ليزر فائق السرعة فريد من نوعه - الجزء الثاني

فريدليزر فائق السرعةالجزء الثاني

التشتت وانتشار النبضات: تشتت تأخير المجموعة
يُعد الحفاظ على مدة النبضات فائقة القصر التي تنبعث في البداية من الليزر أحد أصعب التحديات التقنية التي تواجه استخدام الليزر فائق السرعة.ليزرتتأثر النبضات فائقة السرعة بشدة بتشوه الزمن، مما يؤدي إلى إطالة مدتها. ويتفاقم هذا التأثير كلما قصرت مدة النبضة الأولية. ورغم أن الليزر فائق السرعة قادر على إصدار نبضات مدتها 50 ثانية، إلا أنه يمكن تضخيمها زمنيًا باستخدام المرايا والعدسات لتوجيه النبضة إلى الموقع المستهدف، أو حتى ببساطة عن طريق تمريرها عبر الهواء.

يُقاس هذا التشوه الزمني باستخدام مقياس يُسمى تشتت المجموعة المتأخر (GDD)، والمعروف أيضًا باسم التشتت من الدرجة الثانية. في الواقع، توجد أيضًا حدود تشتت من درجات أعلى قد تؤثر على التوزيع الزمني لنبضات الليزر فائق السرعة، ولكن عمليًا، يكفي عادةً فحص تأثير GDD. قيمة GDD هي قيمة تعتمد على التردد وتتناسب خطيًا مع سُمك مادة معينة. عادةً ما يكون للبصريات الناقلة، مثل العدسات والنوافذ والمكونات الشيئية، قيم GDD موجبة، مما يشير إلى أنه بمجرد ضغط النبضات، يمكن أن تُعطي البصريات الناقلة مدة نبضة أطول من تلك المنبعثة من مصادر أخرى.أنظمة الليزرتنتشر المكونات ذات الترددات المنخفضة (أي الأطوال الموجية الأطول) أسرع من المكونات ذات الترددات العالية (أي الأطوال الموجية الأقصر). ومع مرور النبضة عبر كمية أكبر من المادة، يستمر طول الموجة في النبضة بالامتداد مع مرور الوقت. بالنسبة لفترات النبضات الأقصر، وبالتالي نطاقات التردد الأوسع، يتفاقم هذا التأثير وقد يؤدي إلى تشوه كبير في زمن النبضة.

تطبيقات الليزر فائق السرعة
التحليل الطيفي
منذ ظهور مصادر الليزر فائقة السرعة، أصبح التحليل الطيفي أحد أبرز مجالات تطبيقها. فبتقليص مدة النبضة إلى فيمتوثانية أو حتى أتوثانية، أصبح بالإمكان رصد العمليات الديناميكية في الفيزياء والكيمياء والأحياء التي كان من المستحيل رصدها في السابق. ومن أهم هذه العمليات حركة الذرات، وقد ساهم رصدها في تحسين الفهم العلمي للعمليات الأساسية كالاهتزاز الجزيئي، والتفكك الجزيئي، وانتقال الطاقة في البروتينات الضوئية.

التصوير الحيوي
تدعم الليزرات فائقة السرعة ذات القدرة القصوى العمليات غير الخطية وتحسن دقة التصوير البيولوجي، مثل المجهر متعدد الفوتونات. في نظام متعدد الفوتونات، ولتوليد إشارة غير خطية من وسط بيولوجي أو هدف فلوري، يجب أن يتداخل فوتونان مكانيًا وزمنيًا. تعمل هذه الآلية غير الخطية على تحسين دقة التصوير عن طريق تقليل إشارات الفلورة الخلفية بشكل ملحوظ، والتي تعيق دراسات عمليات الفوتون الواحد. يوضح الشكل المرفق خلفية الإشارة المبسطة. كما تمنع منطقة الإثارة الأصغر في المجهر متعدد الفوتونات السمية الضوئية وتقلل من تلف العينة.

الشكل 1: رسم تخطيطي لمسار شعاع في تجربة مجهر متعدد الفوتونات

معالجة المواد بالليزر
أحدثت مصادر الليزر فائقة السرعة ثورةً في التصنيع الدقيق بالليزر ومعالجة المواد، وذلك بفضل الطريقة الفريدة التي تتفاعل بها النبضات فائقة القصر مع المواد. وكما ذُكر سابقًا، عند الحديث عن التلف الناتج عن الليزر، فإن مدة النبضة فائقة السرعة أسرع من النطاق الزمني لانتشار الحرارة في بنية المادة. وتُنتج أشعة الليزر فائقة السرعة منطقةً متأثرةً بالحرارة أصغر بكثير من تلك التي تنتجها أشعة الليزر التقليدية.ليزرات نبضية نانوثانيةمما يؤدي إلى تقليل الفاقد الناتج عن الشق الجراحي وزيادة دقة المعالجة. وينطبق هذا المبدأ أيضاً على التطبيقات الطبية، حيث تساعد الدقة المتزايدة لقطع الليزر فائق السرعة على تقليل الضرر الذي يلحق بالأنسجة المحيطة وتحسين تجربة المريض أثناء جراحة الليزر.

نبضات الأتوثانية: مستقبل الليزر فائق السرعة
مع استمرار الأبحاث في تطوير الليزر فائق السرعة، يجري العمل على تطوير مصادر ضوئية جديدة ومحسّنة ذات نبضات أقصر. وللتعمق في فهم العمليات الفيزيائية الأسرع، يركز العديد من الباحثين على توليد نبضات الأتوثانية - التي تتراوح مدتها بين 10 و18 ثانية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية القصوى (XUV). تتيح نبضات الأتوثانية تتبع حركة الإلكترونات، مما يُحسّن فهمنا للبنية الإلكترونية وميكانيكا الكم. ورغم أن دمج ليزرات الأتوثانية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية القصوى في العمليات الصناعية لم يحقق تقدماً ملحوظاً بعد، إلا أن الأبحاث والتطورات المستمرة في هذا المجال ستدفع هذه التقنية، على الأرجح، من المختبر إلى التصنيع، كما هو الحال مع ليزرات الفيمتو ثانية والبيكو ثانية.مصادر الليزر.