो विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का एक केंद्रित क्षेत्र बनाता है जिसे 'प्लाज्मोनिक हॉटस्पॉट' कहा जाता है। जब आसपास की रिंग में मौजूद तरल अपने गुणों को बदलता है—तापमान, दबाव में बदलाव या किसी रसायन की उपस्थिति के कारण—तो फाइबर के माध्यम से प्रकाश के यात्रा करने का तरीका स्पष्ट रूप से बदल जाता है। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि यह डिजाइन अपवर्तनांक (रिफ्रैक्टिव इंडेक्स) में परिवर्तन को, जो कि एक पदार्थ द्वारा प्रकाश को मोड़ने की माप है, लगभग 3000 नैनोमीटर प्रति इकाई अपवर्तनांक परिवर्तन की संवेदनशीलता के साथ पहचान सकता है। संवेदनशीलता का यह स्तर कई मौजूदा डिजाइनों की तुलना में काफी अधिक है, जिससे सेंसर सूक्ष्म पर्यावरणीय विविधताओं का पता लगाने में सक्षम होता है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि फाइबर तापमान और रासायनिक संरचना सहित कई कारकों के प्रति एक साथ प्रतिक्रिया कर सकता है, जो एक बहु-पैरामीटर सेंसर के रूप में इसकी क्षमता की पुष्टि करता है।

यह अध्ययन डिजाइन में एक नाजुक संतुलन को रेखांकित करता है। स्वर्ण नैनोकण का आकार और तरल का अपवर्तनांक दोनों ही इस बात को प्रभावित करते हैं कि प्रकाश कैसे व्यवहार करेगा। यदि नैनोकण को थोड़ा बड़ा बनाया जाता है, तो प्लाज्मोिक प्रभाव मजबूत होता है, जो सेंसिंग के लिए अच्छा है, लेकिन यह सुपरकंटीनम द्वारा उत्पन्न रंगों की रेंज को भी बदल सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि तरल के गुणों को समायोजित करके, वे इन बदलावों की भरपाई कर सकते हैं, जिससे एक विस्तृत स्पेक्ट्रम बनाए रखते हुए सेंसर को अत्यधिक प्रतिक्रियाशील रखा जा सके। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि इन परिणामों को प्राप्त करने के लिए केवल 10 से 15 मिलीमीटर की फाइबर लंबाई पर्याप्त होगी, जो डिवाइस को वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए कॉम्पैक्ट और व्यावहारिक बनाती है।

यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि अभी तक एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया गया है; परिणाम पूरी तरह से कठोर संख्यात्मक सिमुलेशन (न्यूमेरिकल सिमुलेशन) पर आधारित हैं। हालांकि, निष्कर्ष नए प्रकार के फोटोनिक उपकरणों के निर्माण के लिए एक स्पष्ट मार्ग सुझाते हैं। एक चाल्कोजेनाइड ग्लास फाइबर में स्वर्ण नैनोकण और तरल से भरी रिंग को एकीकृत करके, शोधकर्ताओं ने एक सैद्धांतिक मंच प्रदर्शित किया है जो एक विस्तृत प्रकाश स्पेक्ट्रम उत्पन्न कर सकता है और साथ ही एक अत्यधिक संवेदनशील पर्यावरणीय मॉनिटर के रूप में कार्य कर सकता है। ऐसे उपकरण का उपयोग अंततः पर्यावरणीय निगरानी और रासायनिक सुरक्षा से लेकर बायोमेडिकल डायग्नोस्टिक्स जैसे क्षेत्रों में किया जा सकता है, जहाँ एक नमूने को विस्तृत स्पेक्ट्रम के प्रकाश से रोशन करने और उसके रासायनिक हस्ताक्षर को अत्यधिक सटीकता के साथ पहचानने की क्षमता अमूल्य है। यह अध्ययन स्थापित करता है कि एक ही फाइबर की ज्यामिति और सामग्रियों को इंजीनियर करके, उस स्तर की बहु-कार्यात्मकता प्राप्त करना संभव है जो पहले एक एकीकृत प्रणाली में कठिन था।