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 लेज़र" शब्द का नाम इसके अत्यंत संक्षिप्त समय-सीमा 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 के अर्थ की मूलभूत समझ अत्यंत आवश्यक है। एटोसेकंड समय की एक अत्यंत सूक्ष्म इकाई है, जो एक सेकंड के व्यापक संदर्भ में एक सेकंड के अरबवें हिस्से के एक अरबवें हिस्से के बराबर होती है। इसे परिप्रेक्ष्य में रखने के लिए, यदि हम एक सेकंड की तुलना एक विशाल पर्वत से करें, तो एक एटोसेकंड उस पर्वत के आधार पर बसे रेत के एक कण के समान होगा। इस क्षणभंगुर समय अंतराल में, प्रकाश भी मुश्किल से एक परमाणु के आकार के बराबर दूरी तय कर पाता है। एटोसेकंड लेजर के उपयोग के माध्यम से, वैज्ञानिकों को परमाणु संरचनाओं के भीतर इलेक्ट्रॉनों की जटिल गतिशीलता की जांच करने और उसमें हेरफेर करने की अभूतपूर्व क्षमता प्राप्त होती है, जो सिनेमाई अनुक्रम में फ्रेम-दर-फ्रेम धीमी गति की पुनरावृत्ति के समान है, जिससे उनकी परस्पर क्रिया में गहराई से जाना जा सकता है।

एटोसेकंड लेज़रवैज्ञानिकों के व्यापक शोध और सतत प्रयासों का परिणाम हैं, जिन्होंने अरैखिक प्रकाशिकी के सिद्धांतों का उपयोग करके अति-तीव्र लेज़र विकसित किए हैं। इनके आगमन ने हमें ठोस पदार्थों में परमाणुओं, अणुओं और यहाँ तक कि इलेक्ट्रॉनों के भीतर 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" में उनके वर्गीकरण का अन्वेषण करना आवश्यक है। तरंगदैर्घ्य के आधार पर वर्गीकरण एटोसेकंड लेज़रों को मुख्यतः पराबैंगनी से लेकर मृदु एक्स-रे आवृत्तियों की श्रेणी में रखता है, जो पारंपरिक लेज़रों की तुलना में उनकी अपेक्षाकृत कम तरंगदैर्घ्य को दर्शाता है। आउटपुट मोड के संदर्भ में, एटोसेकंड लेज़र स्पंदित लेज़रों की श्रेणी में आते हैं, जिनकी विशेषता उनकी अत्यंत संक्षिप्त स्पंद अवधि होती है। स्पष्टता के लिए एक सादृश्य बनाने के लिए, निरंतर-तरंग लेज़रों को प्रकाश की एक सतत किरण उत्सर्जित करने वाली टॉर्च के समान माना जा सकता है, जबकि स्पंदित लेज़र एक स्ट्रोब लाइट के समान होते हैं, जो प्रकाश और अंधकार की अवधियों के बीच तेज़ी से बदलती रहती हैं। संक्षेप में, एटोसेकंड लेज़र प्रकाश और अंधकार के भीतर एक स्पंदित व्यवहार प्रदर्शित करते हैं, फिर भी दोनों अवस्थाओं के बीच उनका संक्रमण एक आश्चर्यजनक आवृत्ति पर होता है, जो एटोसेकंड के दायरे तक पहुँच जाता 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 (P=W/t) के रूप में परिभाषित किया जाता है। हालाँकि व्यक्तिगत एटोसेकंड लेज़र पल्स में असाधारण रूप से अधिक ऊर्जा (W) नहीं हो सकती है, लेकिन उनकी संक्षिप्त समय सीमा (t) उन्हें उच्च शिखर शक्ति प्रदान करती है।

अनुप्रयोग क्षेत्रों की दृष्टि से, लेज़रों का दायरा औद्योगिक, चिकित्सा और वैज्ञानिक अनुप्रयोगों तक फैला हुआ है। एटोसेकंड लेज़र मुख्यतः वैज्ञानिक अनुसंधान के क्षेत्र में, विशेष रूप से भौतिकी और रसायन विज्ञान के क्षेत्रों में तेज़ी से विकसित हो रही घटनाओं के अन्वेषण में, अपना स्थान पाते हैं, और सूक्ष्म जगत की तीव्र गतिशील प्रक्रियाओं की एक झलक प्रदान करते हैं।

लेज़र माध्यम के आधार पर वर्गीकरण में लेज़रों को गैस लेज़र, ठोस-अवस्था लेज़र, द्रव लेज़र और अर्धचालक लेज़र के रूप में परिभाषित किया गया है। एटोसेकंड लेज़रों का निर्माण आमतौर पर गैस लेज़र माध्यम पर आधारित होता है, जो उच्च-क्रम हार्मोनिक्स उत्पन्न करने के लिए अरैखिक प्रकाशीय प्रभावों का लाभ उठाता है।

संक्षेप में, एटोसेकंड लेज़र लघु-पल्स लेज़रों का एक विशिष्ट वर्ग हैं, जो अपनी असाधारण रूप से संक्षिप्त पल्स अवधियों, जिन्हें आमतौर पर एटोसेकंड में मापा जाता है, के लिए विशिष्ट हैं। परिणामस्वरूप, ये 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 विस्तृत प्रक्रिया

एटोसेकंड लेज़र तकनीक वैज्ञानिक नवाचार में अग्रणी है, और इसके उत्पादन के लिए अत्यंत कठोर परिस्थितियों का दावा करती है। एटोसेकंड लेज़र उत्पादन की जटिलताओं को स्पष्ट करने के लिए, हम इसके अंतर्निहित सिद्धांतों की संक्षिप्त व्याख्या से शुरुआत करते हैं, जिसके बाद रोज़मर्रा के अनुभवों से प्राप्त विशद रूपक प्रस्तुत करते हैं। संबंधित भौतिकी की जटिलताओं से अनभिज्ञ पाठकों को निराश होने की आवश्यकता नहीं है, क्योंकि आगे दिए गए रूपकों का उद्देश्य एटोसेकंड लेज़रों के मूलभूत भौतिकी को सुलभ बनाना है।

एटोसेकंड लेज़रों की उत्पादन प्रक्रिया मुख्यतः उच्च हार्मोनिक उत्पादन (HHG) नामक तकनीक पर आधारित है। सबसे पहले, उच्च-तीव्रता वाले फेमटोसेकंड (10^-15 सेकंड) लेज़र स्पंदों की एक किरण को एक गैसीय लक्ष्य पदार्थ पर केंद्रित किया जाता है। यह ध्यान देने योग्य है कि एटोसेकंड लेज़रों के समान, फेमटोसेकंड लेज़रों में भी कम स्पंद अवधि और उच्च शिखर शक्ति होने की विशेषताएँ होती हैं। तीव्र लेज़र क्षेत्र के प्रभाव में, गैसीय परमाणुओं के भीतर इलेक्ट्रॉन क्षणिक रूप से अपने परमाणु नाभिक से मुक्त हो जाते हैं, और क्षणिक रूप से मुक्त इलेक्ट्रॉन अवस्था में प्रवेश करते हैं। जैसे ही ये इलेक्ट्रॉन लेज़र क्षेत्र की प्रतिक्रिया में दोलन करते हैं, वे अंततः अपने मूल परमाणु नाभिक में वापस लौट आते 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 वाले फोटॉन के रूप में प्रकट होते हैं।

इन नव-निर्मित उच्च-ऊर्जा फोटॉनों की आवृत्तियाँ मूल लेज़र आवृत्ति के पूर्णांक गुणज होती हैं, जिससे उच्च-क्रम हार्मोनिक्स बनते हैं, जहाँ "हार्मोनिक्स" उन आवृत्तियों को दर्शाता है जो मूल आवृत्ति के पूर्णांक गुणज होती हैं। एटोसेकंड लेज़र प्राप्त करने के लिए, इन उच्च-क्रम हार्मोनिक्स को फ़िल्टर और फ़ोकस करना, विशिष्ट हार्मोनिक्स का चयन करना और उन्हें एक केंद्र बिंदु पर केंद्रित करना आवश्यक हो जाता है। यदि वांछित हो, तो पल्स संपीड़न तकनीकें पल्स अवधि को और भी छोटा कर सकती हैं, जिससे एटोसेकंड श्रेणी में अति-लघु पल्स प्राप्त होते हैं। स्पष्ट रूप से, एटोसेकंड लेज़रों का निर्माण एक जटिल और बहुआयामी प्रक्रिया है, जिसके लिए उच्च स्तर की तकनीकी दक्षता और विशिष्ट 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 फेमटोसेकंड लेजर स्पंदन द्वारा निभाई गई भूमिका होती है।

गैसीय लक्ष्य सामग्री:

एक शांत जलराशि की कल्पना कीजिए जो गैसीय लक्ष्य पदार्थ का प्रतीक है, जहाँ पानी की प्रत्येक बूंद असंख्य गैस परमाणुओं का प्रतिनिधित्व करती है। इस जलराशि में पत्थरों को धकेलने की क्रिया, गैसीय लक्ष्य पदार्थ पर उच्च-तीव्रता वाले फेम्टोसेकंड लेज़र स्पंदों के प्रभाव के समान है।

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

जब फेम्टोसेकंड लेज़र पल्स गैसीय लक्ष्य पदार्थ के भीतर गैस परमाणुओं से टकराते हैं, तो बाहरी इलेक्ट्रॉनों की एक महत्वपूर्ण संख्या क्षण भर के लिए उत्तेजित हो जाती है, जिससे वे अपने-अपने परमाणु नाभिक से अलग हो जाते हैं और एक प्लाज़्मा जैसी अवस्था बनाते हैं। जैसे-जैसे तंत्र की ऊर्जा घटती जाती है (चूँकि लेज़र पल्स स्वाभाविक रूप से स्पंदित होते हैं, जिनमें विराम के अंतराल होते हैं), ये बाहरी इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक के आसपास वापस लौट आते हैं, और उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉन छोड़ते हैं।

उच्च हार्मोनिक पीढ़ी:

कल्पना कीजिए कि जब भी कोई पानी की बूंद झील की सतह पर वापस गिरती है, तो वह लहरें पैदा करती है, बिल्कुल एटोसेकंड लेज़रों में उच्च हार्मोनिक्स की तरह। इन तरंगों की आवृत्तियाँ और आयाम प्राथमिक फेम्टोसेकंड लेज़र पल्स द्वारा उत्पन्न मूल तरंगों की तुलना में अधिक होते हैं। HHG प्रक्रिया के दौरान, एक शक्तिशाली लेज़र किरण, जो लगातार पत्थरों को उछालने जैसी होती है, झील की सतह जैसे दिखने वाले एक गैसीय लक्ष्य को प्रकाशित करती है। यह तीव्र लेज़र क्षेत्र, तरंगों के समान, गैस में मौजूद इलेक्ट्रॉनों को उनके मूल परमाणुओं से दूर धकेलता है और फिर उन्हें वापस खींच लेता है। हर बार जब कोई इलेक्ट्रॉन परमाणु की ओर लौटता है, तो वह अधिक जटिल तरंग पैटर्न के समान, उच्च आवृत्ति वाली एक नई लेज़र किरण उत्सर्जित करता 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 अलग 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 एक आवर्धक कांच का उपयोग कर सकते हैं।

पल्स 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 तेज़ कर सकते हैं, जिससे प्रत्येक तरंग का समय कम हो जाता है। एटोसेकंड लेज़रों के निर्माण में प्रक्रियाओं की एक जटिल अंतर्क्रिया शामिल होती है। हालाँकि, जब इसे विभाजित करके देखा जाता है, तो यह अधिक बोधगम्य हो जाता है।