अल्ट्राफास्ट लेझर लॅबच्या टेबलांवरून चिप्सवर जाऊ शकतात

फोटॉनिक्सचे दीर्घकाळचे ध्येय अखेर व्यवहार्य ठरू शकते

अल्ट्राफास्ट लेझर हे आधुनिक विज्ञान आणि अभियांत्रिकीतील सर्वात उपयुक्त साधनांपैकी एक आहेत, पण त्यांना लहान करणे हे सर्वांत कठीण कामांपैकी एकही ठरले आहे. अचूक उत्पादन, डोळ्यांची शस्त्रक्रिया, जैविक इमेजिंग, आणि अणुघड्यांमध्ये वापरली जाणारी यंत्रणा अनेकदा पोर्टेबल उपकरणांऐवजी मोठी ऑप्टिकल मांडणी व्यापून टाकते. Nature मध्ये प्रकाशित झालेला एक नवीन निष्कर्ष सूचित करतो की ही मर्यादा कमी होऊ लागली आहे.

संशोधकांनी अहवाल दिला आहे की त्यांनी एका छोट्या फोटोनिक चिपवर अल्ट्राफास्ट लेझर तयार केला असून काही बाबतीत प्रयोगशाळा-स्तराच्या प्रणालींशी स्पर्धा करू शकेल इतका आउटपुट मिळवला आहे. दिलेल्या स्रोत सामग्रीनुसार, या उपकरणाने 1.05 नॅनोजूल ऊर्जा आणि 147 फेम्टोसेकंद कालावधीचे पल्स दिले. व्यवहार्य अर्थाने, याचा अर्थ अत्यंत सूक्ष्मीकृत प्लॅटफॉर्मवरून तयार झालेले अत्यंत लहान, ऊर्जावान झटके असा होतो.

हे काम EPFL मधील Tobias Kippenberg यांनी वर्णन केलेल्या integrated photonics च्या “holy grail” कडे निर्देश करते: चिपवर उच्च-पल्स-ऊर्जा असलेला femtosecond laser तयार करणे. दोन दशकांहून अधिक काळ हे ध्येय सतत आवाक्याबाहेर राहिले, कारण अल्ट्राफास्ट लेझरना शक्तिशाली बनवणाऱ्या वैशिष्ट्यांमुळेच त्यांना chip-scale architectures मध्ये बसवणे कठीण झाले आहे.

अल्ट्राफास्ट लेझर सूक्ष्म करणे कठीण का आहे

फोटोनिक चिप्स संकेत वाहून नेण्यासाठी आणि प्रक्रिया करण्यासाठी वीजेऐवजी प्रकाशाचा वापर करतात. ते waveguides आणि resonant cavities सारख्या सूक्ष्म रचनांद्वारे हे करतात. हा दृष्टिकोन आकर्षक आहे कारण photonics खूप उच्च गती, कमी-तोटा संकेत हाताळणी, आणि कॉम्पॅक्ट optical systems शक्य करू शकते. पण अल्ट्राफास्ट लेझर चिपवर बसवणे म्हणजे पारंपरिक डिझाइन फक्त लहान करणे इतके सोपे नाही.

ही लेझर्स प्रणाली अस्थिर न करता तीव्र पल्स निर्माण करायला हवेत. मोठ्या प्रयोगशाळा मांडणीत ऊर्जा, उष्णता, वेळेचे नियोजन, आणि optical path design सांभाळण्यासाठी परंपरेने अधिक जागा असते. on-chip platforms आकार आणि भूमितीवर कडक मर्यादा लादतात, आणि त्या मर्यादांमुळे मागणी असलेल्या वास्तविक-जगातील उपयोगांसाठी पुरेशी उच्च पल्स ऊर्जा मिळवणे कठीण झाले आहे.

नोंदवलेली प्रगती एका जुन्या लेझर architecture कडे परत पाहून आली, ज्याकडे integrated-photonics क्षेत्राने बराच काळ दुर्लक्ष केले होते, असे संशोधक सांगतात. स्रोत मजकूर प्रत्येक डिझाइन घटकाचे सविस्तर तांत्रिक विश्लेषण देत नाही, पण संघाची प्रगती ही फक्त उत्तम fabrication बद्दल नव्हती हे स्पष्ट करतो. चिपच्या मर्यादांमध्ये उच्च-कार्यक्षमता पल्स निर्मितीला आधार देणारी प्रणाली वास्तू निवडणे हाही त्या प्रगतीचा भाग होता.

चर्चेची दिशा बदलणारी कामगिरी

आकडे महत्त्वाचे आहेत, कारण ते chip-based ultrafast lasers ला प्रत्यक्ष उपयोगाच्या अधिक जवळ नेतात. 147 फेम्टोसेकंदांची pulse duration म्हणजे प्रकाशाचा झटका फक्त 147 quadrillionths of a second टिकतो. अशा वेळमानांवर ultrafast lasers नाजूक भौतिक आणि जैविक प्रक्रिया तपासू शकतात, विलक्षण अचूकतेने पदार्थ कापू किंवा बदलू शकतात, आणि प्रगत उपकरणांमध्ये timing reference म्हणून काम करू शकतात.

दरम्यान, एक नॅनोजूलपेक्षा जास्त pulse energy ही अशा क्षेत्रात महत्त्वाची आहे जिथे सूक्ष्मीकृत प्रणाली अनेकदा compactness साठी output strength त्यागतात. जर chip-based device केवळ लहानच नाही तर ऊर्जावान पल्सही तयार करू शकला, तर तो सध्या मोठ्या हार्डवेअरवर अवलंबून असलेल्या diagnostics, imaging, आणि information-processing systems साठी अधिक संबंधित ठरेल.

स्रोत मजकूर असा दावा करत नाही की चिप लगेच प्रत्येक tabletop ultrafast laser ची जागा घेईल. असे म्हणणे निकालाचा अतिविस्तार ठरेल. त्याऐवजी, महत्त्व हे आहे की on-chip performance आता अशा श्रेणीत प्रवेश करू लागली आहे जिथे पूर्वी प्रयोगशाळेत मर्यादित असलेल्या क्षमता लहान, स्वस्त, आणि अधिक सुलभपणे तैनात करता येणाऱ्या उपकरणांमध्ये जाऊ शकतात.

ते विविध उद्योगांसाठी का महत्त्वाचे ठरू शकते

जर ultrafast lasers chip-scale घटक बनले, तर तात्काळ परिणाम portability आणि cost वर होईल. आज या लेझरवर अवलंबून असलेल्या अनेक प्रणालींना नियंत्रित प्रयोगशाळा किंवा कारखाना वातावरणाची गरज असते, केवळ लेझरमुळे नाही तर सहाय्यक optics आणि alignment च्या गरजांमुळेही. photonic-chip implementation काही गुंतागुंत कमी करू शकते आणि अधिक एकात्मिक उत्पादने शक्य करू शकते.

त्यातून वैद्यकीय निदान आणि इमेजिंगसाठी स्पष्ट शक्यता तयार होते. ज्या उपकरणांना सध्या विशेष सुविधांवर अवलंबून राहावे लागते, ती लहान आणि अधिक व्यापकपणे उपलब्ध होऊ शकतात. उत्पादन प्रणाली अधिक कॉम्पॅक्ट precision-light sources चा फायदा घेऊ शकतात. advanced optical timing आणि काही quantum किंवा sensing platforms सह information-processing applications देखील जलद आणि integrated lasers मुळे फायदा मिळवू शकतात.

विस्तृत औद्योगिक परिणाम इलेक्ट्रॉनिक्सच्या इतिहासातून परिचित आहे: एक क्षमता chip-compatible झाल्यावर प्रयोग आणि commercialization वेग घेतात. अभियंते custom optical bench ऐवजी प्रमाणित करता येण्याजोग्या घटकाभोवती डिझाइन करू शकतात. यामुळे जलद मोठ्या प्रमाणावर स्वीकार निश्चित होत नाही, पण साधारणपणे उत्पादन विकासाची किमान मर्यादा खाली येते.

जुनी कल्पना, नव्याने उपयुक्त

या अहवालातील सर्वात उघड करणाऱ्या पैलूंमध्ये एक म्हणजे ही प्रगती दशकांपूर्वीच्या, कमी लेखल्या गेलेल्या architecture वर आधारित होती. याची आठवण करून देते की प्रत्येक सीमारेषेवरील प्रगती पूर्णपणे नवीन तत्त्व शोधूनच येते असे नाही. कधीकधी प्रगतीचा अर्थ असतो जुन्या संकल्पनेला योग्य संदर्भ शोधणे आणि तिला आधुनिक fabrication, materials, आणि system-level insight यांच्याशी जोडणे.

फोटोनिक्समध्ये, जिथे design constraints संपूर्ण क्षेत्रांना विशिष्ट architectures कडे ढकलू शकतात, तिथे दुर्लक्षित पर्याय वर्षानुवर्षे निष्क्रिय राहू शकतात. संशोधकांचे यश सूचित करते की on-chip काय व्यवहार्य आहे याबद्दलची काही गृहितके कदाचित जास्तच सावध होती, किंवा किमान प्रबळ design playbook शी अतिशय बांधलेली होती.

पुढे काय

सर्वात महत्त्वाचा पुढचा प्रश्न हा नाही की निकाल प्रभावी आहे का, तर तो repeatable devices मध्ये engineer करता येईल का, जे प्रयोगशाळेबाहेर टिकतील. chip photonics साठी manufacturability, stability, packaging, आणि आसपासच्या प्रणालींशी compatibility या गोष्टी एक मजबूत paper ला platform technology पासून वेगळे करतात.

तरीही, दिशा स्पष्ट आहे. हे काम ultrafast photonics ला त्या बिंदूच्या अधिक जवळ नेत आहे जिथे कॉम्पॅक्ट उपकरणे कधीकाळी room-scale optical setups साठी राखीव असलेली कामे करू शकतील. यामुळे उच्च-स्तरीय measurement आणि imaging tools पर्यंतचा प्रवेश वाढू शकतो, जसा पूर्वीच्या semiconductor advances ने computation पर्यंतचा प्रवेश वाढवला होता.

• अभ्यासात photonic chip वर ultrafast laser चे प्रदर्शन केले आहे.
• नोंदवलेला आउटपुट 147-femtosecond pulses सह 1.05 nanojoules पर्यंत पोहोचला.
• डिझाइन पूर्वी दुर्लक्षित केलेल्या laser architecture वर आधारित आहे.
• संभाव्य अनुप्रयोगांमध्ये diagnostics, imaging, manufacturing, आणि information processing यांचा समावेश आहे.

सध्यासाठी, ही प्रगती पूर्ण झालेल्या व्यावसायिक उत्पादनापेक्षा threshold moment म्हणून समजणे योग्य आहे. पण ज्या क्षेत्रात आकार हा दीर्घकाळ व्यापक वापरातील मुख्य अडथळ्यांपैकी एक राहिला आहे, तिथे ultrafast laser chip वर विश्वासार्ह काम करू शकतो हे सिद्ध करणे एक महत्त्वाचे पाऊल आहे. पुढील कामाने हा निकाल robust devices मध्ये रूपांतरित केला तर photonic systems अधिक लहान, स्वस्त, आणि खूप अधिक व्यापकपणे तैनात करता येण्यासारखे बनू शकतात.

हा लेख Live Science च्या रिपोर्टिंगवर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.