Spatial mode selection at THz frequency in a periodically poled lithium niobate waveguide

टेराहर्ट्ज़ विकिरण विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के एक अद्वितीय और शक्तिशाली हिस्से पर कब्जा जमाए हुए है, जो वाई-फाई में उपयोग किए जाने वाले माइक्रोवेव और ऊष्मा के रूप में महसूस होने वाली इन्फ्रारेड रोशनी के बीच स्थित है। यह अदृश्य बैंड छिपी हुई वस्तुओं को खोजने के लिए पैकेजिंग के पार देखने, गैसों में रासायनिक उंगलियों के निशान (केमिकल फिंगरप्रिंट्स) की पहचान करने और अविश्वसनीय गति से भारी मात्रा में डेटा ट्रांसमिट करने की बड़ी क्षमता रखता है। हालाँकि, इस विकिरण को नियंत्रित तरीके से उत्पन्न करना लंबे समय से एक चुनौती रही है। वैज्ञानिकों ने इसे बनाने के विभिन्न तरीके विकसित किए हैं, जिसमें अक्सर विशेष क्रिस्टल का उपयोग किया जाता है जो लेजर प्रकाश को टेराहर्ट्ज़ तरंगों में परिवर्तित करते हैं। इस क्षेत्र में एक प्रमुख कठिनाई यह है कि जबकि शोधकर्ता विकिरण को आसानी से बना सकते हैं, उस विकिरण के सटीक रूप से कैसे आगे बढ़ता है और फैलता है, इसे नियंत्रित करना बहुत कठिन है। कई प्रणालियों में, तरंगें पथों के एक अराजक मिश्रण में यात्रा करती हैं, जिससे उन्हें उच्च-गति संचार या विस्तृत इमेजिंग जैसे सटीक कार्यों के लिए उपयोग करना कठिन हो जाता है।

इसे हल करने के लिए, बोर्डो विश्वविद्यालय और अन्य फ्रांसीसी संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन तरंगों को निर्देशित करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने लिथियम नियोबेट से बने एक विशेष क्रिस्टल के साथ काम किया, जो एक ऐसा पदार्थ है जो प्रकाश को ऊर्जा के अन्य रूपों में बदलने की क्षमता के लिए जाना जाता है। इस क्रिस्टल को एक छोटे चैनल, या वेवगाइड के रूप में आकार दिया गया था जिसका क्रॉस-सेक्शन 500 गुणा 500 माइक्रोमीटर था। इस चैनल के भीतर, शोधकर्ता टेराहर्ट्ज़ तरंगों के विशिष्ट पैटर्न बनाना चाहते थे, जिन्हें स्थानिक मोड (स्पेशियल मोड्स) कहा जाता है। इन मोड्स को एक सीमित स्थान के भीतर तरंग के कंपन करने के विभिन्न तरीकों के रूप में समझें; कुछ एक सरल, केंद्रीय उभार के रूप में कंपन करते हैं, जबकि अन्य कई शिखरों और घाटियों वाले जटिल पैटर्न बनाते हैं। टीम ने पाया कि लेजर प्रकाश के दो पल्स (धड़कनों) को सावधानीपूर्वक समयबद्ध करके, वे क्रिस्टल को केवल इन विशिष्ट पैटर्नों में से एक उत्पन्न करने के लिए मजबूर कर सकते हैं, और बाकी सभी को अनदेखा कर सकते हैं।

यह विधि 'चर्प्ड और टेम्पोरली डिलेड' (chirped and temporally delayed) लेजर पल्स नामक तकनीक पर आधारित है। सबसे पहले, शोधकर्ताओं ने लेजर प्रकाश की एक बहुत छोटी लहर ली और उसे समय के साथ फैला दिया, जिससे एक फेम्टोसेकंड पल्स को एक बहुत लंबे पल्स में बदल दिया जो 100 पिकोसेकंड तक चलता है। यह फैलाने की प्रक्रिया, जिसे 'चर्पिंग' कहा जाता है, का अर्थ है कि प्रकाश का रंग पल्स के यात्रा करने के दौरान धीरे-धीरे बदलता है। इसके बाद उन्होंने इस विस्तारित पल्स को दो समान प्रतियों में विभाजित किया और उन्हें एक सूक्ष्म समय अंतराल के साथ क्रिस्टल में भेजा। जब ये दो पल्स क्रिस्टल के भीतर एक-दूसरे के ऊपर आते हैं, तो वे एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (इंटरफेयर) करते हैं, जिससे एक लयबद्ध धड़कन (बीटिंग इफेक्ट) पैदा होती है। इस धड़कन की गति टेराहर्ट्ज़ तरंग की आवृत्ति निर्धारित करती है। दोनों पल्स के बीच के समय अंतराल को समायोजित करके, शोधकर्ता अत्यंत सटीकता के साथ धड़कन की आवृत्ति को ट्यून कर सके।

यह सफलता इस बात पर निर्भर करती है कि यह ट्यूनिंग क्रिस्टल की संरचना के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। वेवगाइड कई अलग-अलग मोड्स का समर्थन करता है, लेकिन प्रत्येक का अपनी आवृत्ति और उसके चलने की गति के बीच एक अनूठा संबंध होता है। इसका मतलब है कि लेजर पल्स के बीच एक विशिष्ट समय अंतराल के लिए, उत्पन्न होने वाली बीट फ्रीक्वेंसी केवल एक विशिष्ट मोड के मजबूत होने की आवश्यकताओं से पूरी तरह मेल खा जाएगी। अन्य मोड ताल से बाहर हो जाते हैं और समाप्त हो जाते हैं। अपने सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने पाया कि 41.9 पिकोसेकंड का विलंब (डिली) सबसे सरल, मौलिक मोड को चुनि secara उत्तेजित करता है। देरी को बदलकर 43.7 पिकोसेकंड करने पर, उन्होंने आउटपुट को दो शिखरों वाले अधिक जटिल पैटर्न में बदल दिया। 51.1 पिकोसेकंड के एक और बदलाव ने एक और भी जटिल पैटर्न उत्पन्न किया। यह चयन क्रिस्टल के भौतिक आकार को बदले बिना या बिना किसी अतिरिक्त लेंस या दर्पण को जोड़े हुआ, पूरी तरह से प्रकाश के समय (टाइमिंग) से आया।

टीम ने यह भी पता लगाया कि सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त करने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता है और क्रिस्टल कितना लंबा होना चाहिए। उन्होंने पाया कि रूपांतरण की दक्षता लेजर पल्स की शक्ति पर बहुत अधिक निर्भर करती है। कम ऊर्जा वाले पल्स का उपयोग करते समय, टेराहर्ट्ज़ सिग्नल क्रिस्टल के नीचे यात्रा करते समय लगातार बढ़ता गया जब तक कि वह सामग्री द्वारा ऊर्जा के अवशोषण के कारण एक सीमा तक नहीं पहुँच गया। हालांकि, जब उन्होंने उच्च ऊर्जा वाले पल्स का उपयोग किया, तो सिग्नल तेजी से एक शिखर तक बढ़ा और यदि क्रिस्टल बहुत लंबा हुआ तो गिरने लगा। यह गिरावट इसलिए हुई क्योंकि तीव्र प्रकाश ने क्रिस्टल के भीतर की स्थितियों को बदलना शुरू कर दिया, जिससे तरंगें एक-दूसरे के साथ तालमेल से बाहर हो गईं। सिमुलेशन ने दिखाया कि सबसे मजबूत पल्स के लिए, क्रिस्टल की इष्टतम लंबाई छोटी, लगभग 1.3 सेंटीमीटर थी, जबकि कमजोर पल्स लंबे खंडों में बेहतर काम करते थे।

परिणामस्वरूप प्राप्त टेराहर्ट्ज़ तरंगें केवल ऊर्जा के एकल स्पाइक्स नहीं थीं, बल्कि चिकनी, मल्टी-साइकिल तरंगें थीं जो कम अवधि के लिए बनी रहीं। ये तरंगें अपने आवृत्ति रेंज में बहुत संकीकी थीं, जो केवल लगभग 4 गीगाहर्ट्ज़ तक फैली हुई थीं, जो उन्हें अत्यधिक शुद्ध और स्थिर बनाती है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि जबकि उनकी विधि अत्यधिक चयनात्मक है, फिर भी जब वे अधिक जटिल मोड्स उत्पन्न करने की कोशिश करते हैं, तो सरल मोड का थोड़ा सा बचा हुआ सिग्नल मौजूद रहता है। शुद्धता को और अधिक सुधारने के लिए, उन्होंने सुझाव दिया कि भविष्य के डिजाइन वेवगाइड के भौतिक आयामों को समायोजित कर सकते हैं ताकि मोड्स के बीच का अंतर और भी स्पष्ट हो सके। यह दृष्टिकोण टेराहर्ट्ज़ विकिरण को इंजीनियर करने का एक संक्षिप्त और लचीला तरीका प्रदान करता है, जो एक ऐसा उपकरण हो सकता है जो भविष्य के संचार और इमेजिंग प्रौद्योगिकियों के लिए महत्वपूर्ण होगा जहाँ तरंग के आकार पर सटीक नियंत्रण आवश्यक है।