শতাব্দীর পর শতাব্দী ধরে মানবজাতি প্রকৃতির দ্রুততম ঘটনা পরিমাপ করেছে সেকেন্ড বা মিলি-সেকেন্ডের স্কেলে। কিন্তু আল্ট্রাফাস্ট অপটিক্সের আবির্ভাব পদার্থবিজ্ঞানের গতিসীমাকে ভেঙে চুরমার করে দিয়েছে। প্রথমে মোড-লকিং ও শার্পড পালস অ্যামপ্লিফিকেশন (CPA)-এর মাধ্যমে লেজার শক্তিকে সংকুচিত করা হয়েছে ফেমটোসেকেন্ডে ((১০^{-১৫}) সেকেন্ড), এবং পরবর্তীতে হাই-হারমোনিক জেনারেশনের মাধ্যমে পৌঁছানো সম্ভব হয়েছে অ্যাটোসেকেন্ডে ((১০^{-১৮}) সেকেন্ড)। এই অতি-ক্ষুদ্র সময়ের স্কেলে পরমাণুর চারপাশে ইলেকট্রনের কক্ষীয় নৃত্যকে সরাসরি ক্যামেরাবন্দী করা যায়।
১. মোড-লকিংয়ের গাণিতিক কাঠামো
একটি লেজার ক্যাভিটিতে যদি (2N + 1) সংখ্যক স্বাধীন মোড কোনো নিয়ম ছাড়া কম্পিত হয়, তবে আলো বিশৃঙ্খল থাকে। কিন্তু কোনো উপায়ে যদি সকল মোডের আপেক্ষিক দশাকে স্থির ((phi_q = phi_0)) করে দেওয়া হয়, তবে মোট তড়িৎ ক্ষেত্র দাঁড়ায়:
[
E(t) = E_0 e^{i(omega_0 t + phi_0)} rac{sinleft(rac{2N+1}{2}Delta omega t
ight)}{sinleft(rac{1}{2}Delta omega t
ight)}
]
এর ফলে আলো অবিচ্ছিন্নভাবে বের না হয়ে ক্যাভিটি রাউন্ড-ট্রিপ সময় (T_{ ext{rep}} = 2L/c) পরপর অতি-তীব্র পালস আকারে নির্গত হয়। এর দুটি বৈপ্লবিক বৈশিষ্ট্য রয়েছে:
- শীর্ষ তীব্রতা বৃদ্ধি: লেজারের পিক পাওয়ার মোড সংখ্যার বর্গের সমানুপাতিক:
[
I_{ ext{peak}} = (2N + 1)^2 I_0
] - ট্রান্সফর্ম-লিমিটেড পালস সময়: ফুরিয়ার অনিশ্চয়তা নীতি অনুসারে পালসের সময়কাল বর্ণালী ব্যান্ডের ব্যস্তানুপাতিক:
[
Delta t cdot Delta
u ge K implies Delta t approx rac{K}{Delta
u_{ ext{gain}}}
]
টাইটানিয়াম-স্যাফায়ার (Ti:Sapphire) লেজারের মতো বিস্তৃত ব্যান্ডউইথ ব্যবহার করে মাত্র ৫ থেকে ১০ ফেমটোসেকেন্ড দৈর্ঘ্যের লেজার পালস তৈরি করা যায়।
২. কার-লেন্স মোড-লকিং (KLM)
সবচেয়ে আধুনিক ফেমটোসেকেন্ড লেজারে ব্যবহৃত হয় প্যাসিভ কার-লেন্স মোড-লকিং (Kerr-Lens Mode-Locking)। নন-লিনিয়ার কেলাসে অপটিক্যাল কার প্রভাবের ফলে তীব্র আলো বেশি প্রতিসরাঙ্কের সম্মুখীন হয় ((n = n_0 + n_2 I))। ফলে লেজার বিমের কেন্দ্রটি একটি কনভার্জিং লেন্সের মতো আচরণ করে স্বয়ংক্রিয়ভাবে ফোকাস হয়ে যায়। একটি অ্যাপারচার ব্যবহার করে দুর্বল অবিচ্ছিন্ন আলোকে আটকে কেবল অতি-তীব্র সংক্ষিপ্ত পালসটিকে ক্যাভিটিতে টিকিয়ে রাখা হয়।
৩. শার্পড পালস অ্যামপ্লিফিকেশন (CPA)
একটি ১০-ফেমটোসেকেন্ড পালসকে সরাসরি বিবর্ধিত করতে গেলে তার বিপুল তীব্রতায় লেজার কেলাস কাঁচের মতো ফেটে পুড়ে ছাই হয়ে যায়। এই সমস্যার সমাধান হিসেবে ১৯৮৫ সালে ডোনা স্ট্রিকল্যান্ড ও জেরার্ড মুরো প্রণয়ন করেন Chirped Pulse Amplification (CPA) (২০১৮ সালে পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার):
- পালস প্রসারণ (Stretching): ডিফ্র্যাকশন গ্রেটিং জোড়া ব্যবহার করে ফেমটোসেকেন্ড পালসটিকে সময়ে ১০,০০০ গুণ প্রসারিত (Chirped) করে ন্যানোসেকেন্ডে নামিয়ে তীব্রতা কমানো হয়।
- নিরাপদ বিবর্ধন (Amplification): কম তীব্রতার কারণে কোনো ক্ষতি ছাড়াই কেলাসে পালসের শক্তি বিলিয়ন গুণ বৃদ্ধি করা হয়।
- পুনঃসংকোচন (Compression): বিপরীত গ্রেটিং দিয়ে বর্ধিত পালসকে পুনরায় কয়েক ফেমটোসেকেন্ডে সংকুচিত করলেই নির্গত হয় পেটাওয়াট ((১০^{১৫}) ওয়াট) ক্ষমতার দানবীয় লেজার বিম।
৪. হাই-হারমোনিক জেনারেশন ও অ্যাটোসেকেন্ড বিজ্ঞান
পেটাওয়াট লেজারকে যখন নিষ্ক্রিয় গ্যাস পরমাণুতে আঘাত করানো হয়, তখন কর্কামের ত্রি-পর্যায়ের মডেল (Three-Step Model) অনুযায়ী ঘটে হাই-হারমোনিক জেনারেশন (২০২৩ নোবেল পুরস্কার: আগোস্তিনি, ক্রাউস ও এলহুইলিয়ার):
- টানেল আয়নায়ণ: লেজারের তীব্র তড়িৎ ক্ষেত্রে কুলম্ব বিভব ভেঙে গিয়ে ইলেকট্রন টানেলিং করে বেরিয়ে আসে।
- লেজার ত্বরণ: মুক্ত ইলেকট্রনটি লেজারের দোদুল্যমান ক্ষেত্রে বিপুল গতিশক্তি সঞ্চয় করে।
- পুনঃসংঘর্ষ ও এক্স-রে বিকিরণ: লেজার ফিল্ড উল্টে গেলে ইলেকট্রনটি ফিরে এসে নিজের পরমাণুতে আঘাত হানে এবং সঞ্চিত সমস্ত শক্তি চরম অতিবেগুনি (XUV) ফোটন হিসেবে নির্গত করে।
এই এক্স-রে হারমোনিকগুলোকে একত্রিত করে তৈরি হয় অ্যাটোসেকেন্ড পালস (( au sim ১০০ ext{ as})), যার মাধ্যমে ইতিহাসে প্রথমবারের মতো পরমাণুর কক্ষপথে ইলেকট্রনের আবর্তন সরাসরি পর্যবেক্ষণ করা সম্ভব হয়েছে।
