अरेखीय प्रकाशिकी: उच्च-तीव्रता वाले प्रकाश की घटनाओं के क्षेत्र की खोज

अरेखीय प्रकाशिकी (NLO) प्रकाशिकी की एक शाखा है जो उन घटनाओं का अध्ययन करती है जो तब होती हैं जब किसी लागू विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र, जैसे कि प्रकाश, के प्रति किसी पदार्थ की प्रतिक्रिया अरेखीय होती है। यानी, पदार्थ का ध्रुवीकरण घनत्व P प्रकाश के विद्युत क्षेत्र E के प्रति अरेखीय रूप से प्रतिक्रिया करता है। यह अरेखीयता केवल बहुत उच्च प्रकाश तीव्रता पर ही ध्यान देने योग्य हो जाती है, जो आमतौर पर लेजर से प्राप्त होती है। रैखिक प्रकाशिकी के विपरीत, जहाँ प्रकाश केवल एक माध्यम से अपनी आवृत्ति या अन्य मौलिक गुणों को बदले बिना (अपवर्तन और अवशोषण को छोड़कर) फैलता है, अरेखीय प्रकाशिकी उन अंतःक्रियाओं से संबंधित है जो प्रकाश को ही बदल देती हैं। यह NLO को प्रकाश में हेरफेर करने, नई तरंग दैर्ध्य उत्पन्न करने और मौलिक भौतिकी की खोज के लिए एक शक्तिशाली उपकरण बनाता है।

अरेखीयता का सार

रैखिक प्रकाशिकी में, किसी पदार्थ का ध्रुवीकरण लागू विद्युत क्षेत्र के सीधे आनुपातिक होता है: P = χ⁽¹⁾E, जहाँ χ⁽¹⁾ रैखिक सुग्राहिता (linear susceptibility) है। हालाँकि, उच्च प्रकाश तीव्रता पर, यह रैखिक संबंध टूट जाता है। हमें तब उच्च-कोटि के पदों पर विचार करना चाहिए:

P = χ⁽¹⁾E + χ⁽²⁾E² + χ⁽³⁾E³ + ...

यहाँ, χ⁽²⁾, χ⁽³⁾, और इसी तरह क्रमशः द्वितीय-कोटि, तृतीय-कोटि, और उच्च-कोटि की अरेखीय सुग्राहिताएँ हैं। ये पद पदार्थ की अरेखीय प्रतिक्रिया के लिए जिम्मेदार हैं। इन अरेखीय सुग्राहिताओं का परिमाण आमतौर पर बहुत छोटा होता है, यही कारण है कि वे केवल उच्च प्रकाश तीव्रता पर ही महत्वपूर्ण होती हैं।

मौलिक अरेखीय प्रकाशीय घटनाएँ

द्वितीय-कोटि की अरेखीयताएँ (χ⁽²⁾)

द्वितीय-कोटि की अरेखीयताएँ निम्नलिखित जैसी घटनाओं को जन्म देती हैं:

• द्वितीय हार्मोनिक उत्पादन (SHG): इसे आवृत्ति दोहरीकरण के रूप में भी जाना जाता है, SHG समान आवृत्ति के दो फोटॉनों को दोगुनी आवृत्ति (आधी तरंग दैर्ध्य) वाले एक फोटॉन में परिवर्तित करता है। उदाहरण के लिए, 1064 एनएम (अवरक्त) पर उत्सर्जित होने वाले लेजर को 532 एनएम (हरा) में आवृत्ति-दोगुना किया जा सकता है। यह आमतौर पर लेजर पॉइंटर्स और विभिन्न वैज्ञानिक अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। SHG केवल उन सामग्रियों में संभव है जिनके क्रिस्टल संरचना में व्युत्क्रमण समरूपता का अभाव होता है। उदाहरणों में केडीपी (पोटेशियम डाइहाइड्रोजन फॉस्फेट), बीबीओ (बीटा-बेरियम बोरेट), और लिथियम नायोबेट (LiNbO3) शामिल हैं।
• योग आवृत्ति उत्पादन (SFG): SFG विभिन्न आवृत्तियों के दो फोटॉनों को मिलाकर उनकी आवृत्तियों के योग के साथ एक फोटॉन उत्पन्न करता है। इस प्रक्रिया का उपयोग विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश उत्पन्न करने के लिए किया जाता है जो सीधे लेजर से उपलब्ध नहीं हो सकते हैं।
• अंतर आवृत्ति उत्पादन (DFG): DFG विभिन्न आवृत्तियों के दो फोटॉनों को मिलाकर उनकी आवृत्तियों के अंतर के साथ एक फोटॉन उत्पन्न करता है। DFG का उपयोग ट्यून करने योग्य अवरक्त या टेराहर्ट्ज़ विकिरण उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है।
• ऑप्टिकल पैरामीट्रिक प्रवर्धन (OPA) और दोलन (OPO): OPA एक मजबूत पंप बीम और एक अरेखीय क्रिस्टल का उपयोग करके एक कमजोर सिग्नल बीम को प्रवर्धित करता है। OPO एक समान प्रक्रिया है जहाँ सिग्नल और आइडलर बीम अरेखीय क्रिस्टल के भीतर शोर से उत्पन्न होते हैं, जिससे एक ट्यून करने योग्य प्रकाश स्रोत बनता है। OPA और OPO का व्यापक रूप से स्पेक्ट्रोस्कोपी और अन्य अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है जहाँ ट्यून करने योग्य प्रकाश की आवश्यकता होती है।

उदाहरण: बायोफोटोनिक्स में, SHG माइक्रोस्कोपी का उपयोग ऊतकों में कोलेजन फाइबर की छवि बनाने के लिए बिना धुंधलापन की आवश्यकता के किया जाता है। यह तकनीक ऊतक संरचना और रोग की प्रगति का अध्ययन करने के लिए मूल्यवान है।

तृतीय-कोटि की अरेखीयताएँ (χ⁽³⁾)

तृतीय-कोटि की अरेखीयताएँ समरूपता की परवाह किए बिना सभी सामग्रियों में मौजूद होती हैं, और निम्नलिखित जैसी घटनाओं को जन्म देती हैं:

• तृतीय हार्मोनिक उत्पादन (THG): THG समान आवृत्ति के तीन फोटॉनों को तीन गुना आवृत्ति (एक-तिहाई तरंग दैर्ध्य) वाले एक फोटॉन में परिवर्तित करता है। THG, SHG की तुलना में कम कुशल है लेकिन पराबैंगनी विकिरण उत्पन्न करने के लिए इसका उपयोग किया जा सकता है।
• स्व-केंद्रण: χ⁽³⁾ अरेखीयता के कारण किसी पदार्थ का अपवर्तनांक तीव्रता-निर्भर हो सकता है। यदि लेजर बीम के केंद्र में तीव्रता किनारों की तुलना में अधिक है, तो केंद्र में अपवर्तनांक अधिक होगा, जिससे बीम स्वयं केंद्रित हो जाएगी। इस घटना का उपयोग ऑप्टिकल वेवगाइड बनाने या ऑप्टिकल घटकों को नुकसान पहुँचाने के लिए किया जा सकता है। केर प्रभाव, जो विद्युत क्षेत्र के वर्ग के आनुपातिक अपवर्तनांक में परिवर्तन का वर्णन करता है, इसका एक प्रकटीकरण है।
• स्व-कला मॉडुलन (SPM): जैसे-जैसे प्रकाश की एक पल्स की तीव्रता समय के साथ बदलती है, पदार्थ का अपवर्तनांक भी समय के साथ बदलता है। इससे पल्स का समय-निर्भर कला विस्थापन होता है, जो इसके स्पेक्ट्रम को चौड़ा करता है। SPM का उपयोग चर्प्ड पल्स एम्प्लीफिकेशन (CPA) जैसी तकनीकों में प्रकाश की अल्ट्राशॉर्ट पल्स उत्पन्न करने के लिए किया जाता है।
• क्रॉस-कला मॉडुलन (XPM): एक बीम की तीव्रता दूसरे बीम द्वारा अनुभव किए गए अपवर्तनांक को प्रभावित कर सकती है। इस प्रभाव का उपयोग ऑप्टिकल स्विचिंग और सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए किया जा सकता है।
• फोर-वेव मिक्सिंग (FWM): FWM तीन इनपुट फोटॉनों को मिलाकर एक अलग आवृत्ति और दिशा के साथ चौथा फोटॉन उत्पन्न करता है। इस प्रक्रिया का उपयोग ऑप्टिकल सिग्नल प्रोसेसिंग, फेज कंजुगेशन और क्वांटम ऑप्टिक्स प्रयोगों के लिए किया जा सकता है।

उदाहरण: ऑप्टिकल फाइबर लंबी दूरी पर कुशल डेटा ट्रांसमिशन सुनिश्चित करने के लिए SPM और XPM जैसे अरेखीय प्रभावों के सावधानीपूर्वक प्रबंधन पर निर्भर करते हैं। इंजीनियर इन अरेखीयताओं के कारण होने वाले पल्स विस्तार का मुकाबला करने के लिए फैलाव क्षतिपूर्ति तकनीकों का उपयोग करते हैं।

अरेखीय प्रकाशिकी के लिए पदार्थ

कुशल अरेखीय प्रकाशीय प्रक्रियाओं के लिए पदार्थ का चुनाव महत्वपूर्ण है। विचार करने के लिए प्रमुख कारकों में शामिल हैं:

• अरेखीय सुग्राहिता: उच्च अरेखीय सुग्राहिता कम तीव्रता पर मजबूत अरेखीय प्रभावों की ओर ले जाती है।
• पारदर्शिता रेंज: पदार्थ को इनपुट और आउटपुट प्रकाश की तरंग दैर्ध्य पर पारदर्शी होना चाहिए।
• कला मिलान: कुशल अरेखीय आवृत्ति रूपांतरण के लिए कला मिलान की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि परस्पर क्रिया करने वाले फोटॉनों के तरंग सदिशों को एक विशिष्ट संबंध को संतुष्ट करना चाहिए। इसे पदार्थ के द्वि-अपवर्तन (विभिन्न ध्रुवीकरणों के लिए अपवर्तनांक में अंतर) को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके प्राप्त किया जा सकता है। तकनीकों में कोण ट्यूनिंग, तापमान ट्यूनिंग और अर्ध-कला मिलान (QPM) शामिल हैं।
• क्षति सीमा: पदार्थ को बिना क्षतिग्रस्त हुए लेजर प्रकाश की उच्च तीव्रता का सामना करने में सक्षम होना चाहिए।
• लागत और उपलब्धता: व्यावहारिक विचार भी पदार्थ चयन में एक भूमिका निभाते हैं।

सामान्य NLO पदार्थों में शामिल हैं:

• क्रिस्टल: केडीपी, बीबीओ, LiNbO3, एलबीओ (लिथियम ट्राइबोरेट), केटीपी (पोटेशियम टाइटैनिल फॉस्फेट)।
• अर्धचालक: GaAs (गैलियम आर्सेनाइड), GaP (गैलियम फॉस्फाइड)।
• कार्बनिक पदार्थ: इन पदार्थों में बहुत अधिक अरेखीय सुग्राहिता हो सकती है लेकिन अक्सर अकार्बनिक क्रिस्टल की तुलना में कम क्षति सीमा होती है। उदाहरणों में पॉलिमर और कार्बनिक रंग शामिल हैं।
• मेटामटेरियल्स: अनुकूलित विद्युत चुम्बकीय गुणों वाले कृत्रिम रूप से इंजीनियर किए गए पदार्थ अरेखीय प्रभावों को बढ़ा सकते हैं।
• ग्राफीन और 2डी पदार्थ: ये पदार्थ अपनी इलेक्ट्रॉनिक संरचना के कारण अद्वितीय अरेखीय प्रकाशीय गुण प्रदर्शित करते हैं।

अरेखीय प्रकाशिकी के अनुप्रयोग

अरेखीय प्रकाशिकी के विभिन्न क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग हैं, जिनमें शामिल हैं:

• लेजर प्रौद्योगिकी: आवृत्ति रूपांतरण (SHG, THG, SFG, DFG), ऑप्टिकल पैरामीट्रिक ऑसिलेटर (OPOs), और पल्स शेपिंग।
• ऑप्टिकल संचार: तरंग दैर्ध्य रूपांतरण, ऑप्टिकल स्विचिंग, और सिग्नल प्रोसेसिंग।
• स्पेक्ट्रोस्कोपी: कोहेरेंट एंटी-स्टोक्स रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (CARS), योग-आवृत्ति उत्पादन कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी (SFG-VS)।
• माइक्रोस्कोपी: द्वितीय हार्मोनिक उत्पादन (SHG) माइक्रोस्कोपी, मल्टी-फोटॉन माइक्रोस्कोपी।
• क्वांटम प्रकाशिकी: उलझे हुए फोटॉनों, निचोड़े हुए प्रकाश, और प्रकाश की अन्य गैर-शास्त्रीय अवस्थाओं का उत्पादन।
• पदार्थ विज्ञान: भौतिक गुणों का लक्षण वर्णन, लेजर-प्रेरित क्षति अध्ययन।
• चिकित्सा निदान: ऑप्टिकल कोहेरेंस टोमोग्राफी (OCT), अरेखीय ऑप्टिकल इमेजिंग।
• पर्यावरण निगरानी: वायुमंडलीय प्रदूषकों की रिमोट सेंसिंग।

वैश्विक प्रभाव के उदाहरण

• दूरसंचार: समुद्र के नीचे की फाइबर ऑप्टिक केबलें ऑप्टिकल एम्पलीफायरों पर निर्भर करती हैं, जो बदले में महाद्वीपों में सिग्नल की शक्ति बढ़ाने और डेटा अखंडता बनाए रखने के लिए NLO सिद्धांतों पर निर्भर करती हैं।
• चिकित्सा इमेजिंग: उन्नत चिकित्सा इमेजिंग तकनीकें, जैसे मल्टी-फोटॉन माइक्रोस्कोपी, विश्व स्तर पर अस्पतालों और अनुसंधान संस्थानों में बीमारियों का शीघ्र पता लगाने और उपचार की प्रभावकारिता की निगरानी के लिए तैनात की जाती हैं। उदाहरण के लिए, जर्मनी के अस्पताल त्वचा कैंसर के बेहतर निदान के लिए मल्टी-फोटॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करते हैं।
• विनिर्माण: उच्च-परिशुद्धता लेजर कटिंग और वेल्डिंग, जो एयरोस्पेस (जैसे, फ्रांस में विमान घटकों का निर्माण) से लेकर इलेक्ट्रॉनिक्स (जैसे, ताइवान में अर्धचालकों का निर्माण) तक के उद्योगों के लिए महत्वपूर्ण है, आवश्यक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य उत्पन्न करने के लिए अरेखीय ऑप्टिकल क्रिस्टल पर निर्भर करती है।
• मौलिक अनुसंधान: दुनिया भर की क्वांटम कंप्यूटिंग अनुसंधान प्रयोगशालाएं, जिनमें कनाडा और सिंगापुर की प्रयोगशालाएं भी शामिल हैं, उलझे हुए फोटॉनों को उत्पन्न करने और उनमें हेरफेर करने के लिए NLO प्रक्रियाओं का उपयोग करती हैं, जो क्वांटम कंप्यूटरों के लिए आवश्यक बिल्डिंग ब्लॉक्स हैं।

अल्ट्राफास्ट अरेखीय प्रकाशिकी

फेमटोसेकंड लेजर के आगमन ने अरेखीय प्रकाशिकी में नई संभावनाओं को खोल दिया है। अल्ट्राशॉर्ट पल्स के साथ, पदार्थ को नुकसान पहुँचाए बिना बहुत अधिक शिखर तीव्रता प्राप्त की जा सकती है। यह पदार्थों में अल्ट्राफास्ट गतिशीलता के अध्ययन और नए अनुप्रयोगों के विकास की अनुमति देता है।

अल्ट्राफास्ट अरेखीय प्रकाशिकी के प्रमुख क्षेत्रों में शामिल हैं:

• उच्च-हार्मोनिक उत्पादन (HHG): HHG एक गैस में तीव्र फेमटोसेकंड लेजर पल्स को केंद्रित करके अत्यधिक उच्च-आवृत्ति प्रकाश (XUV और सॉफ्ट एक्स-रे) उत्पन्न करता है। यह एटोसेकंड विज्ञान के लिए सुसंगत शॉर्ट-वेवलेंथ विकिरण का एक स्रोत है।
• एटोसेकंड विज्ञान: एटोसेकंड पल्स (1 एटोसेकंड = 10^-18 सेकंड) वैज्ञानिकों को वास्तविक समय में परमाणुओं और अणुओं में इलेक्ट्रॉनों की गति की जांच करने की अनुमति देते हैं।
• अल्ट्राफास्ट स्पेक्ट्रोस्कोपी: अल्ट्राफास्ट स्पेक्ट्रोस्कोपी रासायनिक प्रतिक्रियाओं, इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण प्रक्रियाओं और अन्य अल्ट्राफास्ट घटनाओं की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए फेमटोसेकंड लेजर पल्स का उपयोग करती है।

चुनौतियाँ और भविष्य की दिशाएँ

जबकि अरेखीय प्रकाशिकी ने महत्वपूर्ण प्रगति की है, कई चुनौतियाँ बनी हुई हैं:

• दक्षता: कई अरेखीय प्रक्रियाएँ अभी भी अपेक्षाकृत अक्षम हैं, जिनके लिए उच्च पंप शक्तियों और लंबी अंतःक्रिया लंबाई की आवश्यकता होती है।
• पदार्थ विकास: उच्च अरेखीय सुग्राहिता, व्यापक पारदर्शिता रेंज, और उच्च क्षति सीमा वाले नए पदार्थों की खोज जारी है।
• कला मिलान: कुशल कला मिलान प्राप्त करना चुनौतीपूर्ण हो सकता है, खासकर ब्रॉडबैंड या ट्यून करने योग्य प्रकाश स्रोतों के लिए।
• जटिलता: अरेखीय घटनाओं को समझना और नियंत्रित करना जटिल हो सकता है, जिसके लिए परिष्कृत सैद्धांतिक मॉडल और प्रयोगात्मक तकनीकों की आवश्यकता होती है।

अरेखीय प्रकाशिकी में भविष्य की दिशाओं में शामिल हैं:

• नए अरेखीय पदार्थों का विकास: कार्बनिक पदार्थों, मेटामटेरियल्स और 2डी पदार्थों पर ध्यान केंद्रित करना।
• नवीन अरेखीय घटनाओं का उपयोग: प्रकाश में हेरफेर करने और नई तरंग दैर्ध्य उत्पन्न करने के नए तरीकों की खोज करना।
• लघुकरण और एकीकरण: कॉम्पैक्ट और कुशल प्रणालियों के लिए चिप्स पर अरेखीय ऑप्टिकल उपकरणों को एकीकृत करना।
• क्वांटम अरेखीय प्रकाशिकी: नई क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए अरेखीय प्रकाशिकी को क्वांटम प्रकाशिकी के साथ जोड़ना।
• बायोफोटोनिक्स और चिकित्सा में अनुप्रयोग: चिकित्सा इमेजिंग, निदान और चिकित्सा के लिए नई अरेखीय ऑप्टिकल तकनीकों का विकास करना।

निष्कर्ष

अरेखीय प्रकाशिकी विज्ञान और प्रौद्योगिकी में व्यापक अनुप्रयोगों के साथ एक जीवंत और तेजी से विकसित हो रहा क्षेत्र है। प्रकाश की नई तरंग दैर्ध्य उत्पन्न करने से लेकर पदार्थों में अल्ट्राफास्ट गतिशीलता की जांच करने तक, NLO प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रियाओं की हमारी समझ की सीमाओं को आगे बढ़ाना जारी रखता है और नई तकनीकी प्रगति को सक्षम बनाता है। जैसे-जैसे हम नई सामग्री और तकनीक विकसित करना जारी रखेंगे, अरेखीय प्रकाशिकी का भविष्य और भी रोमांचक होने का वादा करता है।

अतिरिक्त पठन:

• Nonlinear Optics by Robert W. Boyd
• Fundamentals of Photonics by Bahaa E. A. Saleh and Malvin Carl Teich

अस्वीकरण: यह ब्लॉग पोस्ट अरेखीय प्रकाशिकी का एक सामान्य अवलोकन प्रदान करता है और केवल सूचना के उद्देश्यों के लिए है। इसका उद्देश्य विषय का व्यापक या संपूर्ण उपचार होना नहीं है। विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए विशेषज्ञों से परामर्श करें।