ऊर्जा
लेज़रों में क्रांति: ट्यूनेबल सेमीकंडक्टर रिंग तकनीक
वियना यूनिवर्सिटी ऑफ़ टेक्नोलॉजी (TU Wien) और हार्वर्ड जॉन ए. पॉलसन स्कूल ऑफ़ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंसेज (SEAS) के वैज्ञानिकों की एक टीम ने हाल ही में ट्यूनेबल सेमीकंडक्टर रिंग लेज़र बनाने की एक नई विधि का अनावरण किया है। इन उन्नत लेज़रों में उच्च-शक्ति संचार, अधिक उन्नत सुरक्षा प्रणालियाँ, और बहुत कुछ प्रदान करने की क्षमता है। यहाँ आपको जो जानना आवश्यक है, वह बताया गया है।
ट्यूनेबल लेज़रों के प्रकार और उनके लाभ
थियोडोर एच. मैमन द्वारा सिंथेटिक रूबी रॉड का उपयोग करके पहला लेज़र प्रदर्शित करने के केवल छह साल बाद, शोधकर्ताओं ने ट्यूनेबल लेज़रों पर काम शुरू किया। अपने निश्चित तरंगदैर्ध्य वाले पूर्ववर्तियों के विपरीत, इन्हें विभिन्न तरंगदैर्ध्यों में प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए सेट किया जा सकता है, जिससे ये ऑप्टिकल संचार और माइक्रोस्कोपी जैसे सटीक अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए आदर्श बन जाते हैं। इस प्रकार, ट्यूनेबल लेज़र आज के उच्च-तकनीकी और चिकित्सा क्षेत्रों का एक महत्वपूर्ण घटक बन गए हैं।
ट्यूनेबल लेजर श्रेणियाँ: गैस, फाइबर, ओपीओ और सेमीकंडक्टर
आज, कई प्रकार के ट्यूनेबल लेज़र उपलब्ध हैं, जिनमें गैस लेज़र, फ़ाइबर लेज़र, ऑप्टिकल पैरामीट्रिक ऑसिलेटर (OPO) और सेमीकंडक्टर लेज़र शामिल हैं। ट्यूनेबल सेमीकंडक्टर लेज़र को कई लोग सबसे उन्नत विकल्प मानते हैं। ये कॉम्पैक्ट आकार प्रदान करते हैं, व्यापक तरंगदैर्ध्य का समर्थन करते हैं और पर्याप्त शक्ति प्रदान करते हैं।
ट्यूनेबल लेज़रों की कमियाँ
ट्यूनेबल लेज़र तकनीक ने अपनी क्षमताओं में भारी प्रगति की है। हालाँकि, अभी भी कई सीमाएँ हैं जो इस तकनीक को अपनी अधिकतम क्षमता तक पहुँचने से रोक रही हैं। उदाहरण के लिए, विस्तृत तरंग दैर्ध्य वाले ट्यूनेबल लेज़र अक्सर कम सटीकता प्रदान करते हैं। इसके अतिरिक्त, इन उपकरणों की निर्माण लागत और उनकी समग्र कमज़ोरी को उनकी प्रगति में बाधा के रूप में देखा गया है।
सेमीकंडक्टर लेज़रों को कैसे ट्यून करें
अर्धचालक लेज़र बनाने और उन्हें ट्यून करने की दो मुख्य विधियाँ हैं। पहली विधि में लेज़र रिज में सटीक ग्रेटिंग लगाना आवश्यक होता है। इस ग्रेटिंग को नैनो स्केल पर सटीक कोणों पर काटा जाता है ताकि आवृत्ति-चयनात्मक ऑप्टिकल फीडबैक प्राप्त हो सके। इस सेटअप से इंजीनियर लेज़र की धारा में परिवर्तन करके एक विशिष्ट तरंगदैर्ध्य को बढ़ा सकते हैं और अन्य तरंगों से होने वाले हस्तक्षेप को कम कर सकते हैं।
स्रोत - सैन्य एयरोस्पेस
अर्धचालक लेज़रों को ट्यून करने की दूसरी विधि एक बाहरी गुहा का उपयोग करती है। इस व्यवस्था में, एक घूर्णनशील विवर्तन झंझरी, गुहा में सटीक तरंगदैर्ध्य को परावर्तित करती है। लेज़र में तरंगदैर्ध्य को उत्तेजित करने वाली गुहा को घुमाकर समायोजित किया जा सकता है।
आज के अर्धचालक लेज़रों की समस्याएँ
सेमीकंडक्टर लेज़र क्षेत्र में कुछ कमियाँ हैं जिन्हें दूर करने के लिए इंजीनियरों ने कई साल लगा दिए हैं। एक, सटीकता और परास क्षमताओं का संतुलन बना रहता है। अब तक, आपके पास या तो एक बहुत ही सटीक उपकरण होता था या एक ऐसा उपकरण जो विभिन्न तरंगदैर्घ्यों को अच्छी तरह से कवर कर सकता था।
सेमीकंडक्टर लेज़रों के साथ एक और समस्या यह है कि तापमान बढ़ने पर उनके प्रदर्शन में उल्लेखनीय गिरावट आती है। जब एक सेमीकंडक्टर लेज़र गर्म होता है, तो उसकी शक्ति और दक्षता कम हो जाती है, और वह क्षतिग्रस्त भी हो सकता है। इस प्रकार, व्यापक स्पेक्ट्रम में दीर्घकालिक, निरंतर हॉप-मुक्त ट्यूनिंग प्राप्त करना असंभव रहा है।
सेमीकंडक्टर रिंग लेज़र अध्ययन
इन सीमाओं को समझते हुए, हार्वर्ड के इंजीनियरों और अन्य प्रतिष्ठित संस्थानों के वैज्ञानिकों ने पहला व्यापक-स्पेक्ट्रम, अत्यधिक सटीक अर्धचालक लेज़र बनाने का बीड़ा उठाया। उन्होंने इस अध्ययन में अपनी यात्रा का विवरण दिया है:निरंतर और व्यापक रूप से ट्यून करने योग्य अर्धचालक रिंग लेज़र” वैज्ञानिक जर्नल ऑप्टिका में प्रकाशित हुआ।
यह शोधपत्र एक नए प्रकार के ट्यूनेबल सेमीकंडक्टर लेज़र पर उनके काम का खुलासा करता है जो एक विस्तारित स्पेक्ट्रल रेंज को सहारा देते हुए सुचारू ट्यूनेबिलिटी प्रदान करने के लिए रिंग-एरे क्वांटम कैस्केड लेज़र (QCL) आर्किटेक्चर का उपयोग करता है। गौरतलब है कि क्वांटम-कैस्केड लेज़र ऐसे सेमीकंडक्टर लेज़र होते हैं जो दूर-अवरक्त स्पेक्ट्रम में किरणें उत्पन्न करते हैं।
रिंग QCL डिज़ाइन: स्वतंत्र, पता योग्य एरे
टीम ने अपना काम कई छोटे, स्वतंत्र रूप से पता लगाने योग्य रिंग क्यूसीएल बनाकर शुरू किया। उल्लेखनीय है कि रिंग लेज़र में समान ध्रुवीकरण वाली दो प्रकाश किरणें होती हैं। ये किरणें दर्पणों द्वारा निर्मित एक बंद लूप के चारों ओर विपरीत दिशाओं में निर्देशित होती हैं। इस विधि से थोड़ी सी भी हलचल का सटीक मापन संभव होता है। इसीलिए, रिंग लेज़र आमतौर पर नेविगेशन सिस्टम में जाइरोस्कोप के रूप में उपयोग में पाए जाते हैं।
इस उदाहरण में, वैज्ञानिकों ने क्वांटम कैस्केड लेज़र सक्रिय पदार्थ और ड्राई-एच प्रक्रिया का उपयोग करके रिंग लेज़र बनाए। इसके अतिरिक्त, प्रत्येक रिंग में विद्युत संपर्क और एक बस वेवगाइड भी जोड़ा गया था। इंजीनियरों ने पाया कि इस पद्धति से बेहतर प्रदर्शन प्राप्त हुआ और बस वेवगाइड की ऑप्टिकल क्षति कम हुई।
प्रत्येक वलय को एक विशिष्ट त्रिज्या के लिए विकसित किया गया था। विभिन्न आकार के वलय के उपयोग से प्रत्येक स्थान के लिए अलग-अलग लेज़िंग आवृत्तियाँ उत्पन्न हुईं। इस दृष्टिकोण से इंजीनियरों को लेज़िंग में किसी भी गिरावट का अनुभव किए बिना प्रत्येक वलय को अलग-अलग ट्यून करने में मदद मिली।
रिंग कपलर्स का उपयोग करके एकल-मोड उत्सर्जन प्राप्त करना
इस अनूठे दृष्टिकोण ने इंजीनियरों को विशिष्ट शक्ति और तरंगदैर्घ्य उत्पन्न करने के लिए कई वलयों का एक साथ उपयोग करने में सक्षम बनाया। इस प्रणाली ने इंजीनियरों को प्रत्येक वलयों से आने वाली किरणों को लेज़रों के सीधे खंडों के साथ क्षणभंगुर दिशात्मक युग्मकों के माध्यम से एक एकल वेवगाइड में संयोजित करने की अनुमति दी। दिशात्मक युग्मकों ने यह सुनिश्चित करके कि प्रकाश केवल एक ही दिशा में प्रवाहित हो, लाभ ग्रेटिंग को रोका।
पहलू-आधारित डिज़ाइन के माध्यम से वेवगाइड उत्सर्जन
टीम ने पाया कि उनका लेज़र प्रकाश उत्सर्जन की एक अनूठी विधि का उपयोग करता है। यह प्रणाली एक पहलू-उत्सर्जन विधि पर आधारित है जो एक बस वेवगाइड से होकर गुजरती है। इस वेवगाइड का उपयोग कमरे के तापमान पर आवश्यकतानुसार लेज़र आवृत्तियों को समायोजित और प्रवर्धित करने के लिए किया जा सकता है।
मॉड्यूलर रिंग लेज़र डिज़ाइन स्केलेबिलिटी को सक्षम बनाता है
इस लेज़र सेटअप के मॉड्यूलर डिज़ाइन का मतलब है कि इंजीनियर इसे अपनी ज़रूरतों के हिसाब से ढाल सकते हैं। इसके अलावा, रिंग लेज़रों को एक साथ या सिंगल रिंग मोड में संचालित किया जा सकता है। इस प्रकार, लेज़रों के संयोजन से एक मज़बूत और अधिक तीव्र किरण उत्पन्न होती है, जो इसे कुछ उच्च-तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाती है।
अर्धचालक रिंग लेज़र परीक्षण
इंजीनियरों ने टीयू विएन के सूक्ष्म एवं नैनोसंरचना केंद्र के क्लीनरूम सुविधाओं में अपने सिद्धांतों का परीक्षण शुरू किया। यहाँ उन्होंने पाँच छल्लों वाला एक लेज़िंग उपकरण बनाया, जिनमें से प्रत्येक की त्रिज्या अलग-अलग थी। खास तौर पर, छल्लों का आकार 5 से 220 µm तक था।
एक बार तैयार हो जाने के बाद, टीम ने विभिन्न लेज़र सेटअप और तरंगदैर्ध्य का परीक्षण किया। एक उदाहरण में, उन्होंने व्यापक बैंडविड्थ पर मोड-हॉप-फ्री ट्यूनिंग का परीक्षण करने के लिए तीन अलग-अलग रिंगों की ट्यूनिंग रेंज को संयोजित किया।
सेमीकंडक्टर रिंग लेज़र परीक्षण परिणाम
परीक्षण के परिणामों ने इंजीनियरों के मॉडलों की पुष्टि की। टीम ने पाया कि एकल-वलय QCL कमरे के तापमान पर निरंतर-तरंग संचालन में 0.5 mW तक की किरण उत्सर्जित कर सकता है। परीक्षण से यह भी पता चला कि लेज़र चिप ने लेज़र फ़ेसेट पर तीव्र ऑप्टिकल इंजेक्शन के बावजूद, एक स्थिर तरंगदैर्ध्य आउटपुट बनाए रखा। इन परीक्षणों ने प्रदर्शित किया कि नया लेज़र डिज़ाइन उच्च स्तर के ऑप्टिकल फ़ीडबैक के तहत लचीला है।
इसके अतिरिक्त, इंजीनियरों ने पाया कि इसका प्रदर्शन बहु-खंडीय DFB लेज़रों के बराबर था। यह खोज एक बड़ी उपलब्धि थी क्योंकि इसका मतलब है कि इन लेज़रों को प्रत्येक लेज़र के सक्रिय क्षेत्र में एक विशिष्ट ग्रेटिंग बनाने की आवश्यकता के बिना बनाया जा सकता है।
विशेष रूप से, टीम तीन लेज़र रिंगों का उपयोग करके 266 गीगाहर्ट्ज़ से 395 गीगाहर्ट्ज़ तक की ऑप्टिकल बैंडविड्थ को सुचारू रूप से स्वीप करने में सक्षम रही। स्वीपिंग क्रिया सुचारू थी, और प्रत्येक रिंग के बीच न्यूनतम स्पेक्ट्रल ओवरलैप था। उल्लेखनीय रूप से, उच्च मात्रा में ऑप्टिकल इंजेक्शन के तहत उपकरण ने उल्लेखनीय रूप से स्थिर किरण उत्पादन उत्पन्न किया।
सेमीकंडक्टर रिंग लेज़र के लाभ
| Feature | पारंपरिक ट्यूनेबल लेज़र | रिंग-ऐरे सेमीकंडक्टर लेज़र |
|---|---|---|
| तरंगदैर्ध्य ट्यूनिंग | एक समय में एकल तरंगदैर्ध्य | बहु-तरंगदैर्ध्य एक साथ ट्यूनिंग |
| फॉर्म फैक्टर | बाहरी भागों के साथ भारी | कॉम्पैक्ट, चिप-स्केल मॉड्यूलर डिज़ाइन |
| विनिर्माण जटिलता | जटिल झंझरी की आवश्यकता है | सक्रिय-क्षेत्र ग्रेटिंग की कोई आवश्यकता नहीं |
| तापीय स्थिरता | गर्मी के प्रति संवेदनशील; प्रदर्शन में गिरावट | कमरे के तापमान पर स्थिर सतत-तरंग उत्सर्जन |
इस अध्ययन से लेज़र बाज़ार को कई फ़ायदे होंगे। एक तो यह कि इस डिज़ाइन में कोई गतिशील भाग नहीं है और इसका निर्माण बहुत आसान और किफ़ायती है। उच्च-स्तरीय लेज़र बनाने की लागत कम करके, यह ज़्यादा उपयोग के मामलों और आगे के उपयोग के लिए द्वार खोलता है।
छोटा आकार
इस उपकरण का आकार छोटा है और इसमें रिंग लेज़र का इस्तेमाल किया गया है, जिसे विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार बढ़ाया या घटाया जा सकता है। यह रणनीति तरंगदैर्घ्य को सूक्ष्म रूप से समायोजित करने और उत्सर्जन को स्थिर रखने में मदद करती है। छोटे लेज़र भविष्य की तकनीकों और पहनने योग्य उपकरणों को आगे बढ़ाने में मदद करेंगे।
उल्लेखनीय रूप से, पारंपरिक ट्यूनेबल लेज़र एक समय में एक ही तरंगदैर्ध्य उत्सर्जित करते हैं। इसके विपरीत, रिंग-एरे लेज़र की मॉड्यूलरिटी कई रिंगों को एक साथ संचालित करने और एक अलग रिंग त्रिज्या का उपयोग करके अलग-अलग तरंगदैर्ध्य को लक्षित करने में सक्षम बनाती है।
कम प्रतिक्रिया और बेहतर बीम स्थिरता
मल्टीपल रिंग लेज़र और यूनिडायरेक्शनल कपलर का इस्तेमाल, पिछली लेज़र डिज़ाइनों में होने वाले बैक रिफ्लेक्शन को कम करने में मदद करता है। इस तरह, यह संरचना शक्तिशाली लेज़रों को सहारा दे सकती है जो अपने पूर्ववर्ती लेज़रों की तुलना में ज़्यादा ऊर्जा संभालकर ज़्यादा मज़बूत किरणें उत्पन्न कर सकते हैं।
अर्धचालक रिंग लेज़रों के वास्तविक-विश्व अनुप्रयोग
इस तकनीक के कई वास्तविक अनुप्रयोग हैं। उदाहरण के लिए, लेज़र आज के कई उच्च-तकनीकी क्षेत्रों में एक महत्वपूर्ण प्रतिस्पर्धा है। अधिक शक्तिशाली और उपयोगी उपकरण बनाने से आज की तकनीकों की लागत कम करने में मदद मिलेगी और साथ ही नवीन उत्पादों के आगमन को बढ़ावा मिलेगा। इस तकनीक के कुछ अन्य उपयोग इस प्रकार हैं।
संचार
दूरसंचार उद्योग हमेशा अधिक शक्तिशाली लेज़रों की तलाश में रहता है। यह नवीनतम विकास ऐसे सुपर नेटवर्क बनाने में मदद कर सकता है जो पहले अकल्पनीय स्तर पर उच्च गति डेटा ट्रांसमिशन करने में सक्षम हों। इन उपकरणों का उपयोग एक दिन पूरे ब्रह्मांड में डेटा संचारित करने के लिए किया जा सकता है, जिससे अंतरिक्ष यात्री लाखों मील दूर से भी पृथ्वी के संपर्क में रह सकेंगे।
चिकित्सा
चिकित्सा क्षेत्र में लेज़रों का उपयोग कई कारणों से होता है। बीमारियों की जाँच से लेकर आपकी दृष्टि सुधारने तक, ये लेज़र भविष्य में लाखों लोगों के स्वास्थ्य को बेहतर बनाने में कई तरह से मदद करेंगे। इनका छोटा आकार, बढ़ी हुई लचीलापन और सटीकता, स्वचालित चिकित्सा सेवाओं और प्रक्रियाओं की एक नई पीढ़ी को सशक्त बनाने में मदद करेगी।
सुरक्षा
उच्च-शक्ति वाले लेज़र स्कैनर गैस और रासायनिक क्षेत्रों सहित कई उद्योगों में एक आवश्यक घटक हैं। ये उपकरण छोटी-छोटी समस्याओं का पता लगाकर विनाशकारी विफलताओं को रोकने में मदद करते हैं। यह तकनीक गैस पाइपलाइनों में लीकेज का पता लगाने, बुनियादी ढाँचे में गिरावट और लोगों की सुरक्षा सुनिश्चित करने वाले अन्य महत्वपूर्ण कार्यों में मदद कर सकती है।
सेमीकंडक्टर रिंग लेज़र टाइमलाइन
सेमीकंडक्टर रिंग लेज़र अगले 5-7 सालों में बाज़ार में आ सकते हैं। इस तकनीक की तत्काल माँग है, और निर्माता इसका इस्तेमाल छोटे और ज़्यादा उन्नत उत्पाद बनाने में करने के लिए उत्सुक होंगे। सैन्य एकीकरण के लिए यह समय-सीमा कम होगी, जिससे भविष्य के युद्धक्षेत्रों की बढ़ती माँगों को पूरा करने के लिए तेज़ी से विकास हो सकता है।
सेमीकंडक्टर रिंग लेज़र शोधकर्ताओं
सेमीकंडक्टर रिंग लेज़र अध्ययन हार्वर्ड जॉन ए. पॉलसन स्कूल ऑफ़ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंसेज (SEAS) और वियना यूनिवर्सिटी ऑफ़ टेक्नोलॉजी (TU Wien) का एक संयुक्त प्रयास था। इस शोध का नेतृत्व फेडेरिको कैपासो और विंटन हेस ने किया था। इसके अतिरिक्त, अध्ययन में जोहान्स फुच्सबर्गर, थियोडोर पी. लेत्सू, दिमित्री काज़ाकोव, रॉल्फ स्ज़ेडलाक और बेनेडिक्ट श्वार्ट्ज़ को महत्वपूर्ण योगदानकर्ताओं के रूप में सूचीबद्ध किया गया है। उल्लेखनीय है कि रक्षा विभाग और राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन ने अनुदान के माध्यम से इस अध्ययन के लिए धन उपलब्ध कराया था।
सेमीकंडक्टर रिंग लेजर के लिए आगे क्या है?
शोधकर्ता अपने काम का पेटेंट कराने की प्रक्रिया में हैं। इसके बाद, वे उत्पादन लागत को और कम करने के लिए निर्माताओं की तलाश करेंगे। इसके अलावा, टीम डिवाइस को और अधिक छल्लों के साथ स्केल करने के प्रभावों पर भी शोध करेगी।
लेज़र क्षेत्र में निवेश
लेज़र क्षेत्र की कई कंपनियों ने गुणवत्ता और उत्कृष्ट सेवा के लिए अपनी ख्याति अर्जित की है। इन कंपनियों ने दशकों से सबसे अधिक ऊर्जा-कुशल और उपयोगी लेज़र बनाने के तरीकों पर शोध करते हुए लाखों डॉलर खर्च किए हैं। यहाँ एक ऐसी कंपनी है जिसने बाज़ार को विश्वसनीय उपकरण उपलब्ध कराने में अपनी भूमिका निभाई है।
लेजर फोटोनिक्स कॉर्पोरेशन
लेजर फोटोनिक्स कॉर्पोरेशन
(LASE )
1981 में बाज़ार में उच्च-स्तरीय औद्योगिक लेज़र उपलब्ध कराने के लिए प्रवेश किया। यह कंपनी ऑरलैंडो, फ़्लोरिडा में स्थित है और वर्तमान में लेज़र क्लीनिंग, कटिंग और सुरक्षा प्रणालियों सहित कई प्रकार के उत्पाद प्रदान करती है। (LASE )
लेज़र फोटोनिक्स कॉर्पोरेशन ने अपनी ठोस व्यावसायिक प्रथाओं और विश्वसनीय लेज़रों के कारण उद्योग में अग्रणी के रूप में प्रतिष्ठा हासिल की है। ये उपकरण बाज़ार में रखरखाव-मुक्त उच्च-प्रदर्शन समाधान प्रदान करते हैं। इसके अतिरिक्त, कंपनी अपने उत्पादों को पर्यावरण की दृष्टि से सुरक्षित और टिकाऊ बनाने पर ध्यान केंद्रित करती है।
अक्टूबर 2022 में, लेज़र फोटोनिक्स कॉर्पोरेशन ने एक आईपीओ आयोजित किया जिससे 55 मिलियन डॉलर की फंडिंग हासिल हुई। तब से, कंपनी ने लगातार अपनी सेवाओं और ग्राहकों का विस्तार किया है। आज, लेज़र फोटोनिक्स कॉर्पोरेशन कई फॉर्च्यून 500 कंपनियों को सेवाएँ प्रदान करता है और इसे उद्योग में अग्रणी माना जाता है।
सेमीकंडक्टर रिंग लेज़र | निष्कर्ष
ट्यूनेबल सेमीकंडक्टर लेज़र अध्ययन पर चर्चा करते समय बहुत कुछ उत्साहजनक है। ये उपकरण कई उद्योगों को नया रूप दे सकते हैं और भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक्स की लागत और आकार को कम करने में मदद कर सकते हैं। यह तथ्य कि उनका उपकरण आज के विकल्पों की तुलना में बनाना आसान है और एक कॉम्पैक्ट, चिप-आकार के प्रारूप में व्यापक और सटीक तरंगदैर्ध्य ट्यूनिंग प्रदान करता है, इसे पूरे उद्योग के लिए एक जीत बनाता है।
अन्य रोचक उपलब्धियों के बारे में जानें यहाँ उत्पन्न करें.
संदर्भित अध्ययन:
1. जोहान्स फुच्सबर्गर, थियोडोर पी. लेट्सौ, दिमित्री काजाकोव, रॉल्फ स्जेडलाक, फेडेरिको कैपासो और बेनेडिक्ट श्वार्ज़, "निरंतर और व्यापक रूप से ट्यूनेबल सेमीकंडक्टर रिंग लेज़र," ऑप्टिका 12, 985-990 (2025)
