૩ ઓક્ટોબર, ૨૦૨૩ ના રોજ સાંજે એક મહત્વપૂર્ણ જાહેરાતમાં, ૨૦૨૩ ના વર્ષ માટે ભૌતિકશાસ્ત્રમાં નોબેલ પુરસ્કારનું અનાવરણ કરવામાં આવ્યું, જેમાં એટોસેકન્ડ લેસર ટેકનોલોજીના ક્ષેત્રમાં અગ્રણી તરીકે મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવનારા ત્રણ વૈજ્ઞાનિકોના ઉત્કૃષ્ટ યોગદાનને માન્યતા આપવામાં આવી.

"એટોસેકન્ડ લેસર" શબ્દ તેનું નામ તેના અવિશ્વસનીય ટૂંકા સમયના સ્કેલ પરથી આવ્યો છે, ખાસ કરીને એટોસેકન્ડના ક્રમમાં, જે 10^-18 સેકન્ડને અનુરૂપ છે. આ ટેકનોલોજીના ગહન મહત્વને સમજવા માટે, એટોસેકન્ડ શું દર્શાવે છે તેની મૂળભૂત સમજણ સર્વોપરી છે. એટોસેકન્ડ એ સમયના અત્યંત નાના એકમ તરીકે ઉભો થાય છે, જે એક સેકન્ડના વ્યાપક સંદર્ભમાં એક અબજમા ભાગનો એક અબજમો ભાગ બનાવે છે. આને પરિપ્રેક્ષ્યમાં મૂકવા માટે, જો આપણે એક સેકન્ડને એક ઊંચા પર્વત સાથે સરખાવીએ, તો એક એટોસેકન્ડ પર્વતના પાયા પર સ્થિત રેતીના એક દાણા જેવું હશે. આ ક્ષણિક સમયાંતરે, પ્રકાશ પણ ભાગ્યે જ એક વ્યક્તિગત અણુના કદ જેટલું અંતર પાર કરી શકે છે. એટોસેકન્ડ લેસરોના ઉપયોગ દ્વારા, વૈજ્ઞાનિકો અણુ માળખામાં ઇલેક્ટ્રોનની જટિલ ગતિશીલતાની તપાસ અને હેરફેર કરવાની અભૂતપૂર્વ ક્ષમતા મેળવે છે, જે સિનેમેટિક ક્રમમાં ફ્રેમ-બાય-ફ્રેમ સ્લો-મોશન રિપ્લે જેવું છે, જેનાથી તેમના આંતરપ્રક્રિયામાં ઊંડા ઉતરે છે.

એટોસેકન્ડ લેસરોઅલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર બનાવવા માટે નોનલાઇનર ઓપ્ટિક્સના સિદ્ધાંતોનો ઉપયોગ કરનારા વૈજ્ઞાનિકોના વ્યાપક સંશોધન અને સંયુક્ત પ્રયાસોની પરાકાષ્ઠાનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. તેમના આગમનથી આપણને ઘન પદાર્થોમાં અણુઓ, પરમાણુઓ અને ઇલેક્ટ્રોનની અંદર થતી ગતિશીલ પ્રક્રિયાઓના અવલોકન અને શોધ માટે એક નવીન સુવિધા મળી છે.

એટોસેકન્ડ લેસરોની પ્રકૃતિને સ્પષ્ટ કરવા અને પરંપરાગત લેસરોની તુલનામાં તેમના અપરંપરાગત ગુણધર્મોની પ્રશંસા કરવા માટે, વ્યાપક "લેસર પરિવાર" માં તેમના વર્ગીકરણનું અન્વેષણ કરવું આવશ્યક છે. તરંગલંબાઇ દ્વારા વર્ગીકરણ એટોસેકન્ડ લેસરોને મુખ્યત્વે અલ્ટ્રાવાયોલેટથી સોફ્ટ એક્સ-રે ફ્રીક્વન્સીઝની શ્રેણીમાં મૂકે છે, જે પરંપરાગત લેસરોની તુલનામાં તેમની નોંધપાત્ર રીતે ટૂંકી તરંગલંબાઇ દર્શાવે છે. આઉટપુટ મોડ્સની દ્રષ્ટિએ, એટોસેકન્ડ લેસર સ્પંદિત લેસરોની શ્રેણીમાં આવે છે, જે તેમના ખૂબ જ ટૂંકા પલ્સ સમયગાળા દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. સ્પષ્ટતા માટે સામ્યતા દોરવા માટે, કોઈ સતત-તરંગ લેસરોને પ્રકાશના સતત કિરણ ઉત્સર્જિત કરતી ફ્લેશલાઇટ જેવી કલ્પના કરી શકે છે, જ્યારે સ્પંદિત લેસર સ્ટ્રોબ પ્રકાશ જેવા હોય છે, જે પ્રકાશ અને અંધકારના સમયગાળા વચ્ચે ઝડપથી બદલાતા રહે છે. સારમાં, એટોસેકન્ડ લેસર પ્રકાશ અને અંધકારમાં ધબકતું વર્તન દર્શાવે છે, છતાં બે સ્થિતિઓ વચ્ચેનું તેમનું સંક્રમણ આશ્ચર્યજનક આવર્તન પર થાય છે, એટોસેકન્ડના ક્ષેત્રમાં પહોંચે છે.

પાવર દ્વારા વધુ વર્ગીકરણ લેસરોને ઓછી-શક્તિ, મધ્યમ-શક્તિ અને ઉચ્ચ-શક્તિ કૌંસમાં મૂકે છે. એટોસેકન્ડ લેસરો તેમના અત્યંત ટૂંકા પલ્સ સમયગાળાને કારણે ઉચ્ચ ટોચ શક્તિ પ્રાપ્ત કરે છે, જેના પરિણામે ઉચ્ચારણ ટોચ શક્તિ (P) થાય છે - જે પ્રતિ યુનિટ સમય ઊર્જાની તીવ્રતા (P=W/t) તરીકે વ્યાખ્યાયિત થાય છે. જોકે વ્યક્તિગત એટોસેકન્ડ લેસર પલ્સ અપવાદરૂપે મોટી ઊર્જા (W) ધરાવી શકતા નથી, તેમનો સંક્ષિપ્ત ટેમ્પોરલ એક્સટેન્ટ (t) તેમને એલિવેટેડ ટોચ શક્તિ પ્રદાન કરે છે.

એપ્લિકેશન ડોમેન્સની દ્રષ્ટિએ, લેસરો ઔદ્યોગિક, તબીબી અને વૈજ્ઞાનિક એપ્લિકેશનોને આવરી લેતા સ્પેક્ટ્રમમાં ફેલાયેલા છે. એટોસેકન્ડ લેસરો મુખ્યત્વે વૈજ્ઞાનિક સંશોધનના ક્ષેત્રમાં, ખાસ કરીને ભૌતિકશાસ્ત્ર અને રસાયણશાસ્ત્રના ક્ષેત્રમાં ઝડપથી વિકસતી ઘટનાઓના સંશોધનમાં, સૂક્ષ્મ વિશ્વની ઝડપી ગતિશીલ પ્રક્રિયાઓમાં એક બારી પ્રદાન કરે છે.

લેસર માધ્યમ દ્વારા વર્ગીકરણ લેસરોને ગેસ લેસર, સોલિડ-સ્ટેટ લેસર, લિક્વિડ લેસર અને સેમિકન્ડક્ટર લેસર તરીકે વર્ગીકૃત કરે છે. એટોસેકન્ડ લેસરોનું ઉત્પાદન સામાન્ય રીતે ગેસ લેસર મીડિયા પર ટકી રહે છે, ઉચ્ચ-ક્રમ હાર્મોનિક્સ ઉત્પન્ન કરવા માટે બિન-રેખીય ઓપ્ટિકલ અસરોનો ઉપયોગ કરે છે.

સારાંશમાં, એટોસેકન્ડ લેસરો ટૂંકા-પલ્સ લેસરોનો એક અનોખો વર્ગ બનાવે છે, જે તેમના અસાધારણ ટૂંકા પલ્સ સમયગાળા દ્વારા અલગ પડે છે, જે સામાન્ય રીતે એટોસેકન્ડમાં માપવામાં આવે છે. પરિણામે, તેઓ અણુઓ, પરમાણુઓ અને ઘન પદાર્થોની અંદર ઇલેક્ટ્રોનની અલ્ટ્રાફાસ્ટ ગતિશીલ પ્રક્રિયાઓનું નિરીક્ષણ અને નિયંત્રણ કરવા માટે અનિવાર્ય સાધનો બની ગયા છે.

એટોસેકન્ડ લેસર જનરેશનની વિસ્તૃત પ્રક્રિયા

એટોસેકન્ડ લેસર ટેકનોલોજી વૈજ્ઞાનિક નવીનતાઓમાં મોખરે છે, જે તેના ઉત્પાદન માટે રસપ્રદ અને કઠોર પરિસ્થિતિઓનો સમૂહ ધરાવે છે. એટોસેકન્ડ લેસર જનરેશનની જટિલતાઓને સ્પષ્ટ કરવા માટે, આપણે તેના અંતર્ગત સિદ્ધાંતોના સંક્ષિપ્ત વર્ણનથી શરૂઆત કરીએ છીએ, ત્યારબાદ રોજિંદા અનુભવોમાંથી મેળવેલા આબેહૂબ રૂપકો રજૂ કરીએ છીએ. સંબંધિત ભૌતિકશાસ્ત્રની જટિલતાઓમાં ન વાચનારા વાચકોએ નિરાશ થવાની જરૂર નથી, કારણ કે આગામી રૂપકોનો હેતુ એટોસેકન્ડ લેસરોના પાયાના ભૌતિકશાસ્ત્રને સુલભ બનાવવાનો છે.

એટોસેકન્ડ લેસરોની ઉત્પાદન પ્રક્રિયા મુખ્યત્વે હાઇ હાર્મોનિક જનરેશન (HHG) તરીકે ઓળખાતી તકનીક પર આધાર રાખે છે. સૌપ્રથમ, ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા ફેમટોસેકન્ડ (10^-15 સેકન્ડ) લેસર પલ્સનો બીમ વાયુયુક્ત લક્ષ્ય સામગ્રી પર ચુસ્તપણે કેન્દ્રિત હોય છે. એ નોંધવું યોગ્ય છે કે ફેમટોસેકન્ડ લેસર, એટોસેકન્ડ લેસર જેવા, ટૂંકા પલ્સ અવધિ અને ઉચ્ચ પીક ​​પાવર ધરાવવાની લાક્ષણિકતાઓ શેર કરે છે. તીવ્ર લેસર ક્ષેત્રના પ્રભાવ હેઠળ, ગેસ અણુઓની અંદરના ઇલેક્ટ્રોન ક્ષણિક રીતે તેમના પરમાણુ કેન્દ્રમાંથી મુક્ત થાય છે, ક્ષણિક રીતે મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની સ્થિતિમાં પ્રવેશ કરે છે. જેમ જેમ આ ઇલેક્ટ્રોન લેસર ક્ષેત્રના પ્રતિભાવમાં ઓસીલેટ થાય છે, તેમ તેમ તેઓ આખરે તેમના મૂળ પરમાણુ કેન્દ્રમાં પાછા ફરે છે અને તેમની સાથે ફરીથી જોડાય છે, નવી ઉચ્ચ-ઊર્જા સ્થિતિઓ બનાવે છે.

આ પ્રક્રિયા દરમિયાન, ઇલેક્ટ્રોન અત્યંત ઊંચા વેગથી ગતિ કરે છે, અને અણુ ન્યુક્લી સાથે પુનઃસંયોજન પર, તેઓ ઉચ્ચ હાર્મોનિક ઉત્સર્જનના સ્વરૂપમાં વધારાની ઊર્જા મુક્ત કરે છે, જે ઉચ્ચ-ઊર્જા ફોટોન તરીકે પ્રગટ થાય છે.

આ નવા ઉત્પન્ન થયેલા ઉચ્ચ-ઊર્જા ફોટોનની ફ્રીક્વન્સીઝ મૂળ લેસર ફ્રીક્વન્સીના પૂર્ણાંક ગુણાંક છે, જે હાઇ-ઓર્ડર હાર્મોનિક્સ તરીકે ઓળખાય છે, જ્યાં "હાર્મોનિક્સ" એ ફ્રીક્વન્સીઝ દર્શાવે છે જે મૂળ ફ્રીક્વન્સીના અભિન્ન ગુણાંક છે. એટોસેકન્ડ લેસરો પ્રાપ્ત કરવા માટે, આ હાઇ-ઓર્ડર હાર્મોનિક્સને ફિલ્ટર અને ફોકસ કરવું જરૂરી બને છે, ચોક્કસ હાર્મોનિક્સને પસંદ કરીને અને તેમને ફોકલ પોઇન્ટમાં કેન્દ્રિત કરવું. જો ઇચ્છિત હોય, તો પલ્સ કમ્પ્રેશન તકનીકો પલ્સ અવધિને વધુ ટૂંકી કરી શકે છે, એટોસેકન્ડ શ્રેણીમાં અલ્ટ્રા-શોર્ટ પલ્સ ઉત્પન્ન કરી શકે છે. દેખીતી રીતે, એટોસેકન્ડ લેસરોનું ઉત્પાદન એક અત્યાધુનિક અને બહુપક્ષીય પ્રક્રિયા છે, જેમાં ઉચ્ચ ડિગ્રી ટેકનિકલ કૌશલ્ય અને વિશિષ્ટ સાધનોની જરૂર પડે છે.

આ જટિલ પ્રક્રિયાને રહસ્યમય બનાવવા માટે, અમે રોજિંદા પરિસ્થિતિઓમાં આધારિત એક રૂપકાત્મક સમાંતર પ્રદાન કરીએ છીએ:

ઉચ્ચ-તીવ્રતા ફેમટોસેકન્ડ લેસર પલ્સ:

કલ્પના કરો કે તમારી પાસે એક અપવાદરૂપે શક્તિશાળી કેટપલ્ટ છે જે પ્રચંડ ગતિએ તરત જ પથ્થરો ફેંકી શકે છે, જે ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા ફેમટોસેકન્ડ લેસર પલ્સ દ્વારા ભજવવામાં આવતી ભૂમિકા સમાન છે.

વાયુયુક્ત લક્ષ્ય સામગ્રી:

પાણીના શાંત શરીરની કલ્પના કરો જે વાયુયુક્ત લક્ષ્ય પદાર્થનું પ્રતીક છે, જ્યાં પાણીનું દરેક ટીપું અસંખ્ય વાયુ પરમાણુઓનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. પાણીના આ શરીરમાં પત્થરોને ધકેલવાની ક્રિયા વાયુયુક્ત લક્ષ્ય પદાર્થ પર ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા ફેમટોસેકન્ડ લેસર પલ્સની અસરને સમાન રીતે પ્રતિબિંબિત કરે છે.

ઇલેક્ટ્રોન ગતિ અને પુનઃસંયોજન (ભૌતિક રીતે સંક્રમણ તરીકે ઓળખાય છે):

જ્યારે ફેમટોસેકન્ડ લેસર પલ્સ વાયુયુક્ત લક્ષ્ય સામગ્રીની અંદરના ગેસ પરમાણુઓને અસર કરે છે, ત્યારે નોંધપાત્ર સંખ્યામાં બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોન ક્ષણિક રીતે એવી સ્થિતિમાં ઉત્તેજિત થાય છે જ્યાં તેઓ તેમના સંબંધિત અણુ કેન્દ્રથી અલગ થઈ જાય છે, જે પ્લાઝ્મા જેવી સ્થિતિ બનાવે છે. જેમ જેમ સિસ્ટમની ઊર્જા ત્યારબાદ ઘટતી જાય છે (કારણ કે લેસર પલ્સ સ્વાભાવિક રીતે ધબકતા હોય છે, જેમાં અંતરાલો સમાપ્ત થાય છે), આ બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોન અણુ કેન્દ્રની નજીક પાછા ફરે છે, ઉચ્ચ-ઊર્જા ફોટોન મુક્ત કરે છે.

ઉચ્ચ હાર્મોનિક જનરેશન:

કલ્પના કરો કે જ્યારે પણ પાણીનું ટીપું તળાવની સપાટી પર પાછું પડે છે, ત્યારે તે લહેરો બનાવે છે, જે એટોસેકન્ડ લેસરમાં ઉચ્ચ હાર્મોનિક્સ જેવું જ છે. આ લહેરોમાં પ્રાથમિક ફેમટોસેકન્ડ લેસર પલ્સને કારણે થતી મૂળ લહેરો કરતાં વધુ આવર્તન અને કંપનવિસ્તાર હોય છે. HHG પ્રક્રિયા દરમિયાન, એક શક્તિશાળી લેસર બીમ, જે સતત ફેંકાતા પથ્થરો જેવું હોય છે, તે તળાવની સપાટી જેવું જ ગેસ લક્ષ્યને પ્રકાશિત કરે છે. આ તીવ્ર લેસર ક્ષેત્ર ગેસમાં રહેલા ઇલેક્ટ્રોનને, લહેરો જેવા જ, તેમના મૂળ અણુઓથી દૂર ધકેલે છે અને પછી તેમને પાછા ખેંચે છે. દર વખતે જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન અણુ પર પાછો ફરે છે, ત્યારે તે વધુ જટિલ લહેર પેટર્ન જેવી, ઉચ્ચ આવર્તન સાથે એક નવો લેસર બીમ બહાર કાઢે છે.

ફિલ્ટરિંગ અને ફોકસિંગ:

આ બધા નવા ઉત્પન્ન થયેલા લેસર બીમને જોડવાથી વિવિધ રંગો (ફ્રિક્વન્સીઝ અથવા તરંગલંબાઇ) નો સ્પેક્ટ્રમ મળે છે, જેમાંથી કેટલાક એટોસેકન્ડ લેસર બનાવે છે. ચોક્કસ લહેરના કદ અને ફ્રીક્વન્સીઝને અલગ કરવા માટે, તમે ઇચ્છિત લહેરો પસંદ કરવા જેવું વિશિષ્ટ ફિલ્ટર વાપરી શકો છો, અને તેમને ચોક્કસ વિસ્તાર પર કેન્દ્રિત કરવા માટે બૃહદદર્શક કાચનો ઉપયોગ કરી શકો છો.

પલ્સ કમ્પ્રેશન (જો જરૂરી હોય તો):

જો તમે લહેરોને ઝડપી અને ટૂંકા ફેલાવવાનું લક્ષ્ય રાખતા હો, તો તમે વિશિષ્ટ ઉપકરણનો ઉપયોગ કરીને તેમના ફેલાવાને વેગ આપી શકો છો, દરેક લહેરનો સમય ઘટાડી શકો છો. એટોસેકન્ડ લેસરોના ઉત્પાદનમાં પ્રક્રિયાઓની જટિલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા શામેલ છે. જો કે, જ્યારે તેને વિભાજીત કરીને વિઝ્યુઅલાઈઝ કરવામાં આવે છે, ત્યારે તે વધુ સમજી શકાય તેવું બને છે.