ليزر نبضي ذو معدل تكرار فائق السرعة

ليزر نبضي ذو معدل تكرار فائق السرعة

في عالم التفاعل المجهري بين الضوء والمادة، تعمل النبضات فائقة التكرار (UHRPs) كأدوات دقيقة لقياس الزمن، إذ تتذبذب بأكثر من مليار مرة في الثانية (1 جيجاهرتز)، ما يُمكّنها من التقاط البصمات الجزيئية للخلايا السرطانية في التصوير الطيفي، ونقل كميات هائلة من البيانات في اتصالات الألياف الضوئية، ومعايرة إحداثيات الطول الموجي للنجوم في التلسكوبات. وبشكل خاص، في ظل التطور الهائل في بُعد الكشف في تقنية الليدار، أصبحت ليزرات النبضات فائقة التكرار في نطاق التيراهيرتز (100-300 جيجاهرتز) أدوات فعّالة لاختراق طبقة التداخل، وإعادة تشكيل حدود الإدراك ثلاثي الأبعاد بفضل قدرتها على التلاعب المكاني والزماني على مستوى الفوتون. وفي الوقت الراهن، يُعد استخدام البنى المجهرية الاصطناعية، مثل تجاويف الحلقات المجهرية التي تتطلب دقة معالجة نانوية لتوليد مزج أربع موجات (FWM)، أحد الأساليب الرئيسية للحصول على نبضات ضوئية فائقة التكرار. يركز العلماء على حل المشكلات الهندسية في معالجة الهياكل فائقة الدقة، ومشكلة ضبط التردد أثناء بدء النبضة، ومشكلة كفاءة التحويل بعد توليد النبضة. ويتمثل نهج آخر في استخدام ألياف غير خطية للغاية والاستفادة من تأثير عدم استقرار التضمين أو تأثير المزج الرباعي للموجات داخل تجويف الليزر لتحفيز النبضات فائقة الدقة. وحتى الآن، ما زلنا بحاجة إلى "مُشكِّل زمني" أكثر دقة.

تُعرف عملية توليد طاقة فائقة السرعة (UHRP) عن طريق حقن نبضات فائقة السرعة لتحفيز تأثير المزج الرباعي للموجات (FWM) المبدد باسم "الإشعال فائق السرعة". وبخلاف مخطط تجويف الحلقة الدقيقة الاصطناعي المذكور سابقًا، والذي يتطلب ضخًا مستمرًا، وضبطًا دقيقًا للانحراف للتحكم في توليد النبضات، واستخدام وسائط غير خطية عالية لخفض عتبة المزج الرباعي للموجات، يعتمد هذا "الإشعال" على خصائص ذروة القدرة للنبضات فائقة السرعة لتحفيز المزج الرباعي للموجات مباشرةً، وبعد "إيقاف الإشعال"، يتم تحقيق طاقة فائقة السرعة مستدامة ذاتيًا.

يوضح الشكل 1 الآلية الأساسية لتحقيق التنظيم الذاتي للنبضات بناءً على إثارة نبضة بذرية فائقة السرعة لتجاويف حلقية ليفية مُبددة للطاقة. تعمل النبضة البذرية فائقة القصر المُحقونة خارجيًا (فترة T0، تردد تكرار F) كمصدر إشعال لإثارة مجال نبضي عالي الطاقة داخل تجويف التبديد. تعمل وحدة الكسب داخل الخلية بتناغم مع مُشكِّل الطيف لتحويل طاقة النبضة البذرية إلى استجابة طيفية على شكل مشط من خلال تنظيم مشترك في مجال التردد الزمني. تتجاوز هذه العملية قيود الضخ المستمر التقليدي: إذ تتوقف النبضة البذرية عند وصولها إلى عتبة التبديد FWM، ويحافظ تجويف التبديد على حالة التنظيم الذاتي للنبضة من خلال التوازن الديناميكي بين الكسب والفقد، حيث يكون تردد تكرار النبضة Fs (الموافق للتردد الذاتي FF وفترة T للتجويف).

أجرت هذه الدراسة أيضًا تحققًا نظريًا. استنادًا إلى المعايير المعتمدة في الإعداد التجريبي ومع 1 بيكو ثانيةليزر نبضي فائق السرعةكحقل أولي، أُجريت محاكاة عددية لعملية تطور المجال الزمني والترددي للنبضة داخل تجويف الليزر. ووجد أن النبضة تمر بثلاث مراحل: انقسام النبضة، وتذبذب النبضة الدوري، وتوزيع النبضة المنتظم في جميع أنحاء تجويف الليزر. وتؤكد هذه النتيجة العددية بشكل كامل خصائص التنظيم الذاتي لـليزر نبضي.

من خلال تحفيز تأثير المزج رباعي الموجات داخل تجويف حلقة الألياف المبددة للطاقة عبر إشعال نبضة بذرية فائقة السرعة، تم بنجاح توليد نبضات ذاتي التنظيم والحفاظ عليها بترددات تكرار فائقة الارتفاع دون التيرابايتز (بمخرج طاقة ثابت قدره 0.5 واط بعد إيقاف النبضة البذرية)، مما يوفر نوعًا جديدًا من مصادر الضوء لمجال الليدار: إذ يمكن لتردده دون التيرابايتز تحسين دقة سحابة النقاط إلى مستوى المليمتر. كما تقلل خاصية الاستدامة الذاتية للنبضة بشكل كبير من استهلاك طاقة النظام. ويضمن هيكل الألياف بالكامل تشغيلًا عالي الاستقرار في نطاق أمان العين البالغ 1.5 ميكرومتر. وبالنظر إلى المستقبل، من المتوقع أن تدفع هذه التقنية تطور الليدار المثبت على المركبات نحو التصغير (اعتمادًا على مرشحات ماخ-زيندر الدقيقة) والكشف بعيد المدى (زيادة الطاقة إلى أكثر من 1 واط)، وأن تتكيف بشكل أكبر مع متطلبات الإدراك في البيئات المعقدة من خلال الإشعال المنسق متعدد الأطوال الموجية والتنظيم الذكي.