३ ऑक्टोबर २०२३ रोजी संध्याकाळी एका महत्त्वपूर्ण घोषणेत, अ‍ॅटोसेकंद लेसर तंत्रज्ञानाच्या क्षेत्रात प्रणेते म्हणून महत्त्वाची भूमिका बजावणाऱ्या तीन शास्त्रज्ञांच्या उत्कृष्ट योगदानाची दखल घेत २०२३ सालच्या भौतिकशास्त्रातील नोबेल पुरस्काराचे अनावरण करण्यात आले.

"अ‍ॅटोसेकंद लेसर" हा शब्द त्याच्या नावावरून आला आहे ज्यावर तो काम करतो, विशेषतः १०^-१८ सेकंदांच्या क्रमाने, ज्यावर तो काम करतो. या तंत्रज्ञानाचे सखोल महत्त्व समजून घेण्यासाठी, अ‍ॅटोसेकंद म्हणजे काय हे मूलभूत आकलन करणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे. अ‍ॅटोसेकंद हा वेळेचा एक अत्यंत सूक्ष्म एकक आहे, जो एका सेकंदाच्या व्यापक संदर्भात सेकंदाच्या अब्जावधी भागाचा एक अब्जावा भाग आहे. या दृष्टिकोनातून, जर आपण एका सेकंदाची तुलना एका उंच पर्वताशी केली तर, अ‍ॅटोसेकंद पर्वताच्या पायथ्याशी असलेल्या वाळूच्या एका कणासारखा असेल. या क्षणभंगुर वेळेच्या अंतरात, प्रकाश देखील एका वैयक्तिक अणूच्या आकाराइतके अंतर पार करू शकत नाही. अ‍ॅटोसेकंद लेसरच्या वापराद्वारे, शास्त्रज्ञांना अणु संरचनांमधील इलेक्ट्रॉनच्या गुंतागुंतीच्या गतिशीलतेचे परीक्षण आणि हाताळणी करण्याची अभूतपूर्व क्षमता प्राप्त होते, जी एका सिनेमाई अनुक्रमात फ्रेम-बाय-फ्रेम स्लो-मोशन रिप्लेसारखी असते, ज्यामुळे त्यांच्या परस्परसंवादात खोलवर जाता येते.

अ‍ॅटोसेकंद लेसरअल्ट्राफास्ट लेसर तयार करण्यासाठी नॉनलाइनर ऑप्टिक्सच्या तत्त्वांचा वापर करणाऱ्या शास्त्रज्ञांच्या व्यापक संशोधन आणि एकत्रित प्रयत्नांचा हा कळस आहे. त्यांच्या आगमनाने आपल्याला अणू, रेणू आणि अगदी घन पदार्थांमधील इलेक्ट्रॉनमध्ये होणाऱ्या गतिमान प्रक्रियांचे निरीक्षण आणि अन्वेषण करण्यासाठी एक नाविन्यपूर्ण सोयीस्कर बिंदू प्रदान केला आहे.

पारंपारिक लेसरच्या तुलनेत अ‍ॅटोसेकंद लेसरचे स्वरूप स्पष्ट करण्यासाठी आणि त्यांच्या अपारंपरिक गुणधर्मांचे कौतुक करण्यासाठी, त्यांचे वर्गीकरण व्यापक "लेसर कुटुंब" मध्ये शोधणे अत्यावश्यक आहे. तरंगलांबीनुसार वर्गीकरण अ‍ॅटोसेकंद लेसरना प्रामुख्याने अल्ट्राव्हायोलेट ते सॉफ्ट एक्स-रे फ्रिक्वेन्सीच्या श्रेणीत ठेवते, जे पारंपारिक लेसरच्या तुलनेत त्यांच्या तरंगलांबी विशेषतः कमी दर्शवते. आउटपुट मोडच्या बाबतीत, अ‍ॅटोसेकंद लेसर स्पंदित लेसरच्या श्रेणीत येतात, ज्यांचे वैशिष्ट्य त्यांच्या अत्यंत संक्षिप्त पल्स कालावधीने आहे. स्पष्टतेसाठी एक साधर्म्य काढण्यासाठी, सतत-लहर लेसरची कल्पना प्रकाशाचा सतत किरण उत्सर्जित करणाऱ्या फ्लॅशलाइटसारखी करता येते, तर स्पंदित लेसर स्ट्रोब लाईटसारखे दिसतात, जे प्रकाश आणि अंधाराच्या कालावधीत वेगाने बदलतात. थोडक्यात, अ‍ॅटोसेकंद लेसर प्रकाश आणि अंधारात एक धडधडणारे वर्तन प्रदर्शित करतात, तरीही दोन्ही अवस्थांमधील त्यांचे संक्रमण आश्चर्यकारक वारंवारतेवर होते, अ‍ॅटोसेकंदच्या क्षेत्रात पोहोचते.

पॉवरनुसार पुढील वर्गीकरण लेसरना कमी-शक्ती, मध्यम-शक्ती आणि उच्च-शक्ती कंसात ठेवते. अॅटोसेकंद लेसर त्यांच्या अत्यंत कमी पल्स कालावधीमुळे उच्च शिखर शक्ती प्राप्त करतात, परिणामी एक स्पष्ट शिखर शक्ती (P) मिळते - प्रति युनिट वेळेच्या ऊर्जेची तीव्रता (P=W/t) म्हणून परिभाषित केली जाते. जरी वैयक्तिक अॅटोसेकंद लेसर पल्समध्ये अपवादात्मकपणे मोठी ऊर्जा (W) नसली तरी, त्यांचे संक्षिप्त टेम्पोरल एक्सटेंशन (t) त्यांना उच्च शिखर शक्ती प्रदान करते.

अनुप्रयोग क्षेत्रांच्या बाबतीत, लेसर औद्योगिक, वैद्यकीय आणि वैज्ञानिक अनुप्रयोगांना व्यापून टाकणारे स्पेक्ट्रम व्यापतात. अ‍ॅटोसेकंद लेसर प्रामुख्याने वैज्ञानिक संशोधनाच्या क्षेत्रात, विशेषतः भौतिकशास्त्र आणि रसायनशास्त्राच्या क्षेत्रातील वेगाने विकसित होणाऱ्या घटनांच्या अन्वेषणात त्यांचे स्थान शोधतात, ज्यामुळे सूक्ष्म जगाच्या जलद गतिमान प्रक्रियांमध्ये एक खिडकी उपलब्ध होते.

लेसर माध्यमाद्वारे वर्गीकरण केल्याने लेसरचे वर्णन गॅस लेसर, सॉलिड-स्टेट लेसर, लिक्विड लेसर आणि सेमीकंडक्टर लेसर असे केले जाते. अ‍ॅटोसेकंद लेसरची निर्मिती सामान्यतः गॅस लेसर माध्यमांवर अवलंबून असते, उच्च-स्तरीय हार्मोनिक्स निर्माण करण्यासाठी नॉनलाइनर ऑप्टिकल इफेक्ट्सचा वापर करते.

थोडक्यात, अ‍ॅटोसेकंद लेसर हे शॉर्ट-पल्स लेसरचा एक अद्वितीय वर्ग आहे, जो त्यांच्या असाधारणपणे लहान पल्स कालावधीने ओळखला जातो, जो सामान्यतः अ‍ॅटोसेकंदांमध्ये मोजला जातो. परिणामी, ते अणू, रेणू आणि घन पदार्थांमधील इलेक्ट्रॉनच्या अल्ट्राफास्ट डायनॅमिक प्रक्रियांचे निरीक्षण आणि नियंत्रण करण्यासाठी अपरिहार्य साधने बनले आहेत.

अ‍ॅटोसेकंद लेसर निर्मितीची विस्तृत प्रक्रिया

अ‍ॅटोसेकंद लेसर तंत्रज्ञान वैज्ञानिक नवोपक्रमात आघाडीवर आहे, त्याच्या निर्मितीसाठी एक मनोरंजक आणि कठोर परिस्थिती आहे. अ‍ॅटोसेकंद लेसर निर्मितीची गुंतागुंत स्पष्ट करण्यासाठी, आपण त्याच्या मूलभूत तत्त्वांचे संक्षिप्त स्पष्टीकरण देऊन सुरुवात करतो, त्यानंतर दररोजच्या अनुभवांमधून घेतलेल्या स्पष्ट रूपकांचा समावेश करतो. संबंधित भौतिकशास्त्राच्या गुंतागुंतींमध्ये न सापडलेल्या वाचकांना निराश होण्याची गरज नाही, कारण त्यानंतर येणारे रूपक अ‍ॅटोसेकंद लेसरचे मूलभूत भौतिकशास्त्र सुलभ करण्यासाठी आहेत.

अ‍ॅटोसेकंद लेसरची निर्मिती प्रक्रिया प्रामुख्याने हाय हार्मोनिक जनरेशन (HHG) म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या तंत्रावर अवलंबून असते. प्रथम, उच्च-तीव्रतेच्या फेमटोसेकंद (१०^-१५ सेकंद) लेसर पल्सचा एक बीम वायू लक्ष्य पदार्थावर घट्ट केंद्रित असतो. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की अ‍ॅटोसेकंद लेसरसारखेच फेमटोसेकंद लेसरमध्ये कमी पल्स कालावधी आणि उच्च शिखर शक्ती असण्याची वैशिष्ट्ये आहेत. तीव्र लेसर क्षेत्राच्या प्रभावाखाली, वायू अणूंमधील इलेक्ट्रॉन क्षणिकरित्या त्यांच्या अणु केंद्रकातून मुक्त होतात, क्षणिकरित्या मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या स्थितीत प्रवेश करतात. लेसर क्षेत्राच्या प्रतिसादात हे इलेक्ट्रॉन दोलन करत असताना, ते अखेरीस त्यांच्या मूळ अणु केंद्रकाकडे परत येतात आणि त्यांच्याशी पुन्हा एकत्रित होतात, ज्यामुळे नवीन उच्च-ऊर्जा अवस्था निर्माण होतात.

या प्रक्रियेदरम्यान, इलेक्ट्रॉन अत्यंत उच्च वेगाने हालचाल करतात आणि अणु केंद्रकाशी पुनर्संयोजन झाल्यावर, ते उच्च हार्मोनिक उत्सर्जनाच्या स्वरूपात अतिरिक्त ऊर्जा सोडतात, जे उच्च-ऊर्जा फोटॉन म्हणून प्रकट होतात.

या नव्याने निर्माण झालेल्या उच्च-ऊर्जा फोटॉनच्या फ्रिक्वेन्सी मूळ लेसर फ्रिक्वेन्सीच्या पूर्णांक गुणाकार आहेत, ज्याला उच्च-क्रम हार्मोनिक्स म्हणतात, जिथे "हार्मोनिक्स" म्हणजे मूळ फ्रिक्वेन्सीच्या अविभाज्य गुणाकार असलेल्या फ्रिक्वेन्सीज. अॅटोसेकंद लेसर मिळविण्यासाठी, या उच्च-क्रम हार्मोनिक्सला फिल्टर करणे आणि फोकस करणे आवश्यक होते, विशिष्ट हार्मोनिक्स निवडणे आणि त्यांना एका केंद्रबिंदूमध्ये केंद्रित करणे. इच्छित असल्यास, पल्स कॉम्प्रेशन तंत्रे पल्स कालावधी आणखी कमी करू शकतात, अॅटोसेकंद श्रेणीमध्ये अल्ट्रा-शॉर्ट पल्स देतात. स्पष्टपणे, अॅटोसेकंद लेसरची निर्मिती ही एक अत्याधुनिक आणि बहुआयामी प्रक्रिया आहे, ज्यासाठी उच्च दर्जाचे तांत्रिक कौशल्य आणि विशेष उपकरणे आवश्यक असतात.

या गुंतागुंतीच्या प्रक्रियेचे रहस्य उलगडण्यासाठी, आम्ही दररोजच्या परिस्थितींमध्ये आधारित एक रूपकात्मक समांतर देतो:

उच्च-तीव्रतेच्या फेमटोसेकंद लेसर पल्स:

उच्च-तीव्रतेच्या फेमटोसेकंद लेसर पल्सने बजावलेल्या भूमिकेप्रमाणेच, प्रचंड वेगाने तात्काळ दगड फेकण्यास सक्षम असाधारण शक्तिशाली कॅटपल्ट असलेली कल्पना करा.

वायूयुक्त लक्ष्य साहित्य:

एका शांत पाण्याच्या थराची कल्पना करा जो वायूमय लक्ष्य पदार्थाचे प्रतीक आहे, जिथे पाण्याचा प्रत्येक थेंब असंख्य वायू अणूंचे प्रतिनिधित्व करतो. या पाण्याच्या थरात दगड ढकलण्याची क्रिया वायूमय लक्ष्य पदार्थावर उच्च-तीव्रतेच्या फेमटोसेकंद लेसर पल्सच्या प्रभावाचे प्रतिबिंब आहे.

इलेक्ट्रॉन गती आणि पुनर्संयोजन (भौतिकदृष्ट्या संक्रमण म्हणतात):

जेव्हा फेमटोसेकंद लेसर पल्स वायूच्या लक्ष्य पदार्थातील वायू अणूंवर परिणाम करतात, तेव्हा बाह्य इलेक्ट्रॉनांची एक मोठी संख्या क्षणिकरित्या अशा स्थितीत उत्तेजित होते जिथे ते त्यांच्या संबंधित अणु केंद्रकांपासून वेगळे होतात, ज्यामुळे प्लाझ्मासारखी स्थिती निर्माण होते. प्रणालीची ऊर्जा नंतर कमी होत असताना (लेसर पल्स मूळतः स्पंदित असल्याने, समाप्तीच्या अंतराने), हे बाह्य इलेक्ट्रॉन अणु केंद्रकाच्या त्यांच्या जवळ परत जातात, उच्च-ऊर्जा फोटॉन सोडतात.

उच्च हार्मोनिक जनरेशन:

कल्पना करा की जेव्हा जेव्हा पाण्याचा थेंब तलावाच्या पृष्ठभागावर परत येतो तेव्हा तो लहरी निर्माण करतो, जसे की अ‍ॅटोसेकंद लेसरमध्ये उच्च हार्मोनिक्स असतात. या लहरींमध्ये प्राथमिक फेमटोसेकंद लेसर पल्समुळे निर्माण होणाऱ्या मूळ लहरींपेक्षा जास्त वारंवारता आणि मोठेपणा असतो. HHG प्रक्रियेदरम्यान, सतत फेकणाऱ्या दगडांसारखे एक शक्तिशाली लेसर बीम, तलावाच्या पृष्ठभागासारखे, वायू लक्ष्य प्रकाशित करतो. हे तीव्र लेसर क्षेत्र वायूमधील इलेक्ट्रॉनांना, लहरींसारखे, त्यांच्या मूळ अणूंपासून दूर ढकलते आणि नंतर त्यांना मागे खेचते. प्रत्येक वेळी जेव्हा इलेक्ट्रॉन अणूकडे परत येतो तेव्हा ते अधिक गुंतागुंतीच्या लहरी नमुन्यांसारखे, उच्च वारंवारता असलेले एक नवीन लेसर बीम उत्सर्जित करते.

फिल्टरिंग आणि फोकसिंग:

या सर्व नवीन निर्माण झालेल्या लेसर किरणांना एकत्र केल्याने विविध रंगांचा (फ्रिक्वेन्सी किंवा तरंगलांबी) स्पेक्ट्रम मिळतो, ज्यापैकी काही अॅटोसेकंद लेसर बनवतात. विशिष्ट तरंग आकार आणि वारंवारता वेगळे करण्यासाठी, तुम्ही इच्छित तरंग निवडण्यासारखे एक विशेष फिल्टर वापरू शकता आणि त्यांना विशिष्ट क्षेत्रावर केंद्रित करण्यासाठी भिंग वापरू शकता.

पल्स कॉम्प्रेशन (आवश्यक असल्यास):

जर तुम्ही लहरी जलद आणि कमी वेगाने प्रसारित करण्याचे ध्येय ठेवले असेल, तर तुम्ही एका विशेष उपकरणाचा वापर करून त्यांच्या प्रसाराला गती देऊ शकता, ज्यामुळे प्रत्येक लहरी टिकण्याचा वेळ कमी होतो. अ‍ॅटोसेकंद लेसरच्या निर्मितीमध्ये प्रक्रियांचा एक जटिल परस्परसंवाद असतो. तथापि, जेव्हा ते विभाजित केले जाते आणि दृश्यमान केले जाते तेव्हा ते अधिक समजण्यासारखे होते.