3 अक्टूबर, 2023 की शाम को एक महत्वपूर्ण घोषणा में, वर्ष 2023 के 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 लेज़र" शब्द का नाम इसके बेहद कम समय में काम करने की क्षमता से लिया गया है, विशेष रूप से एटोसेकंड के क्रम में, जो 10^-18 सेकंड के बराबर होता है। इस तकनीक के गहन महत्व को समझने के लिए, एटोसेकंड का मूल अर्थ समझना अत्यंत आवश्यक है। एटोसेकंड समय की एक अत्यंत सूक्ष्म इकाई है, जो एक सेकंड के व्यापक संदर्भ में एक सेकंड के एक अरबवें हिस्से के एक अरबवें भाग के बराबर होती है। इसे समझने के लिए, यदि हम एक सेकंड की तुलना एक विशाल पर्वत से करें, तो एटोसेकंड पर्वत के आधार पर स्थित रेत के एक छोटे से कण के समान होगा। इस क्षणिक समय अंतराल में, प्रकाश भी एक परमाणु के आकार के बराबर दूरी को भी मुश्किल से तय कर पाता 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 एक सिनेमाई अनुक्रम में फ्रेम-दर-फ्रेम धीमी गति से पुनर्लेखन के समान है, जिससे उनके अंतर्संबंधों की गहराई से पड़ताल की जा सकती है।

एटोसेकंड लेजरये वैज्ञानिकों के व्यापक शोध और समन्वित प्रयासों की परिणति का प्रतिनिधित्व करते हैं, जिन्होंने अरैखिक प्रकाशिकी के सिद्धांतों का उपयोग करके अति-तीव्र लेज़रों का निर्माण किया है। इनके आगमन ने हमें ठोस पदार्थों में परमाणुओं, अणुओं और यहां तक ​​कि इलेक्ट्रॉनों के भीतर घटित होने वाली गतिशील प्रक्रियाओं के अवलोकन और अन्वेषण के लिए एक अभिनव दृष्टिकोण प्रदान किया है।

एटोसेकंड लेज़रों की प्रकृति को स्पष्ट करने और पारंपरिक लेज़रों की तुलना में उनके अपरंपरागत गुणों को समझने के लिए, व्यापक "लेज़र परिवार" के भीतर उनके वर्गीकरण का अध्ययन करना अनिवार्य है। तरंगदैर्ध्य के आधार पर वर्गीकरण करने पर, एटोसेकंड लेज़र मुख्य रूप से पराबैंगनी से लेकर सॉफ्ट एक्स-रे आवृत्तियों की श्रेणी में आते हैं, जो पारंपरिक लेज़रों की तुलना में उनकी उल्लेखनीय रूप से छोटी तरंगदैर्ध्य को दर्शाता है। आउटपुट मोड के संदर्भ में, एटोसेकंड लेज़र स्पंदित लेज़रों की श्रेणी में आते हैं, जिनकी विशेषता उनकी अत्यंत संक्षिप्त स्पंदन अवधि है। स्पष्टता के लिए एक उदाहरण दिया जा सकता है: निरंतर-तरंग लेज़रों की तुलना एक टॉर्च से की जा सकती है जो प्रकाश की एक निरंतर किरण उत्सर्जित करती है, जबकि स्पंदित लेज़र एक स्ट्रोब लाइट के समान होते हैं, जो प्रकाश और अंधकार की अवधियों के बीच तेजी से बदलते रहते हैं। संक्षेप में, एटोसेकंड लेज़र प्रकाश और अंधकार के बीच स्पंदित व्यवहार प्रदर्शित करते हैं, फिर भी इन दोनों अवस्थाओं के बीच उनका संक्रमण आश्चर्यजनक आवृत्ति पर होता है, जो एटोसेकंड की सीमा तक पहुँचता है।

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

अनुप्रयोग क्षेत्रों की दृष्टि से, लेजर औद्योगिक, चिकित्सा और वैज्ञानिक अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर करते हैं। एटोसेकंड लेजर मुख्य रूप से वैज्ञानिक अनुसंधान के क्षेत्र में, विशेष रूप से भौतिकी और रसायन विज्ञान के क्षेत्रों में तेजी से विकसित हो रही घटनाओं की खोज में अपना स्थान पाते हैं, जो सूक्ष्म जगत की तीव्र गतिशील प्रक्रियाओं की एक झलक प्रदान करते हैं।

लेजर माध्यम के आधार पर वर्गीकरण गैस लेजर, सॉलिड-स्टेट लेजर, लिक्विड लेजर और सेमीकंडक्टर लेजर में विभाजित करता है। एटोसेकंड लेजर का उत्पादन आमतौर पर गैस लेजर माध्यमों पर निर्भर करता है, जो उच्च-क्रम हार्मोनिक्स उत्पन्न करने के लिए गैर-रेखीय प्रकाशीय प्रभावों का लाभ उठाता है।

संक्षेप में, एटोसेकंड लेज़र लघु-पल्स लेज़रों का एक अनूठा वर्ग बनाते हैं, जो अपनी असाधारण रूप से कम पल्स अवधि (आमतौर पर एटोसेकंड में मापी जाती है) के लिए जाने जाते हैं। परिणामस्वरूप, वे परमाणुओं, अणुओं और ठोस पदार्थों के भीतर इलेक्ट्रॉनों की अति-तीव्र गतिशील प्रक्रियाओं के अवलोकन और नियंत्रण के लिए अपरिहार्य उपकरण बन गए हैं।

एटोसेकंड लेजर उत्पादन की जटिल प्रक्रिया

एटोसेकंड लेजर तकनीक वैज्ञानिक नवाचार में अग्रणी है, और इसके निर्माण के लिए अत्यंत जटिल परिस्थितियों की आवश्यकता होती है। एटोसेकंड लेजर निर्माण की पेचीदगियों को स्पष्ट करने के लिए, हम इसके मूलभूत सिद्धांतों की संक्षिप्त व्याख्या से शुरुआत करते हैं, जिसके बाद रोजमर्रा के अनुभवों से लिए गए जीवंत उदाहरण प्रस्तुत किए जाते हैं। जिन पाठकों को संबंधित भौतिकी की पेचीदगियों का ज्ञान नहीं है, उन्हें निराश होने की आवश्यकता नहीं है, क्योंकि आगे आने वाले उदाहरणों का उद्देश्य एटोसेकंड लेजर की मूलभूत भौतिकी को सुलभ बनाना है।

एटोसेकंड लेज़रों की उत्पादन प्रक्रिया मुख्य रूप से हाई हार्मोनिक जनरेशन (HHG) तकनीक पर आधारित है। सबसे पहले, उच्च तीव्रता वाले फेमटोसेकंड (10^-15 सेकंड) लेज़र पल्स की एक किरण को गैसीय लक्ष्य पदार्थ पर केंद्रित किया जाता है। यह ध्यान देने योग्य है कि फेमटोसेकंड लेज़र, एटोसेकंड लेज़रों की तरह, कम पल्स अवधि और उच्च शिखर शक्ति की विशेषताओं को साझा करते हैं। तीव्र लेज़र क्षेत्र के प्रभाव में, गैस परमाणुओं के भीतर इलेक्ट्रॉन क्षण भर के लिए अपने परमाणु नाभिक से मुक्त हो जाते हैं, और अस्थायी रूप से मुक्त इलेक्ट्रॉन अवस्था में प्रवेश करते हैं। लेज़र क्षेत्र के प्रति प्रतिक्रिया में दोलन करते हुए, ये इलेक्ट्रॉन अंततः अपने मूल परमाणु नाभिक में वापस आ जाते हैं और उनके साथ पुनर्संयोजित होकर नई उच्च-ऊर्जा अवस्थाएँ बनाते हैं।

इस प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रॉन अत्यंत उच्च वेग से गति करते 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-उत्पन्न उच्च-ऊर्जा फोटॉनों की आवृत्तियाँ मूल लेज़र आवृत्ति की पूर्णांक गुणज होती हैं, जिन्हें उच्च-क्रम हार्मोनिक्स कहा जाता है, जहाँ "हार्मोनिक्स" उन आवृत्तियों को दर्शाता है जो मूल आवृत्ति की पूर्णांक गुणज होती हैं। एटोसेकंड लेज़र प्राप्त करने के लिए, इन उच्च-क्रम हार्मोनिक्स को फ़िल्टर और फ़ोकस करना आवश्यक हो जाता है, जिसमें विशिष्ट हार्मोनिक्स का चयन करके उन्हें एक फोकल बिंदु पर केंद्रित किया जाता है। यदि वांछित हो, तो पल्स संपीड़न तकनीकों द्वारा पल्स की अवधि को और कम किया जा सकता है, जिससे एटोसेकंड रेंज में अति-लघु पल्स प्राप्त होती हैं। स्पष्ट रूप से, एटोसेकंड लेज़र का उत्पादन एक परिष्कृत और बहुआयामी प्रक्रिया है, जिसके लिए उच्च स्तर की तकनीकी दक्षता और विशेष उपकरणों की आवश्यकता होती है।

इस जटिल प्रक्रिया को सरल बनाने के लिए, हम रोजमर्रा के परिदृश्यों पर आधारित एक लाक्षणिक उदाहरण प्रस्तुत करते हैं:

उच्च तीव्रता वाले फेमटोसेकंड लेजर पल्स:

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक असाधारण रूप से शक्तिशाली गुलेल है जो उच्च-तीव्रता वाले फेमटोसेकंड लेजर पल्स द्वारा निभाई गई भूमिका के समान, पत्थरों को पल भर में विशाल गति से फेंकने में सक्षम है।

गैसीय लक्ष्य सामग्री:

एक शांत जल निकाय की कल्पना कीजिए जो गैसीय लक्ष्य पदार्थ का प्रतीक है, जहाँ पानी की प्रत्येक बूंद असंख्य गैस परमाणुओं का प्रतिनिधित्व करती है। इस जल निकाय में पत्थरों को फेंकने की क्रिया, गैसीय लक्ष्य पदार्थ पर उच्च-तीव्रता वाले फेमटोसेकंड लेजर पल्स के प्रभाव को दर्शाती है।

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

जब फेमटोसेकंड लेजर पल्स गैसीय लक्ष्य पदार्थ के भीतर गैस परमाणुओं पर प्रभाव डालते हैं, तो बड़ी संख्या में बाहरी इलेक्ट्रॉन क्षण भर के लिए उत्तेजित होकर अपने-अपने परमाणु नाभिक से अलग हो जाते हैं, जिससे प्लाज्मा जैसी स्थिति बन जाती है। जैसे-जैसे सिस्टम की ऊर्जा कम होती जाती है (क्योंकि लेजर पल्स स्वाभाविक रूप से स्पंदित होते हैं, जिनमें विराम के अंतराल होते हैं), ये बाहरी इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक के आसपास लौट आते हैं और उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉन उत्सर्जित करते हैं।

उच्च हार्मोनिक जनरेशन:

कल्पना कीजिए कि जब भी पानी की एक बूंद झील की सतह पर वापस गिरती है, तो वह लहरें उत्पन्न करती है, ठीक वैसे ही जैसे एटोसेकंड लेजर में उच्च हार्मोनिक्स उत्पन्न होते हैं। इन लहरों की आवृत्ति और आयाम प्राथमिक फेम्टोसेकंड लेजर पल्स द्वारा उत्पन्न मूल लहरों की तुलना में अधिक होते हैं। एचएचजी प्रक्रिया के दौरान, एक शक्तिशाली लेजर किरण, जो लगातार पत्थर फेंकने के समान होती है, झील की सतह के समान एक गैस लक्ष्य को प्रकाशित करती है। यह तीव्र लेजर क्षेत्र गैस में इलेक्ट्रॉनों को, लहरों के समान, उनके मूल परमाणुओं से दूर धकेलता है और फिर उन्हें वापस खींच लेता है। हर बार जब एक इलेक्ट्रॉन परमाणु में लौटता है, तो वह एक नई लेजर किरण उत्सर्जित करता है जिसकी आवृत्ति अधिक होती है, जो अधिक जटिल लहर पैटर्न के समान होती है।

फ़िल्टरिंग और फ़ोकस करना:

इन सभी नव-निर्मित लेज़र किरणों के संयोजन से विभिन्न रंगों (आवृत्तियों या तरंगदैर्ध्य) का एक स्पेक्ट्रम प्राप्त होता है, जिनमें से कुछ एटोसेकंड लेज़र का निर्माण करते हैं। विशिष्ट तरंग आकारों और आवृत्तियों को पृथक करने के लिए, आप वांछित तरंगों का चयन करने के समान एक विशेष फ़िल्टर का उपयोग कर सकते हैं और उन्हें एक विशिष्ट क्षेत्र पर केंद्रित करने के लिए आवर्धक लेंस का उपयोग कर सकते हैं।

नाड़ी संपीड़न (यदि आवश्यक हो):

यदि आप तरंगों को तेज़ी से और कम समय में प्रसारित करना चाहते हैं, तो आप एक विशेष उपकरण का उपयोग करके उनके प्रसार को गति दे सकते हैं, जिससे प्रत्येक तरंग के बने रहने का समय कम हो जाता है। एटोसेकंड लेज़रों के निर्माण में प्रक्रियाओं का एक जटिल अंतर्संबंध शामिल होता है। हालाँकि, जब इसे विस्तार से समझा और दृश्य रूप में प्रस्तुत किया जाता है, तो यह अधिक आसानी से समझ में आ जाता है।