A high-speed anamorphic pupil-conjugate slit spectrograph for rapid, self-luminous sources

عندما يدرس العلماء الأشياء التي تحترق أو تنفجر أو تومض للوجود لجزء من الثانية، فإنهم يواجهون مفارقة محبطة. لفهم كيمياء حدث سريع التغير، مثل جبهة لهب تسابق عبر سطح ما أو سلك ينفجر في فراغ، يحتاجون إلى تحليل الضوء الذي ينبعث منه إلى قوس قزح من الألوان. هذه العملية، التي تسمى "المطيافية" (spectroscopy)، تكشف بدقة عن العناصر الكيميائية الموجودة. ومع ذلك، فإن الأدوات التقليدية لهذا العمل مبنية على افتراض بسيط: وهو أن مصدر الضوء يبقى ساكناً. إذا تحرك المصدر ولو قليلاً أثناء مراقبة الجهاز له، فإن قوس قزح الناتج يتشتت وينزاح، مما يجعل البيانات غير مقروءة أو مضللة. وبالنسبة للأحداث التي تحدث بسرعة كبيرة لا تسمح بالتوقف وإعادة المعايرة، أو للانفجارات التي قد تحدث مرة واحدة فقط، فإن هذه الحركة تخلق ضباباً من الارتباك حيث تضيع الإشارات الكيميائية الحقيقية في الضجيج.

قام فريق من الباحثين في "فيجن ريسيرش" (Vision Research) في نيوجيرسي ببناء نوع جديد من أنظمة الكاميرا يحل هذه المشكلة عن طريق تغيير كيفية دخول الضوء إلى الآلة. فبدلاً من ربط تركيز الأداة بموقع الجسم، صمموا الجهاز بحيث لا يهم موقع مصدر الضوء على الإطلاق. ومن خلال وضع "فتحة" (stop) داخلية محددة وعدسة أسطوانية خاصة في ترتيب دقيق، ضمنوا أن زاوية الضوء الوارد، وليس موقعه، هي التي تحدد أين تستقر الألوان على المستشعر. وهذا يعني أنه حتى لو قفزت قطعة من مادة تحترق، أو دارت، أو تمددت بجنون، فإن البصمة الكيميائية التي تنتجها ستظل ثابتة تماماً على شاشة الكاميرا. والنتيجة هي أداة يمكنها التقاط الكيمياء الحقيقية للأحداث الفوضوية التي تحدث لمرة واحدة دون أن تنجرف البيانات بعيداً.

إن جوهر هذا الابتكار هو التحول في كيفية تعامل الأداة مع العلاثقة بين المكان واللون. في المطياف القياسي، تكون "الشقوق" (slit) — وهي الفتحة الضيقة التي تسمح بمرور الضوء — عبارة عن صورة للمصدر. وإذا تحرك المصدر، تتحرك صورة الشق، وتنزاح الألوان عبر الكاشف. أدرك الباحثون أنه إذا تمكنوا بدلاً من ذلك من جعل الشق صورة لـ "حدقة العين" (pupil)، أو الفتحة التي تتحكم في زاوية الضوء، فإن موقع المصدر سيصبح غير ذي صلة. لقد بنوا نظاماً باستخدام عدسات كاميرا قياسية متوفرة تجارياً وكاميرا عالية السرعة لإنشاء مسار يمر فيه الضوء عبر "مرحل 4f" (4f relay)، وهو مصطلح يصف ترتيباً معيناً من العدسات يحافظ على ثبات زاوية الضوء. وداخل هذا المرحل، وضعوا "حجاب حاجز" (iris) يعمل كفتحة رئيسية للنظام. ثم أضافوا عدسة أسطوانية، تقوم بتركيز الضوء في اتجاه واحد فقط، لتضع الشق تماماً حيث يتم ترميز زاوية الضوء، وليس موقعه.

لإثبات نجاح هذا المفهوم، اختبر الفريق الأداة أولاً باستخدام مصدر ضوء بسيط، وهو مصباح يدوي، يتحرك ذهاباً وإياباً عبر مجال الرؤية الخاص بهم. عندما استخدموا إعداداً تقليدياً تعمل فيه العدسة الأمامية كفتحة، تمايلت الصورة الطيفية بشكل كبير مع حركة الضوء، حيث انزاحت بأكثر من مليمتر واحد على المستشعر. وكان من شأن ذلك أن يجعل تتبع التغيرات الكيميائية السريعة أمراً مستحيلاً. ومع ذلك، عندما انتقلوا إلى تصميمهم الجديد، مع وجود الحجاب الحاجابي الداخلي كفتحة للنظام، ظلت الصورة الطيفية ثابتة في مكانها. وحتى مع مسح مصدر الضوء لكامل مجال الرؤية المتاح، انزاحت الألوان بأقل من ألف من المليمتر. وقد ظل هذا الاستقرار ثابتاً بغض النظر عن أي عدسة كاميرا استخدمت للنظر إلى المصدر، مما يثبت أن الأداة محايدة حقاً تجاه اختيار العدسة الأمامية.

بعد تأكيد الاستقرار، انتقل الباحثون إلى توصيف دقة أداتهم الجديدة. استخدموا مصباح تفريغ للهيليوم لرسم خريطة توضح بدقة أي عمود على مستشعر الكاميرا يتوافق مع أي طول موجي للضوء. ومن خلال مطابقة منحنى سلس لخطوط الهيليوم المعروفة، حققوا دقة معايرة بهامش خطأ متبقي قدره 0.12 نانومتر فقط. وتحققوا من ذلك باختبار مصباح نيون دون تغيير المعايرة، حيث تطابقت خطوط النيون مع توقعاتهم بخطأ قدره 0.13 نانومتر. كما قاموا بقياس حدة رؤية الأداة، المعروفة بالدقة الطيفية (spectral resolution). ومن خلال ضبط عرض الشق بعناية، وجدوا الإعداد الأمثل حيث استطاعت الأداة التمييز بين لونين تفصلهما مسافة 0.92 نانومتر، وهو مستوى من التفصيل كافٍ لفصل العديد من البصمات الكيميائية المهمة.

جاء الاختبار الحقيقي عندما طبقوا المطياف على حدث حقيقي وفوضوي: احتراق النيتروسليلوز. وضعوا شريطاً من المادة على بعد ثلاثة أمتار وأشعلوه. وبينما كانت جبهة اللهب تسابق عبر الشريط، وتتمدد وتتحرك بشكل غير متوقع، التقطت الكاميرا الضوء بمعدل 10,000 إطار في الثانية، مع تعرض كل إطار للمستشعر لمدة 99 ميكروثانية فقط. ولأن الأداة كانت محصنة ضد حركة اللهب، ظلت الخطوط الطيفية ثابتة. تمكن الفريق من تحديد خمسة أنواع كيميائية متميزة في النار: الصوديوم، والبوتاسيوم، والكالسيوم، والروبيديوم، وجزيء هيدروكسيد الكالسيوم. تتبعوا خط الصوديوم طوال الحدث بأكمله، وعلى الرغم من الحركة العنيفة للهب، لم يتحرك موقع الخط على المستشعر إلا بمعدل 0.06 نانومتر في المتوسط. ولم تكن التباينات الضئيلة التي حدثت ناتجة عن فشل الأداة في تتبع الحركة، بل كانت بسبب فيزياء اللهب نفسه، حيث قامت الطبقات الخارجية الأبرد من الغاز بامتصاص وإعادة انبعاث الضوء بطريقة أدت إلى إزاحة طفيفة في المركز الظاهري للخط.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن بناء مطياف عالي السرعة لا يتطلب أن يكون المصدر ساكناً. ومن خلال فصل التسجيل الطيفي عن توجيه الكاميرا، أنشأ الباحثون أداة يمكنها مراقبة المصادر ذاتية الإضاءة والسريعة دون الحاجة إلى إعادة معايرة فورية أو استخدام تقنيات معقدة لتشتيت الألياف الضوئية. فالجهاز، المبني من عدسات قياسية وكاميرا عالية السرعة، يحافظ على موقع طيفي ثابت حتى مع تحرك المصدر، مما يلغي الإزاحات غير الفيزيائية التي تعيب مثل هذه القياسات عادةً. وبينما يضحي التصميم ببعض القدرة على رؤية التفاصيل المكانية الدقيقة في اتجاه انتشار اللون، فإنه يكتسب القدرة على رؤية الكيمياء الحقيقية للأحداث المتحركة. ويقترح الباحثون أن هذا النهج مثالي للدراسات المستقبلية للأسلاك المتفجرة والبلازما النبضية، حيث يتمدد المصدر بسرعة وتكون الحاجة إلى معدلات إطارات تصل إلى مئات الآلاف أو ملايين الإطارات في الثانية أمراً حاسماً. وفي الوقت الحالي، تقف هذه الأداة كدليل على أنه مع الترتيب البصري الصحيح، يمكن ترويض فوضى اللهب المتحرك وتحويلها إلى سجل واضح وثابت لتركيبه الكيميائي.