अरेषीय प्रकाशकी: उच्च-तीव्रतेच्या प्रकाशाच्या घटनांचे क्षेत्र शोधणे

अरेषीय प्रकाशकी (NLO) ही प्रकाशकीची एक शाखा आहे जी लागू केलेल्या विद्युतचुंबकीय क्षेत्राला, जसे की प्रकाश, एखाद्या पदार्थाचा प्रतिसाद अरेषीय (nonlinear) असताना घडणाऱ्या घटनांचा अभ्यास करते. म्हणजेच, पदार्थाची ध्रुवीकरण घनता P प्रकाशाच्या विद्युत क्षेत्राला E अरेषीय प्रतिसाद देते. ही अरेषीयता केवळ अत्यंत उच्च प्रकाश तीव्रतेवर लक्षात येते, जी सामान्यतः लेझरद्वारे प्राप्त केली जाते. रेषीय प्रकाशकीच्या विपरीत, जिथे प्रकाश फक्त एका माध्यमातून वारंवारता किंवा इतर मूलभूत गुणधर्म न बदलता (अपवर्तन आणि शोषण वगळता) जातो, तिथे अरेषीय प्रकाशकी प्रकाशालाच बदलणाऱ्या आंतरक्रियांशी संबंधित आहे. यामुळे प्रकाशात फेरफार करण्यासाठी, नवीन तरंगलांबी निर्माण करण्यासाठी आणि मूलभूत भौतिकशास्त्राचा शोध घेण्यासाठी NLO एक शक्तिशाली साधन बनते.

अरेषीयतेचे सार

रेषीय प्रकाशकीमध्ये, पदार्थाचे ध्रुवीकरण लागू केलेल्या विद्युत क्षेत्राच्या थेट प्रमाणात असते: P = χ⁽¹⁾E, जिथे χ⁽¹⁾ ही रेषीय संवेदनशीलता (linear susceptibility) आहे. तथापि, उच्च प्रकाश तीव्रतेवर, हे रेषीय संबंध तुटतात. त्यानंतर आपल्याला उच्च-श्रेणीच्या पदांचा विचार करणे आवश्यक आहे:

P = χ⁽¹⁾E + χ⁽²⁾E² + χ⁽³⁾E³ + ...

येथे, χ⁽²⁾, χ⁽³⁾, आणि इतर द्वितीय-श्रेणी, तृतीय-श्रेणी आणि उच्च-श्रेणीच्या अरेषीय संवेदनशीलता आहेत. ही पदे पदार्थाच्या अरेषीय प्रतिसादाचे कारण आहेत. या अरेषीय संवेदनशीलतेचे परिमाण सामान्यतः खूप लहान असते, म्हणूनच त्या केवळ उच्च प्रकाश तीव्रतेवर महत्त्वपूर्ण असतात.

मूलभूत अरेषीय प्रकाशीय घटना

द्वितीय-श्रेणी अरेषीयता (χ⁽²⁾)

द्वितीय-श्रेणी अरेषीयतेमुळे खालील घटना घडतात:

• द्वितीय हार्मोनिक जनरेशन (SHG): याला वारंवारता दुप्पट करणे (frequency doubling) असेही म्हणतात, SHG समान वारंवारतेच्या दोन फोटॉनला दुप्पट वारंवारता (अर्धी तरंगलांबी) असलेल्या एका फोटॉनमध्ये रूपांतरित करते. उदाहरणार्थ, 1064 nm (अवरक्त) वर उत्सर्जन करणारा लेझर 532 nm (हिरवा) मध्ये वारंवारता-दुप्पट केला जाऊ शकतो. हे सामान्यतः लेझर पॉइंटर्स आणि विविध वैज्ञानिक अनुप्रयोगांमध्ये वापरले जाते. SHG फक्त अशा पदार्थांमध्ये शक्य आहे ज्यांच्या क्रिस्टल संरचनेत व्युत्क्रमण समरूपतेचा अभाव असतो. उदाहरणांमध्ये KDP (पोटॅशियम डायहायड्रोजन फॉस्फेट), BBO (बीटा-बेरियम बोरेट), आणि लिथियम नायोबेट (LiNbO3) यांचा समावेश आहे.
• योग वारंवारता निर्मिती (SFG): SFG वेगवेगळ्या वारंवारतेच्या दोन फोटॉनला एकत्र करून त्यांच्या वारंवारतेच्या बेरजेसह एक फोटॉन तयार करते. ही प्रक्रिया विशिष्ट तरंगलांबीवर प्रकाश निर्माण करण्यासाठी वापरली जाते जी थेट लेझरमधून उपलब्ध नसते.
• फरक वारंवारता निर्मिती (DFG): DFG वेगवेगळ्या वारंवारतेच्या दोन फोटॉनला एकत्र करून त्यांच्या वारंवारतेच्या फरकासह एक फोटॉन तयार करते. DFG चा उपयोग ट्यून करण्यायोग्य अवरक्त किंवा टेराहर्ट्झ विकिरण निर्माण करण्यासाठी केला जातो.
• ऑप्टिकल पॅरामेट्रिक प्रवर्धन (OPA) आणि ऑसिलेशन (OPO): OPA एका मजबूत पंप बीम आणि अरेषीय क्रिस्टलचा वापर करून एका कमकुवत सिग्नल बीमला प्रवर्धित करते. OPO ही एक समान प्रक्रिया आहे जिथे सिग्नल आणि आयडलर बीम अरेषीय क्रिस्टलमध्ये नॉइजमधून निर्माण होतात, ज्यामुळे एक ट्यून करण्यायोग्य प्रकाश स्रोत तयार होतो. OPA आणि OPO चा उपयोग स्पेक्ट्रोस्कोपी आणि इतर अनुप्रयोगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जातो जेथे ट्यून करण्यायोग्य प्रकाशाची आवश्यकता असते.

उदाहरण: बायोफोटोनिक्समध्ये, SHG मायक्रोस्कोपीचा उपयोग ऊतींमधील कोलेजन तंतूंची प्रतिमा घेण्यासाठी डागांच्या (staining) गरजेशिवाय केला जातो. हे तंत्र ऊतींची रचना आणि रोगाच्या प्रगतीचा अभ्यास करण्यासाठी मौल्यवान आहे.

तृतीय-श्रेणी अरेषीयता (χ⁽³⁾)

तृतीय-श्रेणी अरेषीयता समरूपतेची पर्वा न करता सर्व पदार्थांमध्ये उपस्थित असतात आणि खालील घटनांना कारणीभूत ठरतात:

• तृतीय हार्मोनिक जनरेशन (THG): THG समान वारंवारतेच्या तीन फोटॉनला तिप्पट वारंवारता (एक तृतीयांश तरंगलांबी) असलेल्या एका फोटॉनमध्ये रूपांतरित करते. THG हे SHG पेक्षा कमी कार्यक्षम आहे परंतु अतिनील विकिरण निर्माण करण्यासाठी वापरले जाऊ शकते.
• स्व-केंद्रीकरण: χ⁽³⁾ अरेषीयतेमुळे पदार्थाचा अपवर्तनांक तीव्रतेवर अवलंबून होऊ शकतो. जर लेझर बीमच्या मध्यभागी तीव्रता कडांपेक्षा जास्त असेल, तर मध्यभागी अपवर्तनांक जास्त असेल, ज्यामुळे बीम स्वतःच केंद्रित होईल. या घटनेचा उपयोग ऑप्टिकल वेव्हगाईड्स तयार करण्यासाठी किंवा ऑप्टिकल घटकांना नुकसान पोहोचवण्यासाठी केला जाऊ शकतो. केर इफेक्ट, जो विद्युत क्षेत्राच्या वर्गाच्या प्रमाणात अपवर्तनांक बदल दर्शवतो, तो याचेच एक प्रकटीकरण आहे.
• स्व-प्रावस्था मॉड्युलेशन (SPM): जशी प्रकाशाच्या पल्सची तीव्रता वेळेनुसार बदलते, तसाच पदार्थाचा अपवर्तनांकही वेळेनुसार बदलतो. यामुळे पल्समध्ये वेळेवर अवलंबून फेज शिफ्ट होतो, ज्यामुळे त्याचा स्पेक्ट्रम विस्तृत होतो. SPM चा उपयोग चिर्प्ड पल्स ॲम्प्लिफिकेशन (CPA) सारख्या तंत्रांमध्ये प्रकाशाचे अतिशय छोटे पल्स निर्माण करण्यासाठी केला जातो.
• क्रॉस-प्रावस्था मॉड्युलेशन (XPM): एका बीमची तीव्रता दुसऱ्या बीमद्वारे अनुभवल्या जाणाऱ्या अपवर्तनांकावर परिणाम करू शकते. या परिणामाचा उपयोग ऑप्टिकल स्विचिंग आणि सिग्नल प्रोसेसिंगसाठी केला जाऊ शकतो.
• फोर-वेव्ह मिक्सिंग (FWM): FWM तीन इनपुट फोटॉनला एकत्र करून एक चौथा फोटॉन निर्माण करते ज्याची वारंवारता आणि दिशा वेगळी असते. या प्रक्रियेचा उपयोग ऑप्टिकल सिग्नल प्रोसेसिंग, फेज कॉन्जगेशन आणि क्वांटम ऑप्टिक्स प्रयोगांसाठी केला जाऊ शकतो.

उदाहरण: ऑप्टिकल फायबर्स लांब अंतरावर कार्यक्षम डेटा ट्रान्समिशन सुनिश्चित करण्यासाठी SPM आणि XPM सारख्या अरेषीय परिणामांच्या काळजीपूर्वक व्यवस्थापनावर अवलंबून असतात. अभियंते या अरेषीयतेमुळे होणारे पल्स ब्रॉडनिंग कमी करण्यासाठी डिस्पर्शन कॉम्पेन्सेशन तंत्रांचा वापर करतात.

अरेषीय प्रकाशकीसाठी पदार्थ

कार्यक्षम अरेषीय प्रकाशीय प्रक्रियेसाठी पदार्थाची निवड अत्यंत महत्त्वाची आहे. विचारात घेण्यासारखे मुख्य घटक आहेत:

• अरेषीय संवेदनशीलता: उच्च अरेषीय संवेदनशीलता कमी तीव्रतेवर मजबूत अरेषीय परिणामांना कारणीभूत ठरते.
• पारदर्शकता श्रेणी: पदार्थ इनपुट आणि आउटपुट प्रकाशाच्या तरंगलांबीवर पारदर्शक असणे आवश्यक आहे.
• प्रावस्था जुळणी: कार्यक्षम अरेषीय वारंवारता रूपांतरणासाठी प्रावस्था जुळणी (phase matching) आवश्यक आहे, याचा अर्थ आंतरक्रिया करणाऱ्या फोटॉनच्या वेव्ह व्हेक्टरने एका विशिष्ट संबंधाचे पालन करणे आवश्यक आहे. हे पदार्थाच्या बायरेफ्रिन्जेन्स (वेगवेगळ्या ध्रुवीकरणांसाठी अपवर्तनांकातील फरक) काळजीपूर्वक नियंत्रित करून साधले जाऊ शकते. तंत्रांमध्ये अँगल ट्यूनिंग, तापमान ट्यूनिंग, आणि क्वासी-प्रावस्था जुळणी (QPM) यांचा समावेश आहे.
• नुकसान मर्यादा: पदार्थाने नुकसान न होता लेझर प्रकाशाच्या उच्च तीव्रतेचा सामना करणे आवश्यक आहे.
• खर्च आणि उपलब्धता: पदार्थ निवडताना व्यावहारिक बाबींचाही विचार केला जातो.

सामान्य NLO पदार्थांमध्ये यांचा समावेश आहे:

• स्फटिक: KDP, BBO, LiNbO3, LBO (लिथियम ट्रायबोरेट), KTP (पोटॅशियम टिटॅनिल फॉस्फेट).
• अर्धवाहक: GaAs (गॅलियम आर्सेनाइड), GaP (गॅलियम फॉस्फाइड).
• सेंद्रिय पदार्थ: या पदार्थांमध्ये खूप उच्च अरेषीय संवेदनशीलता असू शकते परंतु त्यांची नुकसान मर्यादा अजैविक स्फटिकांपेक्षा कमी असते. उदाहरणांमध्ये पॉलिमर आणि सेंद्रिय डाईजचा समावेश आहे.
• मेटामटेरियल्स: विशिष्ट विद्युतचुंबकीय गुणधर्मांसह कृत्रिमरित्या तयार केलेले पदार्थ अरेषीय परिणाम वाढवू शकतात.
• ग्राफीन आणि 2D पदार्थ: हे पदार्थ त्यांच्या इलेक्ट्रॉनिक रचनेमुळे अद्वितीय अरेषीय प्रकाशीय गुणधर्म प्रदर्शित करतात.

अरेषीय प्रकाशकीचे उपयोग

अरेषीय प्रकाशकीचे विविध क्षेत्रांमध्ये विस्तृत उपयोग आहेत, ज्यात यांचा समावेश आहे:

• लेझर तंत्रज्ञान: वारंवारता रूपांतरण (SHG, THG, SFG, DFG), ऑप्टिकल पॅरामेट्रिक ऑसिलेटर (OPOs), आणि पल्स शेपिंग.
• प्रकाशीय दळणवळण: तरंगलांबी रूपांतरण, ऑप्टिकल स्विचिंग, आणि सिग्नल प्रोसेसिंग.
• स्पेक्ट्रोस्कोपी: कोहेन्ट अँटी-स्टोक्स रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (CARS), सम-फ्रिक्वेन्सी जनरेशन व्हायब्रेशनल स्पेक्ट्रोस्कोपी (SFG-VS).
• मायक्रोस्कोपी: द्वितीय हार्मोनिक जनरेशन (SHG) मायक्रोस्कोपी, मल्टी-फोटॉन मायक्रोस्कोपी.
• क्वांटम प्रकाशकी: अडकलेल्या (entangled) फोटॉनची निर्मिती, स्क्विझ्ड प्रकाश, आणि प्रकाशाच्या इतर नॉन-क्लासिकल अवस्था.
• पदार्थ विज्ञान: पदार्थांच्या गुणधर्मांचे वैशिष्ट्यीकरण, लेझर-प्रेरित नुकसान अभ्यास.
• वैद्यकीय निदान: ऑप्टिकल कोहेरेन्स टोमोग्राफी (OCT), अरेषीय ऑप्टिकल इमेजिंग.
• पर्यावरण निरीक्षण: वातावरणातील प्रदूषकांचे दूरस्थ संवेदन.

जागतिक प्रभावाची उदाहरणे

• दूरसंचार: समुद्राखालील फायबर ऑप्टिक केबल्स ऑप्टिकल ॲम्प्लिफायर्सवर अवलंबून असतात, जे सिग्नलची शक्ती वाढवण्यासाठी आणि खंडांमध्ये डेटा अखंडता टिकवण्यासाठी NLO तत्त्वांवर अवलंबून असतात.
• वैद्यकीय इमेजिंग: मल्टी-फोटॉन मायक्रोस्कोपीसारखी प्रगत वैद्यकीय इमेजिंग तंत्रे, रोग लवकर ओळखण्यासाठी आणि उपचारांच्या प्रभावीतेवर लक्ष ठेवण्यासाठी जगभरातील रुग्णालये आणि संशोधन संस्थांमध्ये तैनात आहेत. उदाहरणार्थ, जर्मनीमधील रुग्णालये त्वचेच्या कर्करोगाच्या प्रगत निदानासाठी मल्टी-फोटॉन मायक्रोस्कोप वापरतात.
• उत्पादन: एरोस्पेस (उदा. फ्रान्समध्ये विमानाचे घटक बनवणे) ते इलेक्ट्रॉनिक्स (उदा. तैवानमध्ये सेमीकंडक्टर बनवणे) पर्यंतच्या उद्योगांसाठी महत्त्वाचे असलेले उच्च-परिशुद्धी लेझर कटिंग आणि वेल्डिंग, आवश्यक विशिष्ट तरंगलांबी निर्माण करण्यासाठी अरेषीय ऑप्टिकल क्रिस्टल्सवर अवलंबून असते.
• मूलभूत संशोधन: कॅनडा आणि सिंगापूरसह जगभरातील क्वांटम कॉम्प्युटिंग संशोधन प्रयोगशाळा, अडकलेले फोटॉन तयार करण्यासाठी आणि हाताळण्यासाठी NLO प्रक्रिया वापरतात, जे क्वांटम कॉम्प्युटरसाठी आवश्यक बिल्डिंग ब्लॉक्स आहेत.

अतिवेगवान अरेषीय प्रकाशकी

फेमटोसेकंद लेझरच्या आगमनाने अरेषीय प्रकाशकीमध्ये नवीन शक्यता उघडल्या आहेत. अतिशय लहान पल्समुळे, पदार्थाला नुकसान न पोहोचवता खूप उच्च शिखर तीव्रता प्राप्त केली जाऊ शकते. यामुळे पदार्थांमधील अतिवेगवान गतिशीलतेचा अभ्यास आणि नवीन अनुप्रयोगांचा विकास शक्य होतो.

अतिवेगवान अरेषीय प्रकाशकीमधील प्रमुख क्षेत्रे खालीलप्रमाणे आहेत:

• उच्च-हार्मोनिक जनरेशन (HHG): HHG वायूमध्ये तीव्र फेमटोसेकंद लेझर पल्स केंद्रित करून अत्यंत उच्च-वारंवारतेचा प्रकाश (XUV आणि सॉफ्ट एक्स-रे) निर्माण करते. हे ॲटोसेकंद विज्ञानासाठी सुसंगत कमी-तरंगलांबीच्या विकिरणाचा स्रोत आहे.
• ॲटोसेकंद विज्ञान: ॲटोसेकंद पल्स (1 ॲटोसेकंद = 10^-18 सेकंद) शास्त्रज्ञांना अणू आणि रेणूंमधील इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीचा वास्तविक वेळेत मागोवा घेण्यास अनुमती देतात.
• अतिवेगवान स्पेक्ट्रोस्कोपी: अतिवेगवान स्पेक्ट्रोस्कोपी रासायनिक अभिक्रिया, इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण प्रक्रिया आणि इतर अतिवेगवान घटनांच्या गतिशीलतेचा अभ्यास करण्यासाठी फेमटोसेकंद लेझर पल्स वापरते.

आव्हाने आणि भविष्यातील दिशा

अरेषीय प्रकाशकीने लक्षणीय प्रगती केली असली तरी, अनेक आव्हाने शिल्लक आहेत:

• कार्यक्षमता: अनेक अरेषीय प्रक्रिया अजूनही तुलनेने अकार्यक्षम आहेत, ज्यासाठी उच्च पंप पॉवर आणि लांब आंतरक्रिया लांबी आवश्यक आहे.
• पदार्थ विकास: उच्च अरेषीय संवेदनशीलता, विस्तृत पारदर्शकता श्रेणी आणि उच्च नुकसान मर्यादा असलेल्या नवीन पदार्थांचा शोध सुरू आहे.
• प्रावस्था जुळणी: कार्यक्षम प्रावस्था जुळणी साधणे आव्हानात्मक असू शकते, विशेषतः ब्रॉडबँड किंवा ट्यून करण्यायोग्य प्रकाश स्रोतांसाठी.
• गुंतागुंत: अरेषीय घटना समजून घेणे आणि नियंत्रित करणे गुंतागुंतीचे असू शकते, ज्यासाठी अत्याधुनिक सैद्धांतिक मॉडेल आणि प्रायोगिक तंत्रांची आवश्यकता असते.

अरेषीय प्रकाशकीमधील भविष्यातील दिशांमध्ये यांचा समावेश आहे:

• नवीन अरेषीय पदार्थांचा विकास: सेंद्रिय पदार्थ, मेटामटेरियल्स आणि 2D पदार्थांवर लक्ष केंद्रित करणे.
• नवीन अरेषीय घटनांचा उपयोग: प्रकाश हाताळण्याचे आणि नवीन तरंगलांबी निर्माण करण्याचे नवीन मार्ग शोधणे.
• लघुकरण आणि एकत्रीकरण: संक्षिप्त आणि कार्यक्षम प्रणालींसाठी चिप्सवर अरेषीय प्रकाशीय उपकरणे एकत्रित करणे.
• क्वांटम अरेषीय प्रकाशकी: नवीन क्वांटम तंत्रज्ञानासाठी क्वांटम प्रकाशकीसह अरेषीय प्रकाशकीचे संयोजन.
• बायोफोटोनिक्स आणि वैद्यकशास्त्रातील उपयोग: वैद्यकीय इमेजिंग, निदान आणि उपचारांसाठी नवीन अरेषीय प्रकाशीय तंत्रांचा विकास.

निष्कर्ष

अरेषीय प्रकाशकी हे विज्ञान आणि तंत्रज्ञानातील विस्तृत उपयोगांसह एक उत्साही आणि वेगाने विकसित होणारे क्षेत्र आहे. नवीन प्रकाशाची तरंगलांबी निर्माण करण्यापासून ते पदार्थांमधील अतिवेगवान गतिशीलतेचा शोध घेण्यापर्यंत, NLO प्रकाश-पदार्थ आंतरक्रियांबद्दलच्या आपल्या समजुतीच्या सीमा ओलांडत आहे आणि नवीन तांत्रिक प्रगती सक्षम करत आहे. जसे आपण नवीन पदार्थ आणि तंत्रज्ञान विकसित करत राहू, तसे अरेषीय प्रकाशकीचे भविष्य आणखी रोमांचक असणार आहे.

अधिक वाचन:

• अरेषीय प्रकाशकी - रॉबर्ट डब्ल्यू. बॉयड
• फोटोनिक्सची मूलतत्त्वे - बहा ई. ए. सालेह आणि माल्विन कार्ल टेच

अस्वीकरण: हा ब्लॉग पोस्ट अरेषीय प्रकाशकीचा एक सामान्य आढावा देतो आणि केवळ माहितीच्या उद्देशाने आहे. हा विषयावरील सर्वसमावेशक किंवा संपूर्ण अभ्यास नाही. विशिष्ट अनुप्रयोगांसाठी तज्ञांशी सल्लामसलत करा.