Influence of Initial Gas Pressure on the Spatial Intensity Distribution of Double-Pass Amplified 69.8 nm and 72.6 nm Lasers
यह अध्ययन एक डिस्चार्ज-उत्पादित प्लाज्मा और SiC दर्पण का उपयोग करके 69.8 nm लेजर के साथ 72.6 nm Ne-like Ar लेजर के पहले डबल-पास प्रवर्धन (double-pass amplification) को प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करता है, जो यह प्रकट करता है कि प्रारंभिक गैस दबाव को 14 Pa से बढ़ाकर 18 Pa करने से स्थानिक तीव्रता वितरण (spatial intensity distribution) एक केंद्रीय शिखर से एक किनारे-वर्धित वलय प्रोफाइल (edge-enhanced annular profile) में बदल जाता है और दोनों तरंगदैर्ध्यों के विचलन कोणों (divergence angles) में वृद्धि होती है।
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मानवीय आँख के लिए अदृश्य प्रकाश, जो बैंगनी स्पेक्ट्रम के ठीक आगे स्थित है, आधुनिक विज्ञान में एक अनूठा स्थान रखता है। यह एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट (EUV) का क्षेत्र है, जो कि एक ऐसा विकिरण है जो इतना ऊर्जावान है कि यह परमाणु दुनिया के सूक्ष्मतम विवरणों को प्रकट कर सकता है। इस प्रकाश को बनाने के लिए, वैज्ञानिक पारंपरिक बल्बों या लेजरों का उपयोग नहीं करते हैं; इसके बजाय, वे गैस को तब तक अत्यधिक गर्म करते हैं जब तक कि वह प्लाज्मा न बन जाए, जो पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जहाँ इलेक्ट्रॉनों को परमाणुओं से अलग कर दिया जाता है, जिससे एक उबलता हुआ, उच्च-तापमान वाला सूप बन जाता है। इस वातावरण में, विशिष्ट आयनों को बहुत सटीक रंगों पर प्रकाश की बौछारें छोड़ने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। हालाँकि यह प्रकाश उन्नत विनिर्माण और सूक्ष्मदर्शिकी (माइक्रोस्कोपी) के लिए अविश्वसनीय रूप से उपयोगी है, लेकिन इसे पकड़ना और प्रवर्धित करना अत्यंत कठिन है। वे दर्पण, जो इन प्रकाश किरणों को निर्देशित करने और उन्हें मजबूत करने के लिए आवश्यक हैं, अक्सर उस तीव्र गर्मी और प्लाज्मा के प्रहार से क्षतिग्रस्त या नष्ट हो जाते हैं जो उन्हें बनाते हैं। इस नाजुकता ने लंबे समय से शोधकर्ताओं को "एक बार और बस एक ही बार" (one-and-done) वाले दृष्टिकोण का उपयोग करने के लिए मजबूर किया है, जिसमें वे प्रकाश को एकत्र करने से पहले केवल एक बार प्लाज्मा से गुजरने देते हैं, जो उनके द्वारा निकाले जा सकने वाली कुल ऊर्जा को सीमित करता है।
शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इस नाजुक प्रक्रिया से अधिक लाभ उठाने का एक तरीका खोज लिया है, जिसमें उन्होंने सफलतापूर्वक प्रकाश को दूसरी बार प्लाज्मा के माध्यम से वापस परावर्तित किया, जिससे उनके उपकरण को नष्ट किए बिना प्रवर्धन को प्रभावी रूप से दोगुना कर दिया गया। उन्होंने एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट प्रकाश के दो विशिष्ट शेड्स पर ध्यान केंद्रित किया, एक 69.8 नैनोमीटर पर और दूसरा 72.6 नैनोमीटर पर, जो नियॉन जैसे आर्गन आयनों से उत्पन्न होते हैं। उनकी सफलता की कुंजी सिलिकॉन कार्बाइड से बना एक दर्पण था, जो एक ऐसी सामग्री है जो इतनी कठोर है कि वह उस कठोर प्लाज्मा वातावरण का सामना कर सकती है जहाँ अन्य दर्पण विफल हो जाते। इस दर्पण को आर्गन गैस से भरी एक संकीर्ण नली के अंत में रखकर, वे प्रकाश को वापस प्लाज्मा कॉलम के माध्यम से परावर्तित करने में सक्षम हुए, जिससे उसे एक बार फिर मजबूत होने का दूसरा मौका मिला। इस सरल लेकिन मजबूत सेटअप ने उन्हें यह अध्ययन करने की अनुमति दी कि गैस की प्रारंभिक स्थितियों में बदलाव करने पर प्रकाश किरण का आकार और प्रसार कैसे बदलता है, जिससे ट्यूब के भीतर गैस के दबाव के प्रति एक आश्चर्यजनक संवेदनशीलता का पता चला।
प्रयोग की शुरुआत एक लंबी, पतली सिरेमिक ट्यूब, जिसे केशिका (कैपिलरी) कहा जाता है, से हुई, जिसे आर्गन गैस से भरा गया था। शोधकर्ताओं ने पहले एक छोटा सा प्लाज्मा बनाने के लिए एक शक्तिशाली विद्युत विसर्जन (डिस्चार्ज) का उपयोग किया, और फिर इसके माध्यम से करंट का एक विशाल उछाल भेजा। इस करंट ने एक चुंबकीय दबाव की तरह कार्य किया, जिसने प्लाज्मा को एक तंग, गर्म कॉलम में संकुचित कर दिया। जैसे ही प्लाज्मा अपने चरम घनत्व पर पहुँचा, उसके भीतर के परमाणु उत्तेजित हो गए और उस विशिष्ट पराबैंगनी प्रकाश को उत्सर्जित करने लगे जिसकी टीम तलाश कर रही थी। यह देखने के लिए कि क्या हो रहा है, उन्होंने एक विशेष कैमरे और एक ग्रेटिंग का उपयोग किया जो प्रकाश के विभिन्न रंगों को अलग कर सकता था, जिससे उन्हें यह मानचित्रित करने में मदद मिली कि प्रकाश का वितरण बीम में ठीक कैसे हुआ है। उन्होंने दो परिदृश्यों की तुलना की: एक जहाँ प्रकाश प्लाज्मा के माध्यम से केवल एक बार यात्रा करता है, और दूसरा जहाँ सिलिकॉन कार्बाइड दर्पण इसे दूसरी बार वापस भेजता है। परिणाम तत्काल और नाटकीय थे। जब प्रकाश ने चक्कर पूरा किया, तो 69.8 नैनोमीटर की बीम सात गुना से भी अधिक चमकीली हो गई, जबकि 72.6 नैनोमीटर की बीम तीन गुना से भी अधिक बढ़ गई। इसने पुष्टि की कि दर्पण पूरी तरह से काम कर रहा था, बिना किसी क्षति के प्रकाश को वापस परावर्तित कर रहा था, और कि प्लाज्मा वापस आने वाली बीम को प्रवर्धित करने के लिए तैयार था।
हालाँकि, सबसे दिलचस्प खोज तब हुई जब शोधकर्ताओं ने ट्यूब के भीतर आर्गन गैस के दबाव को बदलना शुरू किया। उन्होंने पाया कि लेजर बीम का आकार स्थिर नहीं था; गैस की मात्रा के आधार पर यह नाटकीय रूप से बदल जाता था। 14 पास्कल के निचले दबाव पर, प्रवर्धित प्रकाश बीम के केंद्र के पास केंद्रित रहा, जिससे एक अपेक्षाकृत संकीर्ण प्रसार वाला चमकीला बिंदु बना। जैसे ही उन्होंने दबाव बढ़ाकर 16 पास्कल किया, बीम चौड़ी होने लगी, और प्रकाश अधिक समान रूप से फैलने लगा। लेकिन जब उन्होंने दबाव बढ़ाकर 18 पास्कल किया, तो बीम पूरी तरह से बदल गई। चमकीला केंद्र गायब हो गया, और प्रकाश ने एक खोखले छल्ले, या एनुलस (annulus), के रूप में खुद को पुनर्गठित कर लिया, जहाँ अब केंद्र के बजाय किनारों पर सबसे अधिक तीव्रता थी। यह बदलाव दोनों रंगों के प्रकाश के लिए हुआ, जो यह संकेत देता है कि प्रकाश के यात्रा करने के तरीके में एक मौलिक परिवर्तन हुआ है।
इस परिवर्तन का कारण स्वयं प्लाज्मा की अदृश्य संरचना में निहित है। जैसे-जैसे गैस का दबाव बढ़ता है, चुंबकीय क्षेत्र द्वारा प्लाज्मा को दबाने का तरीका बदल जाता है, जिससे बीम के केंद्र से उसके किनारों तक इलेक्ट्रॉनों के घनत्व में एक तीव्र अंतर पैदा होता है। यह घनत्व प्रवणता (डेंसिटी ग्रेडिएंट) एक लेंस की तरह कार्य करती है, जो प्रकाश के यात्रा करते समय उसे मोड़ देती है। जब दबाव कम होता है, तो प्रवणता सौम्य होती है, और प्रकाश कम विचलन के साथ गुजरता है, केंद्र के पास रहता है। जब दबाव अधिक होता है, तो प्रवणता तीव्र हो जाती है, जो एक मजबूत लेंस की तरह कार्य करती है जो प्रकाश की किरणों को बाहर की ओर मोड़ देती है। दर्पण द्वारा वापस परावर्तित किया गया प्रकाश इस घने, प्रवणता-युक्त वातावरण से होकर गुजरता है और इतना तीव्रता से मुड़ जाता है कि उसे केंद्र से दूर धकेल दिया जाता है और बीम के किनारों पर केंद्रित कर दिया जाता है। यही कारण है कि उच्च दबाव पर बीम एक छल्ले में बदल जाती है; प्लाज्मा मूल रूप से प्रकाश को मध्य से दूर मोड़ रहा है और उसे परिधि पर केंद्रित कर रहा है।
शोधकर्ताओं ने देखा कि गैस के दबाव में छोटे बदलावों, मात्र कुछ पास्कल, ने भी बीम के आकार में बड़े बदलाव पैदा किए। यह संवेदनशीलता यह सुझाव देती है कि 69.8 और 72.6 नैनोमीटर लेजर प्लाज्मा की सटीक स्थितियों के प्रति अत्यधिक प्रतिक्रियाशील हैं। टीम ने नोट किया कि जबकि उन्होंने 69.8 नैनोमीटर के प्रकाश को संतृप्ति (सैचुरेशन) के बिंदु तक सफलतापूर्वक प्रवर्धित कर लिया था, जिसका अर्थ है कि प्लाज्मा उतनी ही ऊर्जा दे रहा था जितनी वह दे सकता था, 72.6 नैनोमीटर के प्रकाश में अभी भी बढ़ने की गुंजाइश थी। तथ्य यह है कि वे पहली बार 72.6 नैनोमीटर तरंग दैर्ध्य के लिए इस डबल-पास प्रवर्धन को प्राप्त कर सके, यह एक महत्वपूर्ण कदम है। यह समझकर कि गैस का दबाव अपवर्तन (रिफ्रैक्शन) के माध्यम से बीम के आकार को कैसे नियंत्रित करता है, वैज्ञानिकों के पास अब इन लेजरों को अनुकूलित करने का एक स्पष्ट मार्ग है। यह ज्ञान भविष्य के प्रयासों के लिए आवश्यक है, जैसे कि एक पूर्ण ऑप्टिकल कैविटी का उपयोग करके प्रकाश को कई बार वापस भेजने के लिए जटिल प्रणालियाँ बनाना, जो एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट प्रकाश के और भी अधिक शक्तिशाली और उपयोगी स्रोत की ओर ले जा सकता है।
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