यूनिवर्सिटी हॉलवे में करीब 50 मीटर लेजर एक्सपेरिमेंट ने रिकॉर्ड बनाया

यह हर विश्वविद्यालय में नहीं है कि कागज और त्वचा को जलाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली लेजर दालों को एक दालान में धधकते हुए भेजा जाता है। लेकिन यूएमडी की एनर्जी रिसर्च फैसिलिटी में यही हुआ, जो कैंपस के उत्तर-पूर्व कोने में एक साधारण दिखने वाली इमारत है। यदि आप उपयोगितावादी सफेद और ग्रे हॉल में जाते हैं, तो यह किसी भी अन्य विश्वविद्यालय हॉल की तरह लगता है – जब तक आप कॉर्क बोर्ड के पीछे नहीं जाते हैं और धातु की प्लेट को दीवार में एक छेद को कवर करते हैं।

लेकिन 2021 में कुछ रातों के लिए, यूएमडी भौतिकी के प्रोफेसर हावर्ड मिल्चबर्ग और उनके सहयोगियों ने दालान को एक प्रयोगशाला में बदल दिया: संभावित चकाचौंध प्रतिबिंबों से बचने के लिए दरवाजों की चमकदार सतहों और एक पानी के फव्वारे को कवर किया गया था; कनेक्टिंग हॉलवे को संकेतों, सावधानी टेप और विशेष के साथ बंद कर दिया गया था लेज़र-अवशोषित काले पर्दे; और वैज्ञानिक उपकरण और केबल सामान्य रूप से खुले चलने की जगह में रहते हैं।

जैसे ही टीम के सदस्य अपने काम पर गए, एक तड़क-भड़क वाली आवाज ने चेतावनी दी कि खतरनाक रूप से शक्तिशाली पथ लेजर ने हॉल को उड़ा दिया। कभी-कभी बीम की यात्रा एक सफेद सिरेमिक ब्लॉक पर समाप्त हो जाती है, हवा को जोर से चबूतरे और एक धात्विक स्पर्श से भर देती है। प्रत्येक रात, एक शोधकर्ता बगल की प्रयोगशाला में वॉकी-टॉकी के साथ एक कंप्यूटर पर अकेला बैठा और लेजर के लिए अनुरोधित समायोजन किया।

उनका प्रयास अस्थायी रूप से पतली हवा को फाइबर में बदलने का था ऑप्टिक केबल-या, अधिक विशेष रूप से, एक हवा वेवगाइड—वह दसियों मीटर तक प्रकाश का मार्गदर्शन करेगा। ऑप्टिकल डेटा की धाराओं के लिए कुशल राजमार्ग प्रदान करने वाले फाइबर ऑप्टिक इंटरनेट केबलों में से एक की तरह, एक एयर वेवगाइड प्रकाश के लिए एक मार्ग निर्धारित करता है।

इन एयर वेवगाइड्स में प्रकाश को इकट्ठा करने या प्रसारित करने से संबंधित कई संभावित अनुप्रयोग हैं, जैसे वायुमंडलीय प्रदूषण, लंबी दूरी के लेजर संचार या यहां तक ​​कि लेजर हथियार द्वारा उत्सर्जित प्रकाश का पता लगाना। एक एयर वेवगाइड के साथ, ठोस केबल को खोलने और गुरुत्वाकर्षण की बाधाओं से चिंतित होने की कोई आवश्यकता नहीं है; इसके बजाय, केबल तेजी से हवा में असमर्थित हो जाती है।

जर्नल में प्रकाशन के लिए स्वीकृत एक पेपर में शारीरिक समीक्षा एक्स टीम ने वर्णन किया कि कैसे उन्होंने 45-मीटर लंबे एयर वेवगाइड्स में प्रकाश का मार्गदर्शन करके एक रिकॉर्ड बनाया और उनकी पद्धति के पीछे की भौतिकी को समझाया।

शोधकर्ताओं ने कार्यदिवस के दौरान असुविधाजनक (या ज़ैपिंग) सहयोगियों या छात्रों को परेशान करने से बचने के लिए रात में अपनी रिकॉर्ड-सेटिंग वायुमंडलीय कीमिया का संचालन किया। इससे पहले कि वे दालान का पुनरुत्पादन कर सकें, उन्हें अपनी सुरक्षा प्रक्रियाओं को अनुमोदित करवाना पड़ा।

“यह वास्तव में एक अनूठा अनुभव था,” यूएमडी इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग स्नातक छात्र एंड्रयू गोफिन कहते हैं, जिन्होंने परियोजना पर काम किया और परिणामी पत्रिका लेख पर एक प्रमुख लेखक हैं। “ऐसे बहुत सारे काम हैं जो लैब के बाहर लेज़रों की शूटिंग में जाते हैं, जब आप लैब में होते हैं तो इससे निपटने की ज़रूरत नहीं है – जैसे आँखों की सुरक्षा के लिए पर्दे लगाना। यह निश्चित रूप से थका देने वाला था।”

सारा काम यह देखना था कि वे तकनीक को किस हद तक आगे बढ़ा सकते हैं। पहले मिल्चबर्ग की प्रयोगशाला ने प्रदर्शित किया था कि एक समान विधि एक मीटर से कम दूरी के लिए काम करती है। लेकिन शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोगों को दसियों मीटर तक विस्तारित करने में बाधा डाली: उनकी प्रयोगशाला बहुत छोटी है और लेजर को स्थानांतरित करना अव्यावहारिक है। इस प्रकार, दीवार में एक छेद और एक दालान प्रयोगशाला स्थान बन जाता है।

“बड़ी चुनौतियाँ थीं: 50 मीटर तक के विशाल पैमाने ने हमें एयर वेवगाइड पीढ़ी के मौलिक भौतिकी पर पुनर्विचार करने के लिए मजबूर किया, साथ ही एक उच्च शक्ति लेजर मिल्चबर्ग कहते हैं, “50 मीटर लंबे सार्वजनिक हॉलवे के नीचे स्वाभाविक रूप से प्रमुख सुरक्षा मुद्दों को ट्रिगर किया जाता है।” “सौभाग्य से, हमें भौतिकी और मैरीलैंड पर्यावरण सुरक्षा कार्यालय दोनों से उत्कृष्ट सहयोग मिला।”

फाइबर ऑप्टिक केबल या वेवगाइड के बिना, a प्रकाश किरण-चाहे लेज़र से हो या टॉर्च से—यात्रा करते समय लगातार फैलता रहेगा। यदि अनियंत्रित प्रसार की अनुमति दी जाती है, तो बीम की तीव्रता अनुपयोगी स्तर तक गिर सकती है। चाहे आप एक विज्ञान कथा लेजर ब्लास्टर को फिर से बनाने की कोशिश कर रहे हों या वातावरण में प्रदूषक स्तरों का पता लगाने के लिए उन्हें लेजर से ऊर्जा से भरकर और जारी प्रकाश को कैप्चर कर रहे हों, यह प्रकाश की कुशल, केंद्रित डिलीवरी सुनिश्चित करने के लिए भुगतान करता है।

प्रकाश को सीमित रखने की इस चुनौती का मिल्चबर्ग का संभावित समाधान अतिरिक्त प्रकाश है- अल्ट्रा-शॉर्ट लेजर दालों के रूप में। यह प्रोजेक्ट 2014 के पिछले काम पर बनाया गया था जिसमें उनकी प्रयोगशाला ने प्रदर्शित किया था कि वे हवा में वेवगाइड्स को गढ़ने के लिए इस तरह के लेजर दालों का उपयोग कर सकते हैं।

लघु नाड़ी तकनीक एक पथ के साथ इतनी उच्च तीव्रता प्रदान करने के लिए लेजर की क्षमता का उपयोग करती है, जिसे फिलामेंट कहा जाता है, यह एक प्लाज्मा बनाता है – पदार्थ का एक चरण जहां इलेक्ट्रॉनों को उनके परमाणुओं से मुक्त कर दिया गया है। यह ऊर्जावान पथ हवा को गर्म करता है, इसलिए यह फैलता है और लेजर के चलते कम घनत्व वाली हवा का मार्ग छोड़ देता है। यह प्रक्रिया प्रकाश और गड़गड़ाहट के एक छोटे संस्करण से मिलती जुलती है, जहां बिजली के बोल्ट की ऊर्जा हवा को एक प्लाज्मा में बदल देती है जो हवा को विस्फोटक रूप से फैलाती है, जिससे गड़गड़ाहट पैदा होती है; शोधकर्ताओं ने बीम पथ के साथ सुनाई देने वाली पॉपिंग ध्वनियां गड़गड़ाहट के छोटे चचेरे भाई थे।

लेकिन ये कम घनत्व वाले फिलामेंट पथ अपने आप नहीं थे जो टीम को लेजर को निर्देशित करने के लिए आवश्यक थे। शोधकर्ता एक उच्च घनत्व वाला कोर (इंटरनेट फाइबर ऑप्टिक केबल के समान) चाहते थे। इसलिए, उन्होंने कई कम-घनत्व वाली सुरंगों की एक व्यवस्था बनाई जो स्वाभाविक रूप से फैलती हैं और बिना हवा के सघन कोर के आसपास एक खंदक में विलीन हो जाती हैं।

2014 के प्रयोगों में सिर्फ चार लेज़र तंतुओं की एक सेट व्यवस्था का उपयोग किया गया था, लेकिन नए प्रयोग ने एक उपन्यास लेज़र सेटअप का लाभ उठाया जो लेज़र ऊर्जा के आधार पर स्वचालित रूप से तंतुओं की संख्या को बढ़ाता है; तंतु स्वाभाविक रूप से खुद को एक वलय के चारों ओर वितरित करते हैं।

शोधकर्ताओं ने दिखाया कि तकनीक एयर वेवगाइड की लंबाई बढ़ा सकती है, जिससे हॉलवे के अंत में वे लक्ष्य तक पहुंच सकते हैं। लेजर की यात्रा के समापन पर, वेवगाइड ने लगभग 20% प्रकाश रखा था जो अन्यथा उनके लक्षित क्षेत्र से खो गया होता। दूरी पिछले प्रयोगों से उनके रिकॉर्ड से लगभग 60 गुना अधिक थी। टीम की गणना से पता चलता है कि वे अभी तक तकनीक की सैद्धांतिक सीमा के पास नहीं हैं, और वे कहते हैं कि भविष्य में विधि के साथ बहुत अधिक मार्गदर्शक क्षमता आसानी से प्राप्त की जानी चाहिए।

यूएमडी भौतिकी स्नातक छात्र एंड्रयू टार्टारो कहते हैं, “अगर हमारे पास एक लंबा हॉलवे था, तो हमारे नतीजे बताते हैं कि हम लेजर को लंबे वेवगाइड के लिए समायोजित कर सकते थे।” और कागज पर एक लेखक हैं। “लेकिन हमारे पास हमारे दालान के लिए हमारा गाइड सही है।”

शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला में आठ मीटर के छोटे परीक्षण भी किए जहां उन्होंने प्रक्रिया में चल रहे भौतिकी की अधिक विस्तार से जांच की। छोटे परीक्षण के लिए वे संभावित रूप से खोए हुए प्रकाश का लगभग 60% अपने लक्ष्य तक पहुँचाने में सफल रहे।

प्लाज्मा निर्माण की पॉपिंग ध्वनि को उनके परीक्षणों में व्यावहारिक उपयोग के लिए रखा गया था। बीम कहां था इसका संकेत होने के अलावा, इसने शोधकर्ताओं को डेटा भी प्रदान किया। उन्होंने वेवगाइड की लंबाई को मापने के लिए 64 माइक्रोफोनों की एक पंक्ति का उपयोग किया और वेवगाइड इसकी लंबाई के साथ कितना मजबूत था (वेवगाइड बनाने में अधिक ऊर्जा जोर से पॉप में अनुवाद करती है)।

टीम ने पाया कि वेवगाइड पतली हवा में वापस फैलने से पहले सेकंड के सौवें हिस्से तक ही चला। लेकिन शोधकर्ताओं ने इसके माध्यम से लेजर फटने के लिए कल्प भेजे थे: प्रकाश उस समय में 3,000 किमी से अधिक की दूरी तय कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोगों और सिमुलेशन से जो सीखा, उसके आधार पर टीम अपने एयर वेवगाइड्स की लंबाई और दक्षता को और बेहतर बनाने के लिए प्रयोगों की योजना बना रही है। वे प्रकाश के विभिन्न रंगों को निर्देशित करने की योजना भी बनाते हैं और यह जांचने के लिए कि क्या एक तेज़ फिलामेंट पल्स पुनरावृत्ति दर एक निरंतर उच्च-शक्ति बीम को चैनल करने के लिए वेवगाइड उत्पन्न कर सकती है।

मिल्चबर्ग कहते हैं, “एयर वेवगाइड्स के लिए 50 मीटर के पैमाने तक पहुंचना सचमुच लंबे वेवगाइड्स और कई अनुप्रयोगों के लिए पथ को प्रज्वलित करता है।” “नए लेज़रों के आधार पर हम जल्द ही प्राप्त करने वाले हैं, हमारे पास अपने गाइड को एक किलोमीटर और उससे आगे तक बढ़ाने का नुस्खा है।”