Broadband light source using an extended cavity tapered laser with volume Bragg grating
طوّر المؤلفون مصدراً ضوئياً عريض النطاق بقدرة 200 ميلي واط يعتمد على مضخم مستدق ذي تجويف ممتد ومستقر بواسطة محزوز براغ حجمي، والذي يوفر عرضاً طيفياً يبلغ حوالي 2 سم⁻¹ ويُظهر إمكانات لتبريد الجزيئات ثنائية الذرة من خلال مطيافية امتصاص اليود الناجحة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://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
غالبًا ما يُنظر إلى الضوء على أنه لون واحد نقي، مثل الشعاع الأحمر الحاد لمؤشر الليزر. ومع ذلك، في عالم العلوم الدقيقة، يحتاج الباحثون كثيرًا إلى ضوء ليس مجرد لون واحد، بل هو انتشار واسع ومتحكم فيه من ألوان عديدة في آن واحد. وهذا ينطبق بشكل خاص عندما يحاول العلماء دراسة الجزيئات المعقدة، مثل الغازات ثنائية الذرة التي تشكل جزءًا كبيرًا من الغلاف الجوي. لفهم كيفية حركة هذه الجزيئات، واهتزازها، ودورانها، يجب على العلماء تسليط ضوء يمكنه تحفيز العديد من التغيرات الداخلية المختلفة في وقت واحد. ولسنوات، كان إنشاء مصدر ضوئي قوي بما يكفي ليكون مفيدًا وواسع بما يكفي لتغطية جميع هذه الألوان الضرورية يمثل عملية توازن صعبة؛ فإذا كان الضوء ضيقًا جدًا، فإنه سيفقد معظم الانتقالات الجزيئية، وإذا كان واسعًا وغير متحكم فيه، فستصبح الإشارة عبارة عن ضباب مشوش.
لقد طور فريق من الباحثين في جامعة ساو باولو في البرازيل طريقة جديدة لتوليد هذا النوع المحدد من الضوء. فقد صنعوا جهازًا يأخذ ليزرًا قياسيًا ويمدد نطاق ألوانه إلى نطاق عريض ومستقر دون فقدان قوته. ويتمثل جوهر اختراعهم في مضخم ليزر خاص يتخذ شكل إسفين، حيث يزداد اتساعًا عند نهايته لاستيعاب المزيد من الطاقة. وللحفاظ على هذا الضوء القوي من التحول إلى حالة فوضوية، وضعوا "شبكة براغ الحجمية" (volume Bragg grating) في مساره. يعمل هذا المكون مثل مرآة انتقائية للغاية تعكس نافذة محددة فقط من الألوان عائدة إلى الليزر، مما يجبر الجهاز على العمل ضمن نطاق محدد. والنتيجة هي مصدر ضوء ساطع وثابت، يغطي مدى قدره حوالي 2 سم⁻¹ في طيف الأشعة تحت الحمراء، ويوفر قدرة تصل إلى 200 ميجاوات.
لم يكتفِ الباحثون ببناء الجهاز فحسب، بل بذلوا جهدًا كبيرًا لإثبات كيفية عمله ومدى استقراره بدقة. ولرؤية الضوء بوضوح، قاموا ببناء مطياف مخصص، وهو آلة مصممة لفصل الضوء إلى ألوانه الفردية بدقة متناهية. يستخدم هذا الجهاز مزيجًا ذكيًا من "إيتالون" زجاجي متخصص وشبكة حيود لتوزيع الضوء إلى خريطة ثنائية الأبعاد على مستشعر كاميرا. ومن خلال تحليل هذه الخريطة، تمكن الفريق من قياس الشكل الدقيق وكثافة شعاع الضوء. ووجدوا أن عرض النطاق اللوني للضوء يبلغ تقريبًا ثلث النطاق الأقصى الذي تسمح به المرآة المستخدمة، وهي نتيجة لطريقة ارتداد الضوء ذهابًا وإيابًا داخل الجهاز. كما اكتشفوا أنه من خلال تعديل زاوية المرآة، يمكنهم إزاحة النطاق اللوني بأكمله للأعلى أو للأسفل، بينما أتاح لهم تغيير التيار الكهربائي لليزر التحكم في السطوع دون تغيير الألوان.
ولاختبار موثوقية مصدر الضوء الجديد هذا، ترك الفريق الجهاز يعمل لمدة يوم ونصف كاملين، مع فحص مخرجاته كل ثلاث ساعات. وقارنوا شكل طيف الضوء في بداية الاختبار بالشكل عند نهايته. وأظهرت النتائج أن الضوء ظل متسقًا بشكل ملحوظ، حيث ظل نمط الألوان متطابقًا تقريبًا، مع تذبذب القدرة بنسبة تقل عن ثلاثة بالمائة. هذا الاستقرار طويل الأمد أمر بالغ الأهمية للتجارب التي تستغرق وقتًا في الإعداد والتشغيل. وأخيرًا، لإثبات القيمة العملية لعملهم، استخدموا الضوء لدراسة غاز اليود؛ فمن خلال تسليط الشعاع العريض عبر حاوية من بخار اليود الساخن، سجلوا كيف امتص الغاز ألوانًا محددة. وقد طابق النمط الذي سجلوه البيانات المعروفة لليود تمامًا، مما أثبت أن مصدر الضوء الخاص بهم حاد بما يكفي لحل التفاصيل الدقيقة حتى أثناء تغطيته لنطاق واسع.
يقدم هذا العمل أداة قوية للعلماء الذين يحتاجون إلى التحكم في الحالات الداخلية للجزيئات. ولأن الضوء يمكنه التأثير على العديد من الانتقالات الجزيئية في الوقت نفسه، فإن ذلك يفتح الباب أمام تبريد والتحكم في حركة الجزيئات ثنائية الذرات بطرق كانت صعبة في السابق. لقد أثبت الباحثون أنه من الممكن الحصول على ليزر يكون واسعًا ومستقرًا في آن واحد، مما يوفر منصة متعددة الاستخدامات للدراسات المستقبلية في الفيزياء الجزيئية والمطيافية. يوفر الجهاز شعاعًا محكومًا وعالي القدرة يمكن ضبطه والوثوق به، محولًا تحديًا بصريًا معقدًا إلى أداة موثوقة للاكتشاف.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.