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

"एटोसेकंड लेजर" शब्द का नाम इसके अविश्वसनीय रूप से संक्षिप्त समय-सीमा से लिया गया है, विशेष रूप से एटोसेकंड के क्रम में, जो 10^-18 सेकंड के अनुरूप है। इस तकनीक के गहन महत्व को समझने के लिए, एटोसेकंड का क्या अर्थ है, इसकी मूलभूत समझ सर्वोपरि है। एक एटोसेकंड समय की एक अत्यंत छोटी इकाई के रूप में खड़ा है, जो एक सेकंड के व्यापक संदर्भ में एक सेकंड के एक अरबवें हिस्से का गठन करता 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 बसे 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, वैज्ञानिकों को परमाणु संरचनाओं के भीतर इलेक्ट्रॉनों की जटिल गतिशीलता की जांच और हेरफेर करने की अभूतपूर्व क्षमता प्राप्त होती है, जो सिनेमाई अनुक्रम में फ्रेम-दर-फ्रेम धीमी गति की पुनरावृत्ति के समान है, जिससे उनके परस्पर क्रिया में गहराई से जाना जा सकता है।

एटोसेकंड लेजरवैज्ञानिकों द्वारा किए गए व्यापक शोध और ठोस प्रयासों की परिणति का प्रतिनिधित्व करते हैं, जिन्होंने अल्ट्राफास्ट लेजर बनाने के लिए नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स के सिद्धांतों का उपयोग किया है। उनके आगमन ने हमें ठोस पदार्थों में परमाणुओं, अणुओं और यहां तक ​​कि इलेक्ट्रॉनों के भीतर होने वाली गतिशील प्रक्रियाओं के अवलोकन और अन्वेषण के लिए एक अभिनव दृष्टिकोण 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 अनिवार्य है। तरंगदैर्ध्य द्वारा वर्गीकरण एटोसेकंड लेजर को मुख्य रूप से पराबैंगनी से लेकर नरम एक्स-रे आवृत्तियों की सीमा के भीतर रखता है, जो पारंपरिक लेजर के विपरीत उनके उल्लेखनीय रूप से छोटे तरंगदैर्ध्य को दर्शाता है। आउटपुट मोड के संदर्भ में, एटोसेकंड लेजर स्पंदित लेजर की श्रेणी में आते हैं, जो उनके अत्यधिक संक्षिप्त पल्स अवधि की विशेषता रखते हैं। स्पष्टता के लिए एक सादृश्य बनाने के लिए, कोई निरंतर-तरंग लेजर को प्रकाश की एक निरंतर किरण उत्सर्जित करने वाली फ्लैशलाइट के समान मान सकता है, जबकि स्पंदित लेजर एक स्ट्रोब लाइट की तरह होते हैं, जो रोशनी और अंधेरे की अवधि के बीच तेजी से बदलते हैं। संक्षेप में, एटोसेकंड लेजर रोशनी और अंधेरे के भीतर एक स्पंदनशील व्यवहार प्रदर्शित करते हैं, फिर भी दो अवस्थाओं के बीच उनका संक्रमण एक आश्चर्यजनक आवृत्ति पर होता है, जो एटोसेकंड के दायरे तक पहुँचता है।

शक्ति के आधार पर आगे वर्गीकरण लेजर को कम-शक्ति, मध्यम-शक्ति और उच्च-शक्ति ब्रैकेट में रखता है। एटोसेकंड लेजर अपनी अत्यंत छोटी पल्स अवधि के कारण उच्च शिखर शक्ति प्राप्त करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक स्पष्ट शिखर शक्ति (P) होती है - जिसे प्रति इकाई समय ऊर्जा की तीव्रता (P=W/t) के रूप में परिभाषित किया जाता है। हालाँकि व्यक्तिगत एटोसेकंड लेजर पल्स में असाधारण रूप से बड़ी ऊर्जा (W) नहीं हो सकती है, लेकिन उनकी संक्षिप्त अस्थायी सीमा (t) उन्हें उच्च शिखर शक्ति प्रदान करती है।

अनुप्रयोग डोमेन के संदर्भ में, लेज़र औद्योगिक, चिकित्सा और वैज्ञानिक अनुप्रयोगों को शामिल करते हुए एक स्पेक्ट्रम में फैले हुए हैं। एटोसेकंड लेज़र मुख्य रूप से वैज्ञानिक अनुसंधान के क्षेत्र में अपना स्थान पाते हैं, विशेष रूप से भौतिकी और रसायन विज्ञान के क्षेत्रों में तेज़ी से विकसित होने वाली घटनाओं की खोज में, जो सूक्ष्म जगत की तेज़ गतिशील प्रक्रियाओं में एक खिड़की प्रदान करते हैं।

लेजर माध्यम के आधार पर वर्गीकरण लेजर को गैस लेजर, सॉलिड-स्टेट लेजर, लिक्विड लेजर और सेमीकंडक्टर लेजर के रूप में परिभाषित करता है। एटोसेकंड लेजर की पीढ़ी आम तौर पर गैस लेजर मीडिया पर निर्भर करती है, जो उच्च-क्रम हार्मोनिक्स उत्पन्न करने के लिए गैर-रेखीय ऑप्टिकल प्रभावों का लाभ उठाती है।

संक्षेप में, एटोसेकंड लेजर शॉर्ट-पल्स लेजर का एक अनूठा वर्ग है, जो अपने असाधारण रूप से संक्षिप्त पल्स अवधियों द्वारा प्रतिष्ठित है, जिसे आमतौर पर एटोसेकंड में मापा जाता है। नतीजतन, 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 उत्पादन की विस्तृत प्रक्रिया

एटोसेकंड लेजर तकनीक वैज्ञानिक नवाचार के मामले में सबसे आगे है, जो इसके उत्पादन के लिए बेहद कठोर परिस्थितियों का दावा करती है। एटोसेकंड लेजर उत्पादन की पेचीदगियों को स्पष्ट करने के लिए, हम इसके अंतर्निहित सिद्धांतों की संक्षिप्त व्याख्या के साथ शुरुआत करते हैं, उसके बाद रोज़मर्रा के अनुभवों से प्राप्त ज्वलंत रूपकों का उपयोग करते हैं। प्रासंगिक भौतिकी की पेचीदगियों से अनभिज्ञ पाठकों को निराश होने की ज़रूरत नहीं है, क्योंकि आने वाले रूपकों का उद्देश्य एटोसेकंड लेजर के मूलभूत भौतिकी को सुलभ बनाना है।

एटोसेकंड लेजर की उत्पादन प्रक्रिया मुख्य रूप से हाई हार्मोनिक जेनरेशन (HHG) 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 इलेक्ट्रॉन क्षण भर के लिए अपने परमाणु नाभिक से मुक्त हो जाते हैं, क्षणिक रूप से मुक्त इलेक्ट्रॉनों की स्थिति में प्रवेश करते हैं। जैसे ही ये इलेक्ट्रॉन लेजर क्षेत्र की प्रतिक्रिया में दोलन करते हैं, वे अंततः अपने मूल परमाणु नाभिक के साथ वापस लौटते हैं और फिर से जुड़ते हैं, जिससे नई उच्च-ऊर्जा अवस्थाएँ बनती हैं।

इस प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रॉन अत्यंत 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 वाले फोटॉन के रूप में प्रकट होते हैं।

इन नव-निर्मित उच्च-ऊर्जा फोटॉनों की आवृत्तियाँ मूल लेजर आवृत्ति के पूर्णांक गुणक हैं, जो उच्च-क्रम हार्मोनिक्स कहलाते हैं, जहाँ "हार्मोनिक्स" उन आवृत्तियों को दर्शाता है जो मूल आवृत्ति के अभिन्न गुणक हैं। एटोसेकंड लेजर प्राप्त करने के लिए, इन उच्च-क्रम हार्मोनिक्स को फ़िल्टर और फ़ोकस करना, विशिष्ट हार्मोनिक्स का चयन करना और उन्हें एक फ़ोकल पॉइंट में केंद्रित करना आवश्यक हो जाता है। यदि वांछित हो, तो पल्स संपीड़न तकनीक पल्स अवधि को और भी छोटा कर सकती है, जिससे एटोसेकंड रेंज में अल्ट्रा-शॉर्ट पल्स प्राप्त होते हैं। जाहिर है, एटोसेकंड लेजर की पीढ़ी एक परिष्कृत और बहुआयामी प्रक्रिया है, जिसके लिए उच्च स्तर की तकनीकी कौशल और विशेष उपकरणों की आवश्यकता होती है।

इस जटिल प्रक्रिया को स्पष्ट करने के लिए, हम रोजमर्रा के परिदृश्यों पर आधारित एक रूपकात्मक समानांतर उदाहरण प्रस्तुत करते हैं:

उच्च तीव्रता फेम्टोसेकंड लेजर पल्स:

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक असाधारण रूप से शक्तिशाली गुलेल है जो पत्थरों को तुरन्त ही बहुत तेज गति से फेंक सकती है, ठीक उसी तरह जैसे उच्च तीव्रता वाले फेम्टोसेकंड लेजर स्पंदन द्वारा निभाई गई भूमिका होती है।

गैसीय लक्ष्य सामग्री:

पानी के एक शांत शरीर की कल्पना करें जो गैसीय लक्ष्य सामग्री का प्रतीक है, जहाँ 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 दर्शाता है।

इलेक्ट्रॉन गति और पुनर्संयोजन (भौतिक रूप से संक्रमण कहा जाता है):

जब फेमटोसेकंड लेजर पल्स गैसीय लक्ष्य सामग्री के भीतर गैस परमाणुओं पर प्रभाव डालते हैं, तो बाहरी इलेक्ट्रॉनों की एक महत्वपूर्ण संख्या क्षण भर के लिए उत्तेजित हो जाती है, जिससे वे अपने संबंधित परमाणु नाभिक से अलग हो जाते हैं, जिससे प्लाज्मा जैसी स्थिति बन जाती है। जैसे-जैसे सिस्टम की ऊर्जा 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 अपने आस-पास लौट आते हैं, जिससे उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉन निकलते हैं।

उच्च हार्मोनिक उत्पादन:

कल्पना कीजिए कि जब भी पानी की बूंद झील की सतह पर वापस गिरती है, तो वह लहरें बनाती है, बिल्कुल एटोसेकंड लेजर में उच्च हार्मोनिक्स की तरह। इन तरंगों में प्राथमिक फेमटोसेकंड लेजर पल्स द्वारा उत्पन्न मूल तरंगों की तुलना में उच्च आवृत्तियाँ और आयाम होते हैं। HHG प्रक्रिया के दौरान, एक शक्तिशाली लेजर बीम, लगातार पत्थरों को उछालने के समान, झील की सतह जैसा दिखने वाले गैस लक्ष्य को रोशन करती है। यह तीव्र लेजर क्षेत्र गैस में इलेक्ट्रॉनों को, तरंगों के अनुरूप, उनके मूल परमाणुओं से दूर ले जाता है और फिर उन्हें वापस खींचता है। हर बार जब कोई इलेक्ट्रॉन परमाणु में वापस आता है, तो वह अधिक जटिल तरंग पैटर्न के समान, उच्च आवृत्ति के साथ एक नई लेजर बीम उत्सर्जित करता है।

फ़िल्टरिंग और फ़ोकस करना:

इन सभी नव निर्मित लेजर किरणों को मिलाकर विभिन्न रंगों (आवृत्तियों या तरंगदैर्ध्य) का एक स्पेक्ट्रम प्राप्त होता है, जिनमें से कुछ एटोसेकंड लेजर का निर्माण करते हैं। विशिष्ट तरंग आकार और आवृत्तियों को अलग करने के लिए, आप वांछित तरंगों का चयन करने के लिए 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।

पल्स संपीड़न (यदि आवश्यक हो):

यदि आप तरंगों को तेजी से और कम समय में प्रसारित करना चाहते हैं, तो आप एक विशेष उपकरण का उपयोग करके उनके प्रसार को तेज कर सकते हैं, जिससे प्रत्येक तरंग के चलने का समय कम हो जाता है। एटोसेकंड लेजर की पीढ़ी में प्रक्रियाओं की एक जटिल परस्पर क्रिया शामिल होती है। हालाँकि, जब इसे तोड़ा और देखा जाता है, तो यह अधिक समझ में आता है।