Wavefront shaping of terahertz radiation using two-color flying-focus pulses with time-dependent focal velocities

تحتل إشعاعات التراهرتز مساحة فريدة في الطيف الكهرومغناطيسي، حيث تقع بين الموجات الدقيقة المستخدمة في شبكات "الواي فاي" والأشعة تحت الحمراء التي تمنح بشرتنا الدفء. وتعد هذه الحزمة غير المرئية من الطاقة أداة قوية للعلماء والمهندسين لأنها تستطيع النفاذ عبر العديد من المواد التي تحجب الضوء المرئي، مثل الملابس والورق المقوى والبلاستيك، دون إلحاق الضرر بها. وهذا ما يجعلها مثالية لرؤية ما بداخل الطرود، أو تحليل التركيب الكيميائي للغازات، أو تصوير الأنسجة البيولوجية. ولجعل هذه التطبيقات تعمل بأفضل شكل، يحتاج الباحثون غالباً إلى نبضات من هذا الإشعاع تكون قصيرة للغاية وكثيفة. وتتمثل إحدى أكثر الطرق فعالية لإنشاء مثل هذه النبضات في إطلاق ليزر متخصص داخل غاز ما. فعندما يصطدم الليزر بالغاز، فإنه يجرد الإلكترونات من الذرات، مما يخلق تياراً متحركاً قصيراً ينبعث منه موجات التراهرتز. ويعتمد شكل هذه الموجات أثناء انتقالها كلياً على مدى سرعة حركة تيار الإلكترونات هذا. فإذا تحرك التيار بسرعة ثابتة، فإن الموجات تنتشر على شكل مخروط، تماماً مثل الأثر الذي يشبه حرف (V) خلف قارب يتحرك في الماء.

لسنوات طويلة، تمكن العلماء من التحكم في سرعة تيار الإلكترونات هذا إلى حد ما، مما سمح لهم بضبط الزاوية التي تنتشر بها موجات التراهرتز. ومع ذلك، كان هذا التحكم مقتصرًا على الحفاظ على السرعة ثابتة، مما يعني أن الموجات كانت تشكل دائماً نفس الشكل المخروطي. وقد أظهرت دراسة جديدة أجراها باحثون من جامعة روتشستر والجامعة الحرة ببروكسل أنه من خلال تغيير سرعة تيار الإلكترونات بمرور الوقت، يمكنهم إعادة تشكيل الموجات إلى أشكال جديدة تماماً. فبدلاً من الشكل المخروطي، أثبتوا أنه يمكن جعل الموجات تنحني لتصبح على شكل قطع مكافئ (parabola)، وهو شكل ملائم طبيعياً لجمعه وتركيزه في حزمة ضيقة. ويفتح هذا الاكتشاف الباب أمام إنشاء نبضات تراهرتز ليست قوية فحسب، بل مشكلة بدقة لمهام محددة، مثل تركيز الطاقة على نقطة متناهية الصغر أو جمعها بكفاءة من منطقة واسعة.

حقق الباحثون ذلك باستخدام تقنية تُعرف باسم "التركيز الطائر" (flying focus). في إعدادات الليزر القياسية، تكون نقطة الكثافة القصوى ثابتة في مكان واحد. أما في "التركيز الطائر"، فيتم جعل نقطة الكثافة القصوى تتحرك على طول شعاع الليزر بسرعة يمكن للعلماء اختيارها. ولتحقيق ذلك، استخدموا نظاماً بصرياً خاصاً يقسم الليزر إلى حلقات ملونة مختلفة ويؤخرها قليلاً بحيث تلتقي جميعها في بؤرة عند مسافات مختلفة على طول الشعاع. ومن خلال ترتيب هذه التأخيرات بعناية، تمكنوا من إنشاء نبضة يكون الجزء الأكثر سطوعاً فيها يتحرك للأمام بسرعة محددة وقابلة للتحكم. وفي تجربتهم، استخدموا نبضة ليزر مكونة من لونين من الضوء، وهو أمر ضروري لتحفيز تيار الإلكترونات في الغاز بكفاءة. وقد برمجوا الجزء الأكثر سطوعاً من هذه النبضة ليبدأ بالتحرك بسرعة كبيرة جداً ثم يتباطأ تدريجياً أثناء مروره عبر الغاز.

ومع تحرك البقعة الساطعة لليزر عبر الغاز، قامت بتأيين الذرات، مما خلق مساراً من الإلكترونات. ولأن بقعة الليزر كانت تتباطأ، فإن مسار الإلكترونات الذي أنشأته تباطأ أيضاً. ووجد الباحثون أن هذا المسار المتباطئ عمل كمصدر متحرك ينبعث منه موجات التراهرتز. وبسبب تغير سرعة المصدر، تغيرت الزاوية التي تنبعث بها الموجات باستمرار. فبدلاً من انتقال جميع الموجات بنفس الزاوية لتشكل مخروطاً، كانت الموجات المنبعثة في بداية العملية تسافر بزاوية واسعة، بينما سافرت تلك المنبعثة لاحقاً بزاوية أكثر حدة. وعندما اندمجت هذه الموجات، شكلت سطحاً منحنيًا على شكل قطع مكافئ. وقد استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة لنمذجة هذه العملية، مؤكدين أن جبهة التأين المتباطئة تنتج جبهة موجية مكافئة، بينما تنتج الجبهة ذات السرعة الثابتة الشكل المخروطي التقليدي.

وكشفت عمليات المحاكاة أن شكل الموجة الناتج يرتبط مباشرة بمقدار تغير السرعة. فمن خلال ضبط السرعة الأولية لتركيز الليزر ومدى سرعة تباطؤها، استطاع الفريق التحكم في انحناء الموجة. فالسرعة الأولية السريعة التي تتباطأ بشكل حاد تخلق منحنى أكثر ضيقاً، بينما البداية الأبطأ تخلق منحنى أكثر تسطحاً. وهذا المستوى من التحكم يعد أمراً هاماً لأن الموجات المكافئة أسهل في التركيز من الموجات المخروطية. فالموجة المخروطية تنتشر على شكل حلقة، مما يجعل من الصعب تركيز كل طاقتها في نقطة واحدة. أما الموجة المكافئة، فهي تتقارب طبيعياً، مما يسمح بجمع طاقتها وتركيزها بكفاءة أكبر بكثير. وقد يمثل هذا ميزة كبرى للتطبيقات التي تتطلب كثافة عالية، مثل تسريع الجسيمات أو فحص المواد بدقة فائقة.

كما تناولت الدراسة التحديات العملية لإنشاء هذه الموجات. فمن أجل الحصول على شكل مكافئ نظيف ومتجانس، يجب أن ينشئ الليزر تياراً مستمراً من الإلكترونات على طول مساره بالكامل. ووجد الباحثون أنه إذا تذبذبت شدة الليزر أو إذا اختل التزامن بين لوني الضوء، فإن تيار الإلكترونات يصبح غير منتظم، ويصبح شكل الموجة مشوهاً. واكتشفوا أنه من خلال تصميم نظامهم البصري ليتضمن ثقباً مركزياً وضمان أن تكون سرعة الليزر ثابتة في بداية ونهاية المسار، يمكنهم إنشاء منطقة أكثر تجانساً لتوليد الإلكترونات. وهذا التجانس أمر بالغ الأهمية للحصول على الشكل المكافئ النظيف الذي توقعته نماذجهم. وأظهرت عمليات المحاكاة أنه مع هذه التعديلات، كانت نبضات التراهرتز الناتجة ذات توزيع منتظم وسلس للطاقة، على عكس النمط الشبيه بالحلقة الذي تسببه ليزرات السرعة الثابتة.

يمثل هذا العمل تحولاً من مجرد التحكم في سرعة حركة تيار الإلكترونات إلى التحكم في كيفية تغير تلك السرعة بمرور الوقت. فمن خلال التعامل مع سرعة جبهة التأين كمتغير يمكن برمجته، أضاف الباحثون درجة جديدة من الحرية لتصميم مصادر التراهرتز. وتشير النتائج إلى أنه من الممكن هندسة شكل الجبهة الموجية لتناسب احتياجات تطبيق معين، بدلاً من الاقتصار على الأشكال التي توفرها الطبيعة بشكل افتراضي. وبينما تستند النتائج المعروضة هنا إلى عمليات محاكاة حاسوبية، فإن الفيزياء الكامنة وراءها تعتمد على مبادئ راسخة لكيفية تفاعل الضوء والمادة. ويعتقد الباحثون أنه مع توفر المكونات البصرية المناسبة، يمكن إنشاء هذه النبضات المشكلة في مختبر حقيقي. وقد تؤدي هذه القدرة إلى إنشاء أنظمة تراهرتز أكثر كفاءة للتصوير والاستشعار، حيث تكون القدرة على تركيز الحزمة بدقة لا تقل أهمية عن قوة المصدر نفسه.