3 अक्टूबर, 2023 की शाम को एक महत्वपूर्ण घोषणा में, वर्ष 2023 के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार का अनावरण किया गया, जिसमें तीन वैज्ञानिकों के उत्कृष्ट योगदान को मान्यता दी गई, जिन्होंने एटोसेकंड लेजर तकनीक के क्षेत्र में अग्रणी के रूप में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है।

शब्द "एटोसेकंड लेजर" का नाम अविश्वसनीय रूप से संक्षिप्त टाइमस्केल से लिया गया है, जिस पर यह संचालित होता है, विशेष रूप से एटोसेकंड के क्रम में, 10^-18 सेकंड के अनुरूप। इस तकनीक के गहन महत्व को समझने के लिए, एटोसेकंड का क्या अर्थ है, इसकी बुनियादी समझ सर्वोपरि है। एक एटोसेकंड समय की एक अत्यंत सूक्ष्म इकाई के रूप में खड़ा है, जो एक सेकंड के व्यापक संदर्भ में एक सेकंड के एक अरबवें हिस्से का एक अरबवां हिस्सा बनता है। इसे परिप्रेक्ष्य में रखने के लिए, यदि हम एक सेकंड की तुलना एक विशाल पर्वत से करें, तो एक एटोसेकंड पर्वत के आधार पर स्थित रेत के एक कण के समान होगा। इस क्षणभंगुर अस्थायी अंतराल में, प्रकाश भी मुश्किल से एक व्यक्तिगत परमाणु के आकार के बराबर दूरी तय कर सकता है। एटोसेकंड लेजर के उपयोग के माध्यम से, वैज्ञानिक परमाणु संरचनाओं के भीतर इलेक्ट्रॉनों की जटिल गतिशीलता की जांच और हेरफेर करने की अभूतपूर्व क्षमता प्राप्त करते हैं, जो एक सिनेमाई अनुक्रम में फ्रेम-दर-फ्रेम धीमी गति रीप्ले के समान है, जिससे उनके इंटरप्ले में गहराई से पता चलता है।

एटोसेकंड लेज़रयह वैज्ञानिकों के व्यापक अनुसंधान और ठोस प्रयासों की परिणति का प्रतिनिधित्व करता है, जिन्होंने अल्ट्राफास्ट लेजर तैयार करने के लिए नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स के सिद्धांतों का उपयोग किया है। उनके आगमन ने हमें परमाणुओं, अणुओं और यहां तक ​​कि ठोस पदार्थों में इलेक्ट्रॉनों के भीतर होने वाली गतिशील प्रक्रियाओं के अवलोकन और अन्वेषण के लिए एक अभिनव सुविधाजनक बिंदु प्रदान किया है।

एटोसेकंड लेजर की प्रकृति को स्पष्ट करने और पारंपरिक लेजर की तुलना में उनके अपरंपरागत गुणों की सराहना करने के लिए, व्यापक "लेजर परिवार" के भीतर उनके वर्गीकरण का पता लगाना जरूरी है। तरंग दैर्ध्य द्वारा वर्गीकरण एटोसेकंड लेज़रों को मुख्य रूप से पराबैंगनी से नरम एक्स-रे आवृत्तियों की सीमा के भीतर रखता है, जो पारंपरिक लेज़रों के विपरीत उनकी उल्लेखनीय रूप से कम तरंग दैर्ध्य को दर्शाता है। आउटपुट मोड के संदर्भ में, एटोसेकंड लेजर स्पंदित लेजर की श्रेणी में आते हैं, जो उनकी अत्यधिक संक्षिप्त पल्स अवधि की विशेषता है। स्पष्टता के लिए एक सादृश्य बनाने के लिए, कोई सतत-तरंग लेज़रों की कल्पना कर सकता है जो प्रकाश की निरंतर किरण उत्सर्जित करने वाली टॉर्च के समान हैं, जबकि स्पंदित लेज़र एक स्ट्रोब प्रकाश के समान होते हैं, जो तेजी से रोशनी और अंधेरे की अवधि के बीच बदलते हैं। संक्षेप में, एटोसेकंड लेज़र रोशनी और अंधेरे के भीतर एक स्पंदित व्यवहार प्रदर्शित करते हैं, फिर भी दो राज्यों के बीच उनका संक्रमण एक आश्चर्यजनक आवृत्ति पर होता है, जो एटोसेकंड के दायरे तक पहुंचता है।

शक्ति के आधार पर आगे वर्गीकरण लेज़रों को निम्न-शक्ति, मध्यम-शक्ति और उच्च-शक्ति कोष्ठक में रखता है। एटोसेकंड लेजर अपनी बेहद कम पल्स अवधि के कारण उच्च शिखर शक्ति प्राप्त करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक स्पष्ट शिखर शक्ति (पी) प्राप्त होती है - जिसे प्रति यूनिट समय ऊर्जा की तीव्रता (पी=डब्ल्यू/टी) के रूप में परिभाषित किया जाता है। यद्यपि अलग-अलग एटोसेकंड लेजर पल्स में असाधारण रूप से बड़ी ऊर्जा (डब्ल्यू) नहीं हो सकती है, उनकी संक्षिप्त अस्थायी सीमा (टी) उन्हें उच्च शिखर शक्ति प्रदान करती है।

अनुप्रयोग डोमेन के संदर्भ में, लेज़र औद्योगिक, चिकित्सा और वैज्ञानिक अनुप्रयोगों को शामिल करते हुए एक स्पेक्ट्रम का विस्तार करते हैं। एटोसेकंड लेजर मुख्य रूप से वैज्ञानिक अनुसंधान के दायरे में अपना स्थान पाते हैं, विशेष रूप से भौतिकी और रसायन विज्ञान के डोमेन के भीतर तेजी से विकसित होने वाली घटनाओं की खोज में, सूक्ष्म जगत की तेज गतिशील प्रक्रियाओं में एक खिड़की की पेशकश करते हैं।

लेज़र माध्यम द्वारा वर्गीकरण लेज़रों को गैस लेज़र, ठोस-अवस्था लेज़र, तरल लेज़र और अर्धचालक लेज़र के रूप में चित्रित करता है। एटोसेकंड लेज़रों की पीढ़ी आम तौर पर गैस लेज़र मीडिया पर निर्भर करती है, जो उच्च-क्रम वाले हार्मोनिक्स उत्पन्न करने के लिए नॉनलाइनियर ऑप्टिकल प्रभावों का उपयोग करती है।

संक्षेप में, एटोसेकंड लेज़र शॉर्ट-पल्स लेज़रों के एक अद्वितीय वर्ग का गठन करते हैं, जो उनके असाधारण रूप से संक्षिप्त पल्स अवधि द्वारा प्रतिष्ठित होते हैं, जिन्हें आमतौर पर एटोसेकंड में मापा जाता है। परिणामस्वरूप, वे परमाणुओं, अणुओं और ठोस पदार्थों के भीतर इलेक्ट्रॉनों की अल्ट्राफास्ट गतिशील प्रक्रियाओं को देखने और नियंत्रित करने के लिए अपरिहार्य उपकरण बन गए हैं।

एटोसेकंड लेजर जेनरेशन की विस्तृत प्रक्रिया

एटोसेकंड लेजर तकनीक वैज्ञानिक नवाचार में सबसे आगे है, जो अपनी पीढ़ी के लिए दिलचस्प रूप से कठोर परिस्थितियों का दावा करती है। एटोसेकंड लेजर पीढ़ी की जटिलताओं को स्पष्ट करने के लिए, हम इसके अंतर्निहित सिद्धांतों की संक्षिप्त व्याख्या के साथ शुरुआत करते हैं, इसके बाद रोजमर्रा के अनुभवों से प्राप्त ज्वलंत रूपकों का उपयोग करते हैं। प्रासंगिक भौतिकी की पेचीदगियों से अनभिज्ञ पाठकों को निराश होने की जरूरत नहीं है, क्योंकि आगामी रूपकों का उद्देश्य एटोसेकंड लेज़रों की मूलभूत भौतिकी को सुलभ बनाना है।

एटोसेकंड लेजर की उत्पादन प्रक्रिया मुख्य रूप से हाई हार्मोनिक जेनरेशन (एचएचजी) नामक तकनीक पर निर्भर करती है। सबसे पहले, उच्च तीव्रता वाले फेमटोसेकंड (10^-15 सेकंड) लेजर पल्स की एक किरण को गैसीय लक्ष्य सामग्री पर कसकर केंद्रित किया जाता है। यह ध्यान देने योग्य है कि फेमटोसेकंड लेजर, एटोसेकंड लेजर के समान, छोटी पल्स अवधि और उच्च शिखर शक्ति रखने की विशेषताओं को साझा करते हैं। तीव्र लेजर क्षेत्र के प्रभाव में, गैस परमाणुओं के भीतर के इलेक्ट्रॉन क्षण भर के लिए अपने परमाणु नाभिक से मुक्त हो जाते हैं, और क्षणिक रूप से मुक्त इलेक्ट्रॉनों की स्थिति में प्रवेश करते हैं। जैसे ही ये इलेक्ट्रॉन लेज़र क्षेत्र की प्रतिक्रिया में दोलन करते हैं, अंततः वे वापस लौटते हैं और अपने मूल परमाणु नाभिक के साथ पुनः संयोजित होते हैं, जिससे नई उच्च-ऊर्जा अवस्थाएँ बनती हैं।

इस प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रॉन अत्यधिक उच्च वेग से चलते हैं, और परमाणु नाभिक के साथ पुनर्संयोजन पर, वे उच्च हार्मोनिक उत्सर्जन के रूप में अतिरिक्त ऊर्जा छोड़ते हैं, जो उच्च-ऊर्जा फोटॉन के रूप में प्रकट होती है।

इन नव निर्मित उच्च-ऊर्जा फोटॉनों की आवृत्तियाँ मूल लेजर आवृत्ति के पूर्णांक गुणज हैं, जो उच्च-क्रम हार्मोनिक्स कहलाती हैं, जहां "हार्मोनिक्स" उन आवृत्तियों को दर्शाता है जो मूल आवृत्ति के अभिन्न गुणक हैं। एटोसेकंड लेजर प्राप्त करने के लिए, इन उच्च-क्रम वाले हार्मोनिक्स को फ़िल्टर करना और ध्यान केंद्रित करना, विशिष्ट हार्मोनिक्स का चयन करना और उन्हें एक फोकल बिंदु पर केंद्रित करना आवश्यक हो जाता है। यदि वांछित है, तो पल्स संपीड़न तकनीक पल्स अवधि को और कम कर सकती है, जिससे एटोसेकंड रेंज में अल्ट्रा-शॉर्ट पल्स प्राप्त हो सकते हैं। जाहिर है, एटोसेकंड लेज़रों का उत्पादन एक परिष्कृत और बहुआयामी प्रक्रिया है, जिसके लिए उच्च स्तर की तकनीकी कौशल और विशेष उपकरणों की आवश्यकता होती है।

इस जटिल प्रक्रिया को रहस्य से मुक्त करने के लिए, हम रोजमर्रा के परिदृश्यों पर आधारित एक रूपक समानांतर प्रस्तुत करते हैं:

उच्च तीव्रता फेमटोसेकंड लेजर पल्स:

एक असाधारण शक्तिशाली गुलेल रखने की कल्पना करें जो भारी गति से तुरंत पत्थर फेंकने में सक्षम हो, जो उच्च तीव्रता वाले फेमटोसेकंड लेजर पल्स द्वारा निभाई गई भूमिका के समान है।

गैसीय लक्ष्य सामग्री:

पानी के एक शांत पिंड का चित्र बनाएं जो गैसीय लक्ष्य सामग्री का प्रतीक है, जहां पानी की प्रत्येक बूंद असंख्य गैस परमाणुओं का प्रतिनिधित्व करती है। पानी के इस शरीर में पत्थरों को धकेलने का कार्य गैसीय लक्ष्य सामग्री पर उच्च तीव्रता वाले फेमटोसेकंड लेजर पल्स के प्रभाव को प्रतिबिंबित करता है।

इलेक्ट्रॉन गति और पुनर्संयोजन (भौतिक रूप से कहा जाने वाला संक्रमण):

जब फेमटोसेकंड लेजर पल्स गैसीय लक्ष्य सामग्री के भीतर गैस परमाणुओं को प्रभावित करते हैं, तो बाहरी इलेक्ट्रॉनों की एक महत्वपूर्ण संख्या क्षण भर के लिए ऐसी स्थिति में उत्तेजित हो जाती है, जहां वे अपने संबंधित परमाणु नाभिक से अलग हो जाते हैं, जिससे प्लाज्मा जैसी स्थिति बनती है। जैसे-जैसे सिस्टम की ऊर्जा बाद में कम होती जाती है (चूंकि लेजर पल्स स्वाभाविक रूप से स्पंदित होते हैं, जिसमें समाप्ति के अंतराल होते हैं), ये बाहरी इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक के आसपास के क्षेत्र में लौट आते हैं, और उच्च-ऊर्जा फोटॉन जारी करते हैं।

उच्च हार्मोनिक पीढ़ी:

कल्पना कीजिए कि हर बार जब पानी की एक बूंद वापस झील की सतह पर गिरती है, तो यह लहरें पैदा करती है, बिल्कुल एटोसेकंड लेजर में उच्च हार्मोनिक्स की तरह। इन तरंगों में प्राथमिक फेमटोसेकंड लेजर पल्स के कारण होने वाले मूल तरंगों की तुलना में उच्च आवृत्तियाँ और आयाम होते हैं। एचएचजी प्रक्रिया के दौरान, एक शक्तिशाली लेजर बीम, जो लगातार पत्थर उछालने के समान है, झील की सतह से मिलते-जुलते गैस लक्ष्य को रोशन करती है। यह तीव्र लेजर क्षेत्र, तरंगों के समान, गैस में इलेक्ट्रॉनों को उनके मूल परमाणुओं से दूर ले जाता है और फिर उन्हें वापस खींचता है। हर बार जब कोई इलेक्ट्रॉन परमाणु में लौटता है, तो यह अधिक जटिल तरंग पैटर्न के समान उच्च आवृत्ति के साथ एक नई लेजर किरण उत्सर्जित करता है।

फ़िल्टरिंग और फोकसिंग:

इन सभी नव निर्मित लेजर बीमों के संयोजन से विभिन्न रंगों (आवृत्ति या तरंग दैर्ध्य) का एक स्पेक्ट्रम प्राप्त होता है, जिनमें से कुछ एटोसेकंड लेजर का निर्माण करते हैं। विशिष्ट तरंग आकारों और आवृत्तियों को अलग करने के लिए, आप वांछित तरंगों को चुनने के समान एक विशेष फ़िल्टर का उपयोग कर सकते हैं, और उन्हें एक विशिष्ट क्षेत्र पर केंद्रित करने के लिए एक आवर्धक कांच का उपयोग कर सकते हैं।

नाड़ी संपीड़न (यदि आवश्यक हो):

यदि आपका लक्ष्य तरंगों को तेजी से और कम समय में प्रसारित करना है, तो आप एक विशेष उपकरण का उपयोग करके उनके प्रसार को तेज कर सकते हैं, जिससे प्रत्येक तरंग के समय को कम किया जा सकता है। एटोसेकंड लेज़रों की पीढ़ी में प्रक्रियाओं की एक जटिल परस्पर क्रिया शामिल होती है। हालाँकि, जब इसे तोड़ा जाता है और कल्पना की जाती है, तो यह अधिक समझ में आता है।