Near single-cycle pulse generation using a cascaded all-bulk multi-pass cell compression system
تثبت هذه الورقة تجريبياً توليد نبضات بصرية عالية الجودة، قريبة من الدورة الواحدة (5.5 فيمتو ثانية) عند طول موجي 1058 نانومتر عبر تتابع خليتين متعددتي المسارات، وذلك لتوسيع الطيف وضغطه، محققةً أداءً قوياً حتى عند قدرات ذروة تتجاوز بشكل كبير القدرة الحرجة للتركيز الذاتي في السيليكا المنصهرة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أنك تحاول التقاط صورة لجناحي طائر طنان أثناء رفرفته في الهواء. للقيام بذلك، تحتاج إلى ومضة كاميرا سريعة جداً لتجميد الحركة في لحظة واحدة واضحة تماماً. في عالم الفيزياء، يحاول العلماء القيام بالشيء نفسه، ولكن بدلاً من أجنحة الطيور، يحاولون تجميد رقصة الإلكترونات داخل الذرات. لالتقاط هذه الجسيمات الصغيرة وهي تتحرك، يحتاجون إلى نبضات ضوئية أقصر من تريليون جزء من الثانية. وكلما كانت النبضة أسرع، كانت الصورة أكثر وضوحاً لحياة الإلكترون.
لعقود من الزمن، كان العلماء يبنون ليزرات تعمل مثل هذه الومضات فائقة السرعة. لكن هناك عقبة: الليزرات التي يمكنهم بناؤها بسهولة تشبه كاميرا الفيديو ذات التصوير البطيء؛ فهي تنتج نبضات ضوئية "طويلة" في الزمن — مئات الفيمتو ثانية (الفيمتو ثانية هي جزء من كوادريليون من الثانية). وللحصول على الومضات القصيرة جداً، "أحادية الدورة"، اللازمة لرؤية الإلكترونات بوضوح، يتعين على العلماء ضغط هذه النبضات الطويلة حتى تصبح قصيرة جداً ومكثفة للغاية. الأمر يشبه أخذ شريط مطاطي طويل ومرتخٍ ثم شده ليصبح نحيفاً جداً، ثم إطلاقه بقوة ليعود كزنبرك صغير وقوي. التحدي يكمكم في القيام بذلك دون أن ينقطع الشريط المطاطي أو يتشابك. هذه الورقة البحثية تتحدث عن طريقة جديدة وذكية لضغط هذا الضوء إلى أقصر شكل ممكن دون كسره.
الورقة البحثية: ضغط الضوء إلى دورة واحدة
في هذه الدراسة، قام فريق من الباحثين من جامعة لوند في السويد ببناء آلة للقيام بعملية ضغط الضوء القصوى هذه. بدأوا بنبضة ليزر قياسية طولها 220 فيمتو ثانية — وهي سريعة جداً بالفعل، لكنها طويلة جداً لرؤية أسرع حركات الإلكترونات. كان هدفهم هو سحق هذه النبضة لتصبح مجرد بضع "دورات" من الضوء، وهو الحد الأدنى للطول الذي يمكن أن تكون عليه النبضة.
تخيل نبضة الليزر كخط طويل ومتمايل من الناس يمسكون بأيدي بعضهم البعض. لجعل الخط أقصر، تحتاج إلى سحب الناس ليكونوا أقرب إلى بعضهم. استخدم العلماء "صندوق ضغط" خاصاً يسمى خلية متعددة المسارات (MPC). تخيل غرفة بها مرآتان على الجدران المتقابلة. يرتد الضوء ذهاباً وإياباً بينهما مرات عديدة. داخل هذه الغرفة، توجد ألواح زجاجية سميكة. في كل مرة يصطدم فيها الضوء بالزجاج، يتلقى "دفعة" تجعل ألوانه تتمدد، مما يجعل النبضة أعرض من حيث اللون ولكن أقصر من حيث الزمن.
لم يستخدم الفريق صندوق ضغط واحداً فحسب، بل استخدموا اثنين متتاليين، مثل سباق التتابع:
- الضغط الأول: دخلت نبضة الـ 220 فيمتو ثانية إلى الصندوق الأول. بعد الارتداد 11 مرة عبر الزجاج، خرجت كنبضة طولها 50 فيمتو ثانية. كانت أقصر بكثير، لكنها لم تكن سريعة بما يكفي بعد.
- الضغط الثاني: دخلت هذه النبضة الأقصر إلى الصندوق الثاني. هنا، رفع العلماء مستوى القدرة. لقد دفعوا الضوء بقوة شديدة لدرجة أن شدته أصبحت أقوى بمئات المرات مما يسبب عادةً تصرف الزجاج بشكل غريب (وهي ظاهرة تسمى "التركيز الذاتي"). عادةً، دفع الضوء بهذه القوة عبر الزجاج يشبه قيادة سيارة سباق في حفرة من الطين؛ تتوقع أن تعلق السيارة أو أن يتناثر الطين في كل مكان، مما يفسد الرحلة.
الاكتشاف الكبير
كان الباحثون قلقين من أن دفع الضوء بهذه القوة سيؤدي إلى تشويه الشعاع، مما يجعله فوضوياً وغير مفيد. كانوا يبحثون عن "الارتباطات المكانية-الزمانية"، وهي طريقة منمقة للقول بأن "الضوء يتعرض للالتواء والتشابك في الفضاء والزمن". ولكن إليكم المفاجأة: لم يحدث خطأ ما.
على الرغم من القدرة الهائلة، خرج الضوء من الصندوق الثاني نظيفاً تماماً. قاس الفريق النبضة النهائية ووجد أنها طولها 5.5 فيمتو ثانية فقط. عند اللون المحدد للضوء الذي استخدموه (1058 نانومتر)، يعادل هذا 1.6 دورة فقط من موجة الضوء. هذه هي أقصر مدة نبضة حققوها على الإطلاق باستخدام هذه الطريقة "الكلية" (التي تعتمد على الزجاج الصلب فقط، لا الغاز).
لماذا هذا مهم؟
تؤكد الورقة البحثية أن هذه الطريقة تعمل بشكل رائع. لقد فحصوا النبضة بكل طريقة ممكنة:
- الزمن: قاسوا الطول ووجدوا أنه قصير تماماً كما كانوا يأملون (5.5 فيمتو ثانية).
- المكان: فحصوا شكل الشعاع ووجدوا أنه لا يزال دائرة مثالية، وليس كتلة مشوهة.
- اللون: فحصوا الألوان ووجدوا أن النبضة تحتوي على قوس قزح واسع وسلس، بدون فجوات أو التواءات غريبة.
استخدم الفريق كاميرا خاصة مصنوعة من زرنيخيد الغاليوم والإنديوم (InGaAs) لرؤية الألوان التي تفقدها الكاميرات العادية (أي شيء فوق 1100 نانومتر). سمح لهم ذلك برؤية الصورة الكاملة، مما أثبت أن النبضة عالية الجودة عبر نطاق ألوانها الواسع للغاية.
الخلاصة
تظهر الورقة أنه يمكنك أخذ ليزر قياسي، وتمريره عبر مرحلتين من المرايا المملوءة بالزجاج، وسحقه ليصل إلى نبضة دورة واحدة دون كسر الشعاع. وعلى الرغم من أنهم دفعوا الزجاج إلى أقصى حدوده، ظل الضوء منظماً وقوياً. تحمل النبضة النهائية طاقة قدرها 40 ميكرو جول، وهي كافية لتكون مفيدة للتجارب اللاحقة.
يشير المؤلفون إلى أن هذا الإعداد يعد طريقة مدمجة، وقوية، وفعالة لصنع الضوء فائق السرعة اللازم لتجارب "المجال القوي". ويشمل ذلك أشياء مثل إنشاء الأشعة فوق البنفسجية القصوى أو حتى توليد نبضات "أتوسكند" معزولة (وهي أقصر حتى من الفيمتو ثانية) لمراقبة حركة الإلكترونات في الوقت الفعلي. وبينما يشيرون إلى أنه لا تزال هناك بعض فقدان الطاقة بسبب الألواح الزجاجية غير المطلية، فإن الطريقة تثبت أن الزجاج الصلب يمكنه تحمل القدرة الهائلة اللازمة لإنشاء أسرع نبضات ضوئية على وجه الأرض.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.