ضوء مرئي بسرعة تقل عن 20 فيمتو ثانيةمصدر ليزر نبضي قابل للضبط
نشر فريق بحثي من المملكة المتحدة مؤخرًا دراسة مبتكرة، معلنًا أنهم نجحوا في تطوير ضوء مرئي قابل للضبط بمستوى ميغاواط أقل من 20 فيمتو ثانيةمصدر الليزر النبضي. هذا مصدر الليزر النبضي فائق السرعةليزر الأليافالنظام قادر على توليد نبضات بأطوال موجية قابلة للضبط، ومدد قصيرة للغاية، وطاقات تصل إلى 39 نانوجول، وقوة قصوى تتجاوز 2 ميغاواط، مما يفتح آفاق تطبيقية جديدة تمامًا في مجالات مثل التحليل الطيفي فائق السرعة، والتصوير البيولوجي، والمعالجة الصناعية.
تكمن الميزة الأساسية لهذه التقنية في الجمع بين طريقتين متطورتين: "التضخيم غير الخطي المُدار بالكسب (GMNA)" و"انبعاث الموجة الرنانة المشتتة (RDW)". في الماضي، للحصول على مثل هذه النبضات فائقة القصر والقابلة للضبط عالية الأداء، كانت هناك حاجة عادةً إلى ليزرات التيتانيوم والياقوت باهظة الثمن والمعقدة أو مكبرات بصرية بارامترية. لم تكن هذه الأجهزة باهظة الثمن وضخمة الحجم وصعبة الصيانة فحسب، بل كانت محدودة أيضًا بمعدلات التكرار ونطاقات الضبط المنخفضة. لا يقتصر حل الألياف الضوئية الذي تم تطويره هذه المرة على تبسيط بنية النظام بشكل كبير فحسب، بل يقلل أيضًا من التكاليف والتعقيد بشكل كبير. إنه يتيح التوليد المباشر لنبضات عالية الطاقة تقل عن 20 فمتوثانية، قابلة للضبط إلى 400 إلى 700 نانومتر وما فوق بتردد تكرار عالٍ يبلغ 4.8 ميجاهرتز. حقق فريق البحث هذا الإنجاز من خلال بنية نظام مصممة بدقة. أولاً، استخدموا مذبذب ألياف الإيتربيوم، المُقفل النمطي، والحافظ على الاستقطاب بالكامل، والمبني على مرآة حلقة التضخيم غير الخطية (NALM)، كمصدر أساسي. يضمن هذا التصميم استقرار النظام على المدى الطويل، كما يتجنب مشكلة تدهور الممتصات المشبعة فيزيائيًا. بعد التضخيم المسبق وضغط النبضات، تُدخل النبضات الأساسية إلى مرحلة GMNA. تستخدم GMNA تعديل الطور الذاتي وتوزيع الكسب الطولي غير المتماثل في الألياف الضوئية لتحقيق توسيع طيفي وتوليد نبضات فائقة القصر ذات تردد خطي شبه مثالي، تُضغط في النهاية إلى أقل من 40 فمتوثانية من خلال أزواج الشبكة. خلال مرحلة توليد RDW، استخدم الباحثون أليافًا مجوفة مضادة للرنين ذات تسعة رنانات، مصممة ومصنّعة ذاتيًا. يتميز هذا النوع من الألياف الضوئية بفقدان منخفض للغاية في نطاق نبضات المضخة ومنطقة الضوء المرئي، مما يُمكّن من تحويل الطاقة بكفاءة من المضخة إلى الموجة المشتتة، متجنبًا بذلك التداخل الناتج عن نطاق الرنين عالي الفقد. في ظل الظروف المثلى، يمكن أن يصل خرج طاقة نبضات موجة التشتت للنظام إلى 39 نانوجول، ويمكن أن يصل أقصر عرض نبضة إلى 13 فيمتو ثانية، ويمكن أن تصل ذروة الطاقة إلى 2.2 ميجاواط، ويمكن أن تصل كفاءة تحويل الطاقة إلى 13%. والأكثر إثارةً هو أنه من خلال ضبط ضغط الغاز ومعلمات الألياف، يمكن توسيع النظام بسهولة ليشمل نطاقات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، مما يحقق ضبطًا واسع النطاق من الأشعة فوق البنفسجية العميقة إلى الأشعة تحت الحمراء.
لا يقتصر هذا البحث على أهمية بالغة في المجال الأساسي للفوتونيات فحسب، بل يفتح آفاقًا جديدة في المجالات الصناعية والتطبيقية. على سبيل المثال، في مجالات مثل التصوير المجهري متعدد الفوتونات، والتحليل الطيفي فائق السرعة المُحلل زمنيًا، ومعالجة المواد، والطب الدقيق، وأبحاث البصريات غير الخطية فائقة السرعة، سيوفر هذا النوع الجديد من مصادر الضوء فائقة السرعة، صغير الحجم، وفعال، ومنخفض التكلفة، للمستخدمين أدوات ومرونة غير مسبوقة. ولا شك أن هذه التقنية أكثر تنافسية، ولديها إمكانيات تسويقية أكبر، خاصةً في الحالات التي تتطلب معدلات تكرار عالية، وطاقة ذروة، ونبضات فائقة القصر، مقارنةً بأنظمة التضخيم البارامتري الضوئي التقليدية المصنوعة من التيتانيوم والياقوت.
يخطط فريق البحث مستقبلًا لتحسين النظام بشكل أكبر، كدمج البنية الحالية التي تحتوي على مكونات بصرية متعددة في الفضاء الحر ضمن الألياف الضوئية، أو حتى استخدام مذبذب ماميشيف واحد ليحل محل مزيج المذبذب والمضخم الحالي، وذلك لتحقيق تصغير النظام وتكامله. بالإضافة إلى ذلك، ومن خلال التكيف مع أنواع مختلفة من الألياف المضادة للرنين، وإدخال غازات رامان النشطة ووحدات مضاعفة التردد، من المتوقع توسيع نطاق هذا النظام ليشمل نطاقًا أوسع، مما يوفر حلول ليزر فائقة السرعة وواسعة النطاق تعمل بالألياف الضوئية بالكامل، لمجالات متعددة مثل الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء.
الشكل 1. مخطط تخطيطي لضبط الليزر النبضي
وقت النشر: ٢٨ مايو ٢٠٢٥