فريدليزر فائق السرعةالجزء الثاني
التشتت وانتشار النبضة: تشتت تأخير المجموعة
أحد أصعب التحديات التقنية التي تواجهها عند استخدام الليزر فائق السرعة هو الحفاظ على مدة النبضات القصيرة للغاية التي تنبعث في البداية من الليزر.الليزرالنبضات فائقة السرعة عرضة جدًا لتشويه الزمن، مما يجعل مدتها أطول. ويتفاقم هذا التأثير مع قصر مدة النبضة الأولية. في حين أن أشعة الليزر فائقة السرعة يمكنها إصدار نبضات مدتها 50 ثانية، إلا أنه يمكن تضخيمها زمنيًا باستخدام المرايا والعدسات لنقل النبضة إلى الموقع المستهدف، أو حتى نقلها عبر الهواء.
يُقاس هذا التشوه الزمني باستخدام مقياس يُسمى التشتت المتأخر للمجموعة (GDD)، والمعروف أيضًا باسم التشتت من الدرجة الثانية. في الواقع، هناك أيضًا مصطلحات تشتت من الدرجة الأعلى قد تؤثر على التوزيع الزمني لنبضات الليزر فائقة السرعة، ولكن عمليًا، يكفي عادةً مجرد دراسة تأثير GDD. GDD هي قيمة تعتمد على التردد وتتناسب خطيًا مع سمك مادة معينة. عادةً ما يكون لبصريات النقل، مثل العدسات والنافذة ومكونات العدسة الشيئية، قيم GDD موجبة، مما يشير إلى أن النبضات المضغوطة يمكن أن تمنح بصريات النقل مدة نبضة أطول من تلك المنبعثة من...أنظمة الليزرتنتشر المكونات ذات الترددات المنخفضة (أي ذات الأطوال الموجية الأطول) أسرع من المكونات ذات الترددات الأعلى (أي ذات الأطوال الموجية الأقصر). ومع مرور النبضة عبر المزيد من المادة، يستمر طولها الموجي في التمدد مع مرور الزمن. أما في حالة النبضات ذات مدد النبضات الأقصر، وبالتالي ذات النطاقات الترددية الأوسع، فيزداد هذا التأثير سوءًا، وقد يؤدي إلى تشوه كبير في زمن النبضة.
تطبيقات الليزر فائقة السرعة
التحليل الطيفي
منذ ظهور مصادر الليزر فائقة السرعة، أصبح التحليل الطيفي أحد مجالات تطبيقها الرئيسية. فباختصار مدة النبضة إلى فيمتوثانية أو حتى أتوثانية، أصبح من الممكن الآن تحقيق عمليات ديناميكية في الفيزياء والكيمياء والأحياء كانت من المستحيل رصدها تاريخيًا. ومن أهم هذه العمليات حركة الذرات، وقد حسّن رصدها الفهم العلمي للعمليات الأساسية، مثل الاهتزاز الجزيئي والتفكك الجزيئي وانتقال الطاقة في البروتينات الضوئية.
التصوير الحيوي
تدعم أشعة الليزر فائقة السرعة ذات القدرة القصوى العمليات غير الخطية وتُحسّن دقة التصوير البيولوجي، مثل المجهر متعدد الفوتونات. في نظام متعدد الفوتونات، لتوليد إشارة غير خطية من وسط بيولوجي أو هدف فلوري، يجب أن يتداخل فوتونان في المكان والزمان. تُحسّن هذه الآلية غير الخطية دقة التصوير من خلال تقليل إشارات الفلورسنت الخلفية بشكل كبير، والتي تُعيق دراسات عمليات الفوتون الواحد. يُوضّح الشكل المُبسّط لخلفية الإشارة. كما أن منطقة الإثارة الأصغر في المجهر متعدد الفوتونات تمنع السمية الضوئية وتُقلّل من تلف العينة.
الشكل 1: رسم تخطيطي لمثال لمسار الشعاع في تجربة المجهر متعدد الفوتون
معالجة المواد بالليزر
أحدثت مصادر الليزر فائقة السرعة ثورةً في مجال المعالجة الدقيقة بالليزر ومعالجة المواد، وذلك بفضل الطريقة الفريدة التي تتفاعل بها النبضات فائقة السرعة مع المواد. وكما ذُكر سابقًا، عند مناقشة تقنية التحليل الطيفي بالليزر (LDT)، فإن مدة النبضة فائقة السرعة أسرع من النطاق الزمني لانتشار الحرارة في شبكة المادة. تُنتج الليزرات فائقة السرعة منطقة متأثرة بالحرارة أصغر بكثير منليزر نبضي نانوثانيةمما يؤدي إلى تقليل خسائر الشقوق وزيادة دقة التصنيع. ينطبق هذا المبدأ أيضًا على التطبيقات الطبية، حيث تساعد الدقة المتزايدة للقطع بالليزر فائق الدقة على تقليل تلف الأنسجة المحيطة وتحسين تجربة المريض أثناء جراحة الليزر.
نبضات الأتوثانية: مستقبل الليزر فائق السرعة
مع استمرار الأبحاث في تطوير الليزر فائق السرعة، يجري تطوير مصادر ضوء جديدة ومحسّنة ذات فترات نبض أقصر. وللتعمق في العمليات الفيزيائية الأسرع، يركز العديد من الباحثين على توليد نبضات الأتوثانية - حوالي 10-18 ثانية في نطاق الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية القصوى (XUV). تتيح نبضات الأتوثانية تتبع حركة الإلكترونات، وتُحسّن فهمنا للبنية الإلكترونية وميكانيكا الكم. في حين أن دمج ليزرات الأتوثانية XUV في العمليات الصناعية لم يُحرز تقدمًا كبيرًا بعد، فإن الأبحاث والتطورات الجارية في هذا المجال ستدفع هذه التقنية، بلا شك، من المختبر إلى التصنيع، كما هو الحال مع الفيمتوثانية والبيكو ثانية.مصادر الليزر.
وقت النشر: ٢٥ يونيو ٢٠٢٤