Laser induced broad band white emission from transparent Cr4+:YAG ceramics: Origin of broadband emission

في عالم الليزر، غالبًا ما يبحث العلماء عن مواد يمكنها ثني الضوء بطرق مفيدة، لتعمل كمحرك أو مفتاح للحزم القوية. إحدى هذه المواد هي سيراميك شفاف مكون من غارنيت اليتريوم والألومنيوم، المطعّم بأيونات الكروم. هذه المادة مشهورة بالفعل بقدرتها على التحكم في نبضات الليزر، لكنها تحمل سرًا خفيًا. ففي ظل ظروف محددة للغاية، وعندما تُضرب بشعاع مركز من الضوء تحت الأحمر غير المرئي، يمكن لهذا السيراميك الشفاف أن يتوهج فجأة بطيف أبيض ساطع وواسع. هذه الظاهرة، المعروفة باسم الانبعاث الأبيض المستحث بالليزر، ليست مجرد تأثير تسخين بسيط مثل توهج فتيل المصباح الكهربائي باللون الأحمر بفعل الحرارة. بل هي تفاعل معقد حيث تمتص المادة حزمًا متعددة من طاقة الضوء في وقت واحد، مما يؤدي إلى سلسلة من الأحداث التي تسفر عن دفقة من الألوان المرئية. إن فهم كيفية حدوث ذلك أمر بالغ الأهمية لأن ذلك يكشف عن كيفية انتقال الطاقة عبر المواد الصلبة، وقد يؤدي إلى طرق جديدة لتوليد الضوء أو التحكم في حزم الليزر.

لقد وضع الباحثون في معهد أبحاث درجات الحرارة المنخفضة والهيكل في بولندا هدفهم لاستقصاء هذا اللغز المتوهج باستخدام سيراميك شفاف عالي الجودة. وضعوا عينة مصقولة على شكل قرص داخل غرفة مفرغة، حيث تمت إزالة كل الهواء تقريبًا لخلق فراغ شبه مثالي. ثم سلطوا شعاعًا مركزًا من الضوء تحت الأحمر، بطول موجي قدره 1064 نانومتر، على سطح السيراميك. وعندما كان الضوء قويًا بما يكفي والضغط منخفضًا بما يكفي، ظهرت بقعة ساطعة من الضوء الأبيض على سطح المادة. لم يكن هذا الضوء قادمًا من أعماق السيراميك، بل كان ظاهرة سطحية بحتة. ووجد الباحثون أن هذا التوهج لا يظهر إلا عندما يتجاوز قدرة الليزر حدًا معينًا، وبمجرد بدئه، تزداد شدة السطوع بشكل كبير مع رفع قدرة الليزر.

قام الفريق بقياس خصائص هذا الضوء بعناية لفهم طبيعته. واكتشفوا أن الانبعاث الأبيض عبارة عن نطاق عريض من الألوان متممركز حول 650 نانومتر، وهو ما يقع في الجزء الأحمر من الطيف المرئي ولكنه ممتد بما يكفي ليبدو أبيض للعين البشرية. ظهر الضوء واختفى بسرعة كبيرة، بزمن صعود يبلغ حوالي 9 مللي ثانية وزمن اضمحلال يبلغ حوالي 6 مللي ثانية. كانت هذه السرعة أسرع بكثير من تأثيرات التوهج المماثلة التي تُلاحظ في مواد أخرى، مما استبعد فكرة أن السيراميك يسخن ببساطة ويتوهج مثل قطعة معدن في النار. فلو كان إشعاعًا حراريًا، لظل الضوء باقياً لفترة أطول ولتضمن ذيلاً قوياً من الأشعة تحت الحمراء، وهو ما لم يلاحظه الباحثون. علاوة على جدار، لم تظهر العينة أي علامات تلف بعد ساعات من التعرض، مما يؤكد أن المادة ظلت باردة نسبيًا أثناء العملية.

تضمن جزء رئيسي من التحقيق مراقبة ما يحدث لشعاع الليزر أثناء مروره عبر العينة. لاحظ الباحثون أنه عندما كان الضوء الأبيض يسطع ببراعة، كان شعاع الليز المار عبر السيراميك أقوى. ومع ذلك، في اللحظة التي اختفى فيها الضوء الأبيض — سواء بسبب تحريك بقعة الليزر أو بسبب السماح للهواء بالعودة إلى الغرفة — انخفضت قدرة الشعاع النافذ. وهذا يشير إلى أن العملية التي تخلق الضوء الأبيض تجعل المادة أيضًا أكثر شفافية لشعاع الليزر، وهي ظاهرة تُعرف بالشفافية الذاتية. هذا السلوك يشير إلى أن الليزر يولد إلكترونات حرة الحركة داخل المادة، والتي تقوم بدورها بتغيير كيفية انتقال الضوء من خلالها.

ولتفسير هذه الملاحظات، اقترح العلماء نموذجًا يتضمن الأشكال المختلفة لأيونات الكروم الموجودة في الس ceramic. تحتوي المادة على أيونات كروم في حالتين مختلفتين، تعملان كزوج حيث يمكن لأحدهما أن يعطي إلكترونًا للآخر. عندما يصطدم ضوء الليزر المكثف بالسطح، فإنه يجبر إلكترونًا على القفز من أيون إلى آخر، ثم يدفع هذا الإلكترون إلى منطقة خاصة بالقرب من السطح حيث تتراكم الشحنات. يتفاعل هذا الإلكترون بعد ذلك مع العيوب أو جزيئات الأكسجين المحتجزة على السطح، مطلقًا طاقته في شكل دفقة من الضوء الأبيض واسع الطيف قبل العودة إلى أيونات الكروم. وأشار الباحثون إلى أن هذه العملية حساسة للغاية لضغط الهواء؛ فإذا ارتفع الضغط فوق 0.5 مللي بار، يختفي الضوء الأبيض تمامًا، مما يشير إلى أن الهواء المحيط يتداخل مع عملية نقل الإلكترونات الدقيقة اللازمة لخلق التوهج.

تخلص الدراسة إلى أن هذا الضوء الأبيض هو نتيجة "رقصة" متعددة الخطوات للإلكترونات على سطح السيراميك، مدفوعة بامتصاص فوتونات متعددة من الليزر. وبينما لا تزال التفاصيل الدقيقة لكيفية إطلاق الطاقة في شكل ضوء قيد التطوير، فإن الأدلة تشير إلى آلية تتضمن أزواج الكروم ذات التكافؤ المختلط ومناطق الشحنة السطحية. يوفر هذا العمل صورة أوضح لكيفية سلوك السيراميك الشفاف تحت ظروف الليزر القصوى، ويميز هذا التوهج السطحي عن الخصائص الحجمية للمادة، ويقدم منظورًا جديدًا لكيفية تفاعل الضوء والمادة على المستوى المجهري.