Broadband Control of Light through Complex Media via Automatically Self-Referencing Transmission Matrix Characterisation
यह शोध पत्र स्थानिक अवस्था टोमोग्राफी (spatial state tomography) पर आधारित एक स्वचालित स्व-संदर्भित तकनीक प्रस्तुत करता है जो बाहरी संदर्भों या पुनरावृत्ति एल्गोरिदम के बिना जटिल माध्यमों के सुदृढ़, ब्रॉडबैंड ट्रांसमिशन मैट्रिक्स लक्षण वर्णन को सक्षम बनाता है, जिससे बायोमेडिकल इमेजिंग और ऑप्टिकल संचार के अनुप्रयोगों के लिए उच्च-सटीक प्रकाश नियंत्रण सुगम होता है।
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प्रकाश जब साफ हवा या कांच के माध्यम से चलता है तो वह दुनिया में पूर्वानुमानित तरीकों से यात्रा करता है, लेकिन जब इसका सामना एक अराजक वातावरण से होता है, तो यह बहुत अलग व्यवहार करता है। कल्पना कीजिए कि आप घने कोहरे या फ्रॉस्टेड ग्लास (धुंधले कांच) के माध्यम से टॉर्च की रोशनी डाल रहे हैं; प्रकाश की किरण बिखर जाती है, और चमकीले और अंधेरे धब्बों के एक अव्यवस्थित, यादृच्छिक पैटर्न में टूट जाती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि वह सामग्री नन्हे दोषों से भरी होती है जो प्रकाश को हर दिशा में उछाल देते हैं, जिससे प्रकाश द्वारा ले जा रही जानकारी बिखर जाती है। दशकों से, वैज्ञानिक इस अराजकता को समझने के लिए संघर्ष कर रहे हैं, विशेष रूप से तब जब वे ऐसी अव्यवस्थित सामग्रियों के माध्यम से चित्र या डेटा भेजने का प्रयास करते हैं। इस क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी इस बात को समझने में निहित है कि प्रकाश कैसे प्रवेश करता है और कैसे बाहर निकलता है, इसका एक विशिष्ट मानचित्र। यह मानचित्र, जिसे ट्रांसमिशन मैट्रिक्स कहा जाता है, प्रकाश की यात्रा के लिए एक पूर्ण निर्देश नियमावली की तरह कार्य करता है, जो सटीक रूप से बताता है कि विकार के माध्यम से जाने वाला प्रत्येक संभावित पथ बाहर निकलने वाले प्रत्येक संभावित पथ से कैसे जुड़ता है। यदि शोधकर्ता इस मानचित्र को सटीक रूप से माप सकें, तो वे बिखराव के प्रभाव को उलट सकते हैं, जिससे एक धुंधले दृश्य को फिर से एक स्पष्ट छवि या केंद्रित किरण में बदला जा सकता है, यहाँ तक कि जैविक ऊतकों या उलझे हुए ऑप्टिकल फाइबर जैसी जटिल बाधाओं से गुजरने के बाद भी।
चुनौती हमेशा इस मानचित्र को शोर के बीच खोए बिना मापने की रही है। पारंपरिक तरीकों के लिए एक दूसरे, पूरी तरह से सिंक्रनाइज़ बीम की आवश्यकता होती है जो संदर्भ (रेफरेंस) के रूप में कार्य करे, जो बिखरे हुए प्रकाश की तुलना एक ज्ञात मानक से करके छिपे हुए विवरणों का पता लगा सके। यह उन लेजरों के लिए अच्छा काम करता है जो बहुत स्थिर और सुसंगत (कोहेरेंट) होते हैं, लेकिन यह ब्रॉडबैंड या अल्पकालिक प्रकाश स्रोतों के लिए पूरी तरह विफल हो जाता है, जैसे कि मेडिकल इमेजिंग या हाई-स्पीड संचार में उपयोग किया जाने वाला सफेद प्रकाश। इन मामलों में, संदर्भ बीम बिखरे हुए प्रकाश के साथ तालमेल नहीं बिठा पाती है, जिससे मापन असंभव हो जाता है। इस समस्या को हल करने के अन्य प्रयासों ने जटिल कंप्यूटर एल्गोरिदम के माध्यम से उत्तर का अनुमान लगाने या संदर्भ के रूप में प्रकाश के किसी विशिष्ट भाग को चुनने पर भरोसा किया है, लेकिन इन दृष्टिकोणों से अक्सर ऐसे 'ब्लाइंड स्पॉट' पैदा होते हैं जहाँ प्रकाश इतना कमजोर होता है कि उसे मापा न जा सके, या इसके लिए इतनी अधिक कंप्यूटिंग शक्ति की आवश्यकता होती है कि परिणाम अविश्वसनीय हो जाते हैं।
क्वींसलैंड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस अराजक प्रकाश को मैप करने का एक नया तरीका विकसित किया है जो बिना किसी बाहरी संदर्भ बीम के काम करता है, चाहे प्रकाश स्रोत कितना भी स्थिर या व्यापक क्यों न हो। सिस्टम के बाहर के किसी संदर्भ से तुलना करने के बजाय, उनकी विधि प्रकाश को स्वयं के मार्गदर्शक के रूप में मानती है। उन्होंने 'स्पेशियल-स्टेट टोमोग्राफी' नामक तकनीक का उपयोग किया, जो मूल रूप से प्रकाश को उसके मौलिक निर्माण खंडों में तोड़ देती है और मापती है कि प्रत्येक खंड दूसरे के साथ कैसे हस्तक्षेप करता है। एक फाइबर ऑप्टिक केबल में प्रकाश के विभिन्न पैटर्न को व्यवस्थित रूप से प्रवाहित करके और दूसरे छोर पर परिणामी तीव्रता पैटर्न को रिकॉर्ड करके, वे फाइबर के व्यवहार के पूर्ण मानचित्र को पुनर्गठित करने में सक्षम हुए। यह दृष्टिकोण अद्वितीय है क्योंकि इसे यह अनुमान लगाने की आवश्यकता नहीं है कि संदर्भ के लिए प्रकाश के किस भाग का उपयोग किया जाए; इसके बजाय, यह प्रकाश के संपूर्ण संग्रह को संदर्भों के एक वितरित नेटवर्क के रूप में उपयोग करता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि सिस्टम का कोई भी हिस्सा अनमैप रह न जाए।
शोधकर्ताओं ने इस पद्धति का परीक्षण दो मीटर लंबे मल्टीमोड फाइबर पर किया, जो एक प्रकार का केबल है जो एक साथ सैकड़ों अलग-अलग प्रकाश पथों को ले जा सकता है। उन्होंने पहले यह प्रदर्शित किया कि यह तकनीक स्थिर, एकल-रंग वाले लेजर प्रकाश के लिए पारंपरिक, स्वर्ण-मानक पद्धति के समान ही प्रभावी ढंग से काम करती है, जिससे 420 विशिष्ट चैनलों वाला एक मानचित्र सफलतापूर्वक प्राप्त हुआ। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने दिखाया कि जब उन्होंने ब्रॉडबैंड प्रकाश स्रोतों पर स्विच किया जो वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले कम-सुसंगतता वाले प्रकाश की नकल करते हैं, तब भी यह विधि मजबूत बनी रही। प्रकाश स्रोत के विशिष्ट बैंडविड्थ के अनुरूप अपने मापन को समायोजित करके, वे एक ऐसा कस्टम मानचित्र बनाने में सक्षम थे जो उस विशिष्ट प्रकाश के लिए प्रकाश के नियंत्रण को अनुकूलित करता है। जब उन्होंने फाइबर के दूर छोर पर प्रकाश को आकार देने के लिए इन मानचित्रों का उपयोग किया, तो वे अत्यधिक अव्यवस्थित होने के बावजूद, प्रकाश को तीक्ष्ण बिंदुओं या स्माइली फेस जैसे जटिल आकार बनाने के लिए केंद्रित करने में सक्षम थे।
इस कार्य का महत्व उस क्षेत्र में प्रकाश के सटीक नियंत्रण को विस्तारित करने की इसकी क्षमता में निहित है जहाँ इसे पहले प्रबंधित करना असंभव माना जाता था। शोधकर्ताओं ने पाया कि ब्रॉडबैंड स्रोतों के लिए, कोई एक स्थिर मानचित्र सभी तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) के लिए काम नहीं करता है; इसके बजाय, सर्वोत्तम नियंत्रण उस मानचित्र से आता है जो उपयोग किए जा रहे प्रकाश के बैंडविड्थ के लिए विशेष रूप से ट्यून किया गया हो। उनके प्रयोगों ने दिखाया कि स्रोत के साथ मापन को मिलाने से, वे पारंपरिक तरीकों की तुलना में रंगों की बहुत विस्तृत श्रृंखला पर उच्च-गुणवत्ता वाला नियंत्रण बनाए रख सकते हैं। इसका अर्थ है कि जटिल माध्यमों पर निर्भर तकनीकें, जैसे कि मानव शरीर के भीतर देखने के लिए एंडोस्कोप या वायुमंडल के माध्यम से डेटा भेजने वाली संचार प्रणालियाँ, बहुत अधिक प्रभावी और बहुमुखी हो सकती हैं। यह विधि नाजुक, जटिल सेटअप की आवश्यकता को समाप्त करती है और सबसे कठिन ऑप्टिकल वातावरण के माध्यम से देखने और संवाद करने के लिए सरल, शक्तिशाली प्रकाश स्रोतों के उपयोग का मार्ग प्रशस्त करती है।
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