Extreme ultraviolet vortex light tubes by chromatic wavefront shaping of high harmonics
यह शोधपत्र क्रोमैटिक वेवफ्रंट शेपिंग का उपयोग करके क्रमिक हार्मोनिक भंवर केंद्रों (harmonic vortex foci) को प्रसार अक्ष के अनुदिश विलय करने के माध्यम से विस्तारित एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट (EUV) लाइट ट्यूब उत्पन्न करने की एक रणनीति प्रस्तुत करता है, जिससे अनुदैर्ध्य रूप से संरचित अल्ट्राफास्ट EUV क्षेत्र निर्मित होते हैं जो पीढ़ी प्रक्रिया से पूरी तरह से स्वतंत्र हैं और विभिन्न ब्रॉडबैंड स्रोतों के अनुकूल हैं।
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प्रकाश केवल एक किरण मात्र नहीं है जो किसी कमरे को रोशन करती है; यह एक जटिल क्षेत्र है जिसे अविश्वसनीय सटीकता के साथ आकार दिया जा सकता है, घुमाया जा सकता है और समयबद्ध किया जा सकता है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने प्रकाश को विशिष्ट रूपों में ढालना सीखा है, जिससे इसे एक कॉर्कस्क्रू (पेंच) जैसा आकार दिया जा सका है जो एक विशेष प्रकार के घूर्णन या स्पिन को वहन करता है जिसे कक्षीय कोणीय संवेग (ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटum) कहा जाता है। ये मुड़े हुए बीम, जिन्हें वर्टेक्स बीम (भंवर बीम) के रूप में जाना जाता है, चुंबकीय सामग्रियों का अध्ययन करने और इमेजिंग तकनीक की सीमाओं को आगे बढ़ाने के लिए शक्तिशाली उपकरण बन गए हैं। जबकि शोधकर्ताओं ने दृश्य प्रकाश के साथ इन आकारों को बनाने में महारत हासिल कर ली है, इसी अवधारणा को अत्यधिक पराबैंगनी (एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट) रेंज में ले जाना कठिन साबित हुआ है—एक ऐसा स्पेक्ट्रम जो इतना ऊर्जावान है कि यह परमाणुओं और अणुओं के आंतरिक कामकाज को प्रकट कर सकता है। चुनौती इस तथ्य में निहित है कि अत्यधिक पराबैंगनी प्रकाश उस प्रकाश की तुलना में अलग व्यवहार करता है जिसे हम देखते हैं, और इन उच्च-ऊर्जा स्पंदों (पल्स) में मौजूद रंगों की विस्तृत श्रृंखला के साथ उपयोग किए जाने वाले उपकरण अक्सर संघर्ष करते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन उपकरणों की एक ज्ञात सीमा को एक शक्तिशाली नए फीचर में बदलने का तरीका खोज लिया है। गैस से उत्पन्न होने वाले उच्च-ऊर्जा प्रकाश स्पंदों के साथ काम करके, उन्होंने प्रकाश की एक लंबी, खोखली नली बनाई है जो आश्चर्यजनक रूप से लंबी दूरी तक अपने मुड़े हुए आकार को बनाए रखती है। वैज्ञानिकों ने सभी अलग-अलग रंगों के प्रकाश को बिल्कुल एक ही बिंदु पर केंद्रित करने की कोशिश करने के बजाय, उन्हें बीम के पथ के साथ थोड़े अलग स्थानों पर केंद्रित होने के लिए जानबूझकर अनुमति दी। प्रकाश के रंग के आधार पर अलग होने की प्राकृतिक प्रवृत्ति के इस चतुर उपयोग के परिणामस्वरूप, एक निरंतर, विस्तारित संरचना बनी जो बिखरे हुए बिंदुओं के बजाय, मुड़ी हुई ऊर्जा की एक ठोस नली की तरह व्यवहार करती है।
प्रयोग एक मानक लेजर पल्स के साथ शुरू हुआ, जिसे आर्गन गैस से भरे सेल में केंद्रित किया गया था। इस प्रक्रिया को 'हाई हार्मोनिक जनरेशन' कहा जाता है, जो लेजर प्रकाश को विभिन्न रंगों या हार्मोनिक्स वाले अत्यधिक पराबैंगनी स्पंदों के विस्फोट में परिवर्तित करती है। शोधकर्ताओं ने फिर इस नए प्रकाश के सीधे मार्ग में एक विशेष ऑप्टिकल तत्व, एक स्पाइरल ज़ोन प्लेट रखी। यह एक सपाट डिस्क है जिसमें सर्पिल की तरह घूमने वाले संकेंद्रित छल्लों का पैटर्न होता है। जब बहु-रंगी प्रकाश इससे गुजरता है, तो स्पाइरल पैटर्न वेवफ्रंट के प्रत्येक रंग पर एक घुमाव अंकित कर देता है, जिससे बीम एक वर्टेक्स (भंवर) में बदल जाती है।
सामान्यतः, एक लेंस या ज़ोन प्लेट अलग-अलग रंगों को अलग-अलग दूरियों पर केंद्रित करता है, जिसे क्रोमैटिसिटी (वर्णविक्षेपण) कहा जाता है, जो आमतौर पर छवि को धुंधला कर देता है या संरचना को तोड़ देता है। इस अध्ययन में, टीम ने इस प्रभाव को अपनाया। क्योंकि बीम के विभिन्न रंग बीम के पथ के साथ थोड़े अलग बिंदुओं पर केंद्रित हुए, उनके व्यक्तिगत फोकल स्पॉट एक दूसरे के ऊपर ओवरलैप होकर प्रकाश की एक एकल, निरंतर नली का निर्माण करते हैं। शोधकर्ताओं ने इस नली को लगभग 10 माइक्रोमीटर व्यास का पाया और यह 18 मिलीमीटर की लंबाई तक फैली हुई थी। यह एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है क्योंकि यह एक स्थिर, संरचित क्षेत्र बनाता है जो एक एकल रंग के फोकस की तुलना में बहुत अधिक दूरी तक बना रहता है।
यह समझने के लिए कि वास्तव में यह प्रकाश की नली कैसी दिखती है और यह कैसे व्यवहार करती है, टीम ने लिथियम फ्लोराइडइड से बने क्रिस्टल डिटेक्टर का उपयोग किया। जैसे ही प्रकाश क्रिस्टल से गुजरा, इसने अपने आकार का एक स्थायी रिकॉर्ड सूक्ष्म दोषों के रूप में पीछे छोड़ दिया। क्रिस्टल को बीम के पथ के साथ स्कैन करके, शोधकर्ता बीम के विभिन्न बिंदुओं पर प्रकाश की तीव्रता का मानचित्र तैयार कर सके। उन्होंने पाया कि वर्टेक्स का खोखला केंद्र, जहाँ कोई प्रकाश नहीं होता, पूरी नली की पूरी लंबाई में सुसंगत बना रहा। उन्होंने यह भी पुष्टि की कि प्रकाश ने इच्छित घुमाव या टोपोलॉजिकल चार्ज को वहन किया, जिसके लिए इंटरफेरेंस पैटर्न (व्यतिकरण पैटर्न) का विश्लेषण किया गया जब प्रकाश ने स्वयं के साथ परस्पर क्रिया की। पैटर्न ने स्पष्ट सर्पिल संरचनाएं दिखाईं, जिससे पुष्टि हुई कि प्रकाश वास्तव में एक वर्टेक्स था जिसमें वे विशिष्ट गुण थे जिन्हें उन्होंने डिजाइन किया था।
कंप्यूटर सिमुलेशन ने इस प्रकाश की प्रकृति में गहरी अंतर्दृष्टि प्रदान की, जिससे पता चला कि नली केवल एक स्थिर आकार नहीं है बल्कि एक गतिशील अल्ट्राफास्ट स्पंदों की ट्रेन है। प्रकाश फेम्टोसेकंड वर्टेक्स की एक श्रृंखला के रूप में यात्रा करता है, जिनमें से प्रत्येक लगभग एक फेम्टोसेकंड (जो कि एक सेकंड का एक क्वाड्रिलियनवां हिस्सा है) तक रहता है। ये स्पंद एक साथ नली के साथ चलते हैं, और प्रसार के दौरान अपनी संरचना बनाए रखते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि भले ही विभिन्न रंग अलग-अलग बिंदुओं पर केंद्रित होते हैं, लेकिन स्पंदों का समय (टाइमिंग) सुरक्षित रहता है, जिसका अर्थ है कि इस प्रक्रिया में प्रकाश की अल्ट्राफास्ट प्रकृति नष्ट नहीं होती है। यह सुझाव देता है कि प्रकाश की नली ऊर्जा के अविश्वसनीय रूप से छोटे, मुड़े हुए विस्फोटों की एक धारा से बनी है जिसका उपयोग समय और स्थान के सबसे छोटे पैमानों पर पदार्थ की जांच करने के लिए किया जा सकता है।
शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यह विधि विभिन्न प्रकार के घुमावों के साथ काम करती है, जिसमें स्पाइरल प्लेट्स का उपयोग प्रकाश में एकल या दोहरा घुमाव बनाने के लिए किया गया। दोनों ही मामलों में, परिणाम प्रकाश की एक स्थिर, विस्तारित नली के रूप में निकला। यह दृष्टिकोण प्रकाश क्षेत्रों को इंजीनियर करने का एक नया तरीका प्रदान करता है जिसके लिए प्रकाश के स्रोत को बदलने की आवश्यकता नहीं है। केवल बीम के अंत में ऑप्टिकल तत्व को बदलकर, वैज्ञानिक अब विभिन्न अनुदैर्ध्य (लॉन्गीटुडिनल) संरचनाएं बना सकते हैं, जिससे उन्नत इमेजिंग, मेट्रोलॉजी और लिथोग्राफी की संभावनाएं खुल जाती हैं। यह कार्य दर्शाता है कि प्रकाश और ऑप्टिक्स के प्राकृतिक गुणों के विरुद्ध लड़ने के बजाय, उन्हें समझने और उनका उपयोग करने से, जटिल और संरचित क्षेत्र बनाना संभव है जो अत्यधिक पराबैंगनी रेंज में पहले कठिन माना जाता था।
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