चिकित्सा में फेमटोसेकंड लेजर अनुप्रयोग

A फेमटोसेकंड लेजरएक "अल्ट्रा-शॉर्ट पल्स लाइट" उत्पन्न करने वाला उपकरण है जो एक सेकंड के केवल एक खरबवें हिस्से के अल्ट्रा-शॉर्ट समय के लिए प्रकाश उत्सर्जित करता है। फी इंटरनेशनल सिस्टम ऑफ यूनिट्स में उपसर्ग फेमटो का संक्षिप्त रूप है, और 1 फेमटोसेकंड=1×10^-15 सेकंड। तथाकथित पल्स लाइट केवल एक पल के लिए प्रकाश उत्सर्जित करती है। कैमरे के फ्लैश का प्रकाश उत्सर्जन समय लगभग 1 माइक्रोसेकंड होता है, इसलिए फेमटोसेकंड अल्ट्रा-शॉर्ट पल्स लाइट के पास प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए अपने समय का लगभग एक अरबवां हिस्सा होता है। जैसा कि हम सभी जानते हैं, प्रकाश की गति 300 किलोमीटर प्रति सेकंड की अद्वितीय गति से उड़ती है (एक सेकंड में पृथ्वी का साढ़े सात बार चक्कर लगाती है)। हालाँकि, एक फेमटोसेकंड में, प्रकाश केवल 0.3 माइक्रोन तक आगे बढ़ता है।

आमतौर पर, हम चलती वस्तुओं की तात्कालिक स्थिति को पकड़ने के लिए फ्लैश फोटोग्राफी का उपयोग करते हैं। इसी तरह, यदि आप फ्लैश करने के लिए फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग करते हैं, तो हिंसक गति से होने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया के हर टुकड़े को देखना संभव है। ऐसा करने के लिए, रासायनिक प्रतिक्रियाओं के रहस्यों का अध्ययन करने के लिए फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग किया जा सकता है।

सामान्य रासायनिक प्रतिक्रियाएँ उच्च ऊर्जा वाली मध्यवर्ती अवस्था, तथाकथित "सक्रिय अवस्था" से गुजरने के बाद आगे बढ़ती हैं। सक्रिय अवस्था के अस्तित्व की सैद्धान्तिक रूप से भविष्यवाणी रसायनज्ञ अरहेनियस ने 1889 में ही कर दी थी, लेकिन क्योंकि यह बहुत ही कम समय के लिए अस्तित्व में थी, इसलिए इसे सीधे तौर पर नहीं देखा जा सका। लेकिन इसके अस्तित्व को 1980 के दशक के अंत में फेमटोसेकंड लेजर द्वारा सीधे प्रदर्शित किया गया था, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को इंगित करने के लिए फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग करने का एक उदाहरण है। उदाहरण के लिए, साइक्लोपेंटेनोन अणु सक्रिय अवस्था में कार्बन मोनोऑक्साइड और 2 एथिलीन अणुओं में विघटित हो जाता है।

आजकल, फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग भौतिकी, रसायन विज्ञान, जीवन विज्ञान, चिकित्सा और इंजीनियरिंग जैसे कई क्षेत्रों में भी किया जाता है। विशेष रूप से, प्रकाश और इलेक्ट्रॉनिक्स के संयोजन से संचार, कंप्यूटर और ऊर्जा के क्षेत्र में विभिन्न नई संभावनाएं खुलने की उम्मीद है। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रकाश की तीव्रता लगभग बिना किसी नुकसान के बड़ी मात्रा में सूचना को एक स्थान से दूसरे स्थान तक पहुंचा सकती है, जिससे ऑप्टिकल संचार और भी तेज हो जाता है। परमाणु भौतिकी के क्षेत्र में फेमटोसेकेंड लेजर ने बहुत बड़ा प्रभाव डाला है। क्योंकि स्पंदित प्रकाश में एक बहुत मजबूत विद्युत क्षेत्र होता है, 1 फेमटोसेकंड के भीतर प्रकाश की गति के करीब इलेक्ट्रॉनों को त्वरित करना संभव है, इसलिए इसे इलेक्ट्रॉनों को तेज करने के लिए "त्वरक" के रूप में उपयोग किया जा सकता है।

चिकित्सा में आवेदन
जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, फेमटोसेकंड के भीतर की दुनिया में, प्रकाश भी जम जाता है और बहुत दूर तक नहीं जा सकता है, लेकिन इस समय के पैमाने पर भी, पदार्थ में परमाणु और अणु और कंप्यूटर चिप्स के अंदर इलेक्ट्रॉन अभी भी सर्किट के भीतर घूम रहे हैं। यदि आप फेमटोसेकंड पल्स का उपयोग करते हैं तो आप इसे तुरंत रोक सकते हैं और अध्ययन कर सकते हैं कि क्या होता है। समय को रोकने के लिए फ्लैशिंग के अलावा, फेमटोसेकंड लेजर 200 नैनोमीटर (एक मिलीमीटर के दो दस हजारवें हिस्से) जितने छोटे व्यास वाले धातु में सूक्ष्म छेद भी कर सकते हैं। इसका मतलब यह है कि अल्ट्रा-शॉर्ट पल्स लाइट जो कम समय में संपीड़ित और अंदर बंद हो जाती है, आसपास के वातावरण को अतिरिक्त नुकसान पहुंचाए बिना अल्ट्रा-हाई आउटपुट का अद्भुत प्रभाव प्राप्त करती है। इसके अलावा, फेमटोसेकंड लेजर की स्पंदित रोशनी वस्तुओं की त्रि-आयामी छवियों को बेहद बारीक विवरण में कैप्चर कर सकती है। स्टीरियोस्कोपिक छवि फोटोग्राफी चिकित्सा निदान में बहुत उपयोगी है, इस प्रकार ऑप्टिकल इंटरफेरेंस टोमोग्राफी नामक एक नया शोध क्षेत्र खुल गया है। यह जीवित ऊतक और जीवित कोशिकाओं की एक त्रि-आयामी छवि है जिसे फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग करके कैप्चर किया गया है। उदाहरण के लिए, प्रकाश की एक बहुत छोटी स्पंदन त्वचा की ओर निर्देशित होती है। स्पंदित प्रकाश त्वचा की सतह पर परावर्तित होता है, और स्पंदित प्रकाश का कुछ भाग त्वचा में उत्सर्जित होता है। त्वचा का अंदरूनी भाग कई परतों से बना होता है। त्वचा में प्रवेश करने वाली पल्स लाइट एक छोटी पल्स लाइट के रूप में वापस लौट आती है। परावर्तित प्रकाश में इन विभिन्न स्पंदित प्रकाशों की गूँज से त्वचा की आंतरिक संरचना का पता चलता है।

इसके अलावा, इस तकनीक में नेत्र चिकित्सा में काफी व्यावहारिकता है, जो आंख की गहराई में रेटिना की त्रि-आयामी छवियों को कैप्चर करने में सक्षम है। यह डॉक्टरों को उनके ऊतकों से संबंधित समस्याओं का निदान करने की अनुमति देता है। इस तरह की जांच केवल आंखों तक ही सीमित नहीं है। यदि ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग करके एक लेजर को शरीर में भेजा जाता है, तो यह शरीर के विभिन्न अंगों के सभी ऊतकों की जांच कर सकता है। भविष्य में यह पता लगाना भी संभव हो सकेगा कि यह कैंसर में तब्दील हो चुका है या नहीं।

अति-सटीक घड़ियों को साकार करना
वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि यदि फेमटोसेकंड लेजर घड़ी बनाने के लिए दृश्य प्रकाश का उपयोग किया जाता है, तो यह परमाणु घड़ी की तुलना में समय को अधिक सटीक रूप से मापने में सक्षम होगी, और अगले कुछ वर्षों में दुनिया की सबसे सटीक घड़ी के रूप में काम करेगी। यदि घड़ी सटीक है, तो यह कार नेविगेशन के लिए उपयोग किए जाने वाले जीपीएस (ग्लोबल पोजिशनिंग सिस्टम) की सटीकता में भी काफी सुधार करती है।

दृश्यमान प्रकाश एक सटीक घड़ी क्यों बना सकता है? पेंडुलम और गियर की गति के लिए सभी घड़ियाँ और घड़ियाँ अपरिहार्य हैं। एक सटीक कंपन आवृत्ति के साथ पेंडुलम के स्विंग के माध्यम से, गियर सेकंड के लिए घूमते हैं, और सटीक घड़ियां कोई अपवाद नहीं हैं। इसलिए, अधिक सटीक घड़ी बनाने के लिए उच्च कंपन आवृत्ति वाले पेंडुलम का उपयोग करना आवश्यक है। क्वार्ट्ज घड़ियाँ (ऐसी घड़ियाँ जो पेंडुलम के बजाय क्रिस्टल दोलन का उपयोग करती हैं) पेंडुलम घड़ियों की तुलना में अधिक सटीक होती हैं क्योंकि क्वार्ट्ज गुंजयमान यंत्र प्रति सेकंड अधिक बार दोलन करता है।

वर्तमान में समय मानक के रूप में उपयोग की जाने वाली सीज़ियम परमाणु घड़ी की दोलन आवृत्ति लगभग 9.2 गीगाहर्ट्ज़ (गीगाहर्ट्ज़ की अंतर्राष्ट्रीय इकाई का उपसर्ग, 1 गीगाहर्ट्ज़=10^9) है। परमाणु घड़ी सीज़ियम परमाणुओं की प्राकृतिक दोलन आवृत्ति का उपयोग करती है और पेंडुलम को माइक्रोवेव से बदल देती है जिसकी दोलन आवृत्ति सुसंगत होती है। इसकी सटीकता लाखों वर्षों में केवल एक सेकंड है। इसके विपरीत, दृश्य प्रकाश में दोलन आवृत्ति होती है जो माइक्रोवेव दोलन आवृत्ति से 100,{6}} से 1,{8}},000 गुना अधिक होती है। अर्थात्, दृश्य प्रकाश ऊर्जा का उपयोग सटीक घड़ियाँ बनाने के लिए किया जा सकता है जो परमाणु घड़ियों की तुलना में लाखों गुना अधिक सटीक हैं। दृश्य प्रकाश का उपयोग करने वाली दुनिया की सबसे सटीक घड़ी अब एक प्रयोगशाला में सफलतापूर्वक बनाई गई है।

इस सटीक घड़ी की मदद से आइंस्टीन के सापेक्षता के सिद्धांत को सत्यापित किया जा सकता है। हमने ऐसी एक सटीक घड़ी प्रयोगशाला में और दूसरी नीचे कार्यालय में रखी, और संभावित स्थितियों पर विचार किया। एक या दो घंटे बाद परिणाम आइंस्टाइन के सापेक्षता सिद्धांत की भविष्यवाणी के अनुरूप आया। दोनों मंजिलों के बीच अलग-अलग "गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र" होने के कारण, दोनों घड़ियाँ अब एक ही समय पर इंगित नहीं करती हैं, और नीचे की घड़ी ऊपर की घड़ी की तुलना में धीमी चलती है। यदि अधिक सटीक घड़ी का उपयोग किया जाता, तो शायद कलाई और टखने पर पहनी जाने वाली घड़ियाँ भी उस दिन अलग-अलग समय बतातीं। हम सटीक घड़ियों की मदद से सापेक्षता के आकर्षण का आसानी से अनुभव कर सकते हैं।

प्रकाश की गति धीमी करने वाली तकनीक
1999 में, संयुक्त राज्य अमेरिका में हबर्ड विश्वविद्यालय के प्रोफेसर रेनर होवे ने प्रकाश को सफलतापूर्वक 17 मीटर प्रति सेकंड तक धीमा कर दिया, एक ऐसी गति जिसे कारें पकड़ सकती हैं, और फिर सफलतापूर्वक प्रकाश को उस गति तक धीमा कर दिया जिसे साइकिलें भी पकड़ सकती हैं। इस प्रयोग में भौतिकी में सबसे अत्याधुनिक शोध शामिल है। यह आलेख प्रयोग की सफलता के लिए केवल दो कुंजी प्रस्तुत करता है। एक है परम शून्य (-273.15 डिग्री) के करीब बेहद कम तापमान वाले सोडियम परमाणुओं का एक "बादल" बनाना, एक विशेष गैस अवस्था जिसे बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट कहा जाता है। दूसरा एक लेजर है जो कंपन आवृत्ति (नियंत्रण लेजर) को समायोजित करता है, और इसका उपयोग सोडियम परमाणुओं के एक बादल को रोशन करने के लिए करता है, और कुछ अविश्वसनीय होता है।

वैज्ञानिक पहले परमाणुओं के बादल में स्पंदित प्रकाश को संपीड़ित करने और इसे बेहद धीमा करने के लिए एक नियंत्रण लेजर का उपयोग करते हैं। फिर वे नियंत्रण लेजर को बंद कर देते हैं और पल्स लाइट गायब हो जाती है। स्पंदित प्रकाश पर ली गई जानकारी परमाणुओं के बादल में संग्रहीत होती है। . फिर इसे एक नियंत्रित लेजर से विकिरणित किया जाता है, और पल्स लाइट बहाल हो जाती है और परमाणुओं के बादल से बाहर निकल जाती है। परिणामस्वरूप, मूल रूप से संपीड़ित नाड़ी फिर से चौड़ी हो जाती है और गति बहाल हो जाती है। स्पंदित प्रकाश जानकारी को परमाणु बादल में इनपुट करने की पूरी प्रक्रिया कंप्यूटर में पढ़ने, संग्रहीत करने और रीसेट करने के समान है। इसलिए, यह तकनीक क्वांटम कंप्यूटर को साकार करने में मदद कर सकती है।

"फेमटोसेकंड" की दुनिया से "एटोसेकंड" तक

फेमटोसेकंड हमारी कल्पना से परे हैं। अब हम एटोसेकंड की दुनिया में कदम रख रहे हैं, जो फेमटोसेकंड से भी छोटा है। आह, इंटरनेशनल सिस्टम ऑफ़ यूनिट्स के उपसर्ग "एटो" का संक्षिप्त रूप है। 1 एटोसेकंड=1×10^-18 सेकेंड=फेमटोसेकंड का एक हजारवां हिस्सा। एटोसेकंड पल्स को दृश्य प्रकाश के साथ नहीं बनाया जा सकता क्योंकि पल्स को छोटा करने के लिए कम तरंग दैर्ध्य प्रकाश के उपयोग की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, यदि आप लाल दृश्य प्रकाश का उपयोग करके एक पल्स बनाना चाहते हैं, तो उस तरंग दैर्ध्य से छोटी पल्स बनाना असंभव है। दृश्यमान प्रकाश की सीमा लगभग 2 फेमटोसेकंड होती है, इसलिए एटोसेकंड पल्स छोटी तरंग दैर्ध्य वाली एक्स-रे या गामा किरणों का उपयोग करते हैं। यह स्पष्ट नहीं है कि एटोसेकंड एक्स-रे पल्स का उपयोग करके भविष्य में क्या खोजा जाएगा। उदाहरण के लिए, बायोमोलेक्यूल्स को देखने के लिए एटोसेकंड फ्लैश का उपयोग करने से हम बहुत कम समय के पैमाने पर उनकी गतिविधियों का निरीक्षण कर सकते हैं और शायद बायोमोलेक्यूल्स की संरचना की पहचान कर सकते हैं।

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