अरेखीय और चरम प्रकाश उत्पादन
उच्च हार्मोनिक जनरेशन
उच्च-ऊर्जा फेमटोसेकंड पल्स का सबसे परिष्कृत उपयोग उच्च हार्मोनिक जनरेशन है।
उत्पाद परिचय
उच्च हार्मोनिक जनरेशन क्या है?
उच्च-ऊर्जा फेमटोसेकंड पल्सों का एक सर्वाधिक परिष्कृत एवं आकर्षक अनुप्रयोग उच्च हार्मोनिक जनरेशन (HHG) की प्रक्रिया है। तीव्र लेज़र पल्सों को गैस टारगेट में फोकस करके पारंपरिक ठोस-अवस्था अरेखीय पदार्थों से संभव की तुलना में कहीं उच्चतर कोटि के हार्मोनिक्स उत्पन्न किए जा सकते हैं, जो चरम पराबैंगनी (EUV) अथवा मृदु एक्स-रे परिसर तक विस्तृत होते हैं। साथ ही, व्यापक बैंडविड्थ और लघु तरंगदैर्घ्य के कारण परिणामी पल्स अट्टोसेकंड स्केल तक भी पहुँच सकते हैं।
त्रि-चरण मॉडल
सामान्यतः उच्च हार्मोनिक जनरेशन प्रक्रिया का वर्णन एक सरलीकृत अर्ध-क्लासिकल त्रि-चरण मॉडल से किया जा सकता है। सर्वप्रथम, एक तीव्र लेज़र क्षेत्र परमाणु के कूलॉम विभव को अस्थायी रूप से दमित करता है। तत्पश्चात् एक इलेक्ट्रॉनिक तरंग पैकेट सुरंगन द्वारा सातत्य में प्रवेश कर सकता है और चालक लेज़र क्षेत्र द्वारा त्वरित होता है। जब चालक लेज़र क्षेत्र उत्क्रमित होता है, तब इलेक्ट्रॉनिक तरंग पैकेट परमाणु क्रोड की ओर वापस खींचा जाता है, ताकि तंत्र की मूल अवस्था में अवशिष्ट बद्ध इलेक्ट्रॉनिक तरंग पैकेट से व्यतिकरण करे। इस व्यतिकरण से सुसंगत फोटॉनों का एक विस्फोट उत्पन्न होता है, जिनकी फोटॉन ऊर्जाएँ दसियों से लेकर सहस्रों इलेक्ट्रॉनवोल्ट (eV) तक होती हैं। चूँकि यह प्रक्रिया लेज़र क्षेत्र के प्रत्येक अर्ध-चक्र पर दोहराई जाती है, क्रमिक पल्सों के बीच व्यतिकरण मूल आवृत्ति के विषम उच्च-कोटि हार्मोनिक्स तथा, समय-डोमेन में, एक अट्टोसेकंड पल्स ट्रेन उत्पन्न करता है।
तीव्रताएँ और पुनरावृत्ति दर
उच्च हार्मोनिक जनरेशन के लिए सामान्यतः 10¹⁴ W/cm² कोटि की लेज़र तीव्रताएँ अपेक्षित होती हैं, ताकि कूलॉम विभव विकृत हो और इलेक्ट्रॉन सुरंगन करके उच्च ऊर्जाओं तक त्वरित हो सके। ऐसे क्षेत्र सामान्यतः उच्च-शिखर-शक्ति सिस्टमों से प्राप्त किए जाते हैं, यथा ऑप्टिकल पैरामीट्रिक चर्प्ड-पल्स प्रवर्धन (OPCPA) सिस्टम। तथापि उच्च हार्मोनिक जनरेशन का प्रदर्शन CARBIDE और PHAROS फेमटोसेकंड लेज़रों के प्रत्यक्ष मूल विकिरण से भी किया गया है। Yb-आधारित लेज़र स्रोत अपनी उच्च पुनरावृत्ति दरों के कारण विशेष रुचि के हैं। पारंपरिक रूप से उच्च हार्मोनिक जनरेशन निम्न पल्स पुनरावृत्ति दरों तक सीमित रहा है, जो कुछ किलोहर्ट्ज़ से अधिक नहीं होतीं। उच्च हार्मोनिक जनरेशन का उपयोग करने वाले अनेक वैज्ञानिक अनुप्रयोग उच्चतर पुनरावृत्ति दरों से लाभान्वित हो सकते हैं। उदाहरणार्थ, समय-विभेदित फोटोएमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी आवेश प्रभावों के कारण प्रति पल्स उत्सर्जित फोटोइलेक्ट्रॉनों की संख्या में सीमित रहती है, अतः सांख्यिकी में सुधार केवल उच्चतर पुनरावृत्ति दरों पर संचालन से ही संभव है। PHAROS फेमटोसेकंड लेज़र का उपयोग करके तथा उसके विकिरण को गैस-चैंबर और केशिका ज्यामितियों में फोकस करके 100 kHz पर उच्च हार्मोनिक्स की जनरेशन रिपोर्ट की गई है।
टेबलटॉप EUV
अति तीव्र, उच्च-पुनरावृत्ति-दर और सुसंगत EUV प्रकाश की जनरेशन के लिए टेबलटॉप समाधान उन प्रयोगों को संभव बनाते हैं, जो पूर्व में केवल वृहत-स्तरीय सिंक्रोट्रॉन सुविधाओं पर ही संभव थे। कॉम्पैक्ट लेज़र सिस्टम उच्च हार्मोनिक जनरेशन स्रोतों की उपलब्धता, विश्वसनीयता और स्थिरता में सुधार करते हैं।
