Influence of Initial Gas Pressure on the Spatial Intensity Distribution of Double-Pass Amplified 69.8 nm and 72.6 nm Lasers

إن الضوء الذي لا تراه العين البشرية، والذي يقع مباشرة بعد الطرف البنفسجي من الطيف، يحتل مكانة فريدة في العلم الحديث. هذا هو عالم الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV)، وهو شكل من أشكال الإشعاع عالي الطاقة لدرجة أنه يمكنه الكشف عن أدق تفاصيل العالم الذري. ولإنتاج هذا الضوء، لا يستخدم العلماء المصابيح أو الليزرات التقليدية؛ بل يقومون بتوليده عن طريق تسخين الغاز بشدة حتى يتحول إلى بلازما، وهي حالة من المادة تُنتزع فيها الإلكترونات من الذرات، مما يخلق حساءً هائلاً وعالي الحرارة. في هذه البيئة، يمكن استدراج أيونات معينة لإطلاق دفقات من الضوء بألوان دقيقة للغاية. وبينما يعد هذا الضوء مفيداً للغاية للتصنيع المتقدم والمجهرية، فإن التقاطه وتضخيمه أمر صعب للغاية. فالمرآة نفسها المطلوبة لتوجيه وتقوية حزم الضوء هذه غالباً ما تتعرض للتلف أو التدمير بسبب الحرارة الشديدة والقصف الناتج عن البلازما التي تولدها. وقد أجبر هذا الهشاشة الباحثين لفترة طويلة على استخدام نهج "المرة الواحدة"، حيث يتركون الضوء يمر عبر البلازما مرة واحدة فقط قبل جمعه، مما يحد من إجمالي الطاقة التي يمكنهم استخراجها.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن طريقة للحصول على المزيد من هذه العملية الدقيقة من خلال النجاح في عكس الضوء مرة أخرى عبر البلازما في تمريرة ثانية، مما ضاعف التضخيم فعلياً دون تدمير معداتهم. لقد ركزوا على درجتين محددتين من الأشعة فوق البنفسجية القصوى، إحداهما عند 69.8 نانومتر والأخرى عند 72.6 نانومتر، والناتجتين من أيونات الأرجون الشبيهة بالنيون. وكان مفتاح نجاحهم هو مرآة مصنوعة من كربيد السيليكون، وهي مادة صلبة جداً لدرجة أنها تستطيع تحمل بيئة البلازما القاسية حيث تفشل المرايا الأخرى. ومن خلال وضع هذه المرآة في نهاية أنبوب ضيق مملوء بغاز الأرجون، تمكنوا من عكس الضوء مرة أخرى عبر عمود البلازما، مما منح الضوء فرصة ثانية للنمو بقوة أكبر. سمح هذا الإعداد البسيط والمتين بدراسة كيفية تغير شكل وانتشار حزمة الضوء مع تعديل الظروف الأولية للغاز، مما كشف عن حساسية مذهلة لضغط الغاز داخل الأنبوب.

بدأت التجربة بأنبوب سيراميك طويل ونحيف، يُعرف باسم الأنبوب الشعري، والذي تم ملؤه بغاز الأرجون. استخدم الباحثون تفريغاً كهربائياً قوياً لإنشاء كمية صغيرة من البلازما أولاً، ثم أرسلوا دفعة هائلة من التيار من خلالها. عمل هذا التيار مثل ضغط مغناطيسي، حيث ضغط البلازما في عمود ضيق وحار. ومع وصول البلازما إلى ذروة كثافتها، تم استثارة الذرات بداخلها وبدأت في انبعاث الضوء فوق البنفسجي المحدد الذي كان الفريق يبحث عنه. ولمراقبة ما يحدث، استخدموا كاميرا متخصصة ومحززاً يمكنه فصل الألوان المختلفة للضوء، مما سمح لهم برسم خريطة لكيفية توزيع الضوء عبر الحزمة. وقارنوا بين سيناريوهين: أحدهما حيث يسافر الضوء عبر البلازما مرة واحدة فقط، والآخر حيث ترسل مرآة كربيد السيليكون الضوء في رحلة ثانية. كانت النتائج فورية ودراماتيكية؛ فعندما قام الضوء برحلة ذهاب وإياب، أصبح شعاع الـ 69.8 نانومتر أكثر سطوعاً بأكثر من سبع مرات، بينما نما شعاع الـ 72.6 نانومتر بأكثر من ثلاث مرات. أكد هذا أن المرآة كانت تعمل بشكل مثالي، حيث تعكس الضوء دون أن تتضرر، وأن البلازما كانت جاهزة لتضخيم الشعاع العائد.

ومع ذلك، جاء الاكتشاف الأكثر إثارة للاهتمام عندما بدأ الباحثون في تغيير ضغط غاز الأرجون داخل الأنبوب. فقد وجدوا أن شكل شعاع الليزر ليس ثابتاً؛ بل يتغير بشكل كبير اعتماداً على كمية الغاز الموجود. ففي ضغط منخفض قدره 14 باسكال، ظل الضوء المضخم مركزاً بالقرب من وسط الحزمة، مما خلق بقعة ساطعة ذات انتشار ضيق نسبياً. ومع زيادة الضغط إلى 16 باسكال، بدأت الحزمة في الاتساع، وبدأ الضوء في الانتشار بشكل أكثر تساوياً. ولكن عندما رفعوا الضغط إلى 18 باسكال، خضعت الحزمة لتحول كامل؛ حيث تلاشى المركز الساطع، وأعاد الضوء ترتيب نفسه في شكل حلقة مفرغة، أو حلقة حلقية (annulus)، حيث يقع أقوى شدة الآن عند الحواف بدلاً من المنتصف. حدث هذا التحول لكلا لوني الضوء، مما يشير إلى تغيير جوهري في كيفية انتقال الضوء عبر البلازما.

يكمن السبب في هذا التحول في البنية غير المرئية للبلازما نفسها. فمع زيادة ضغط الغاز، تتغير الطريقة التي تُضغط بها البلازما بواسطة المجال المغناطيسي، مما يخلق فرقاً أكثر حدة في كثافة الإلكترونات من مركز الحزمة إلى حوافها. يعمل هذا التدرج في الكثافة كعدسة، حيث يحني الضوء أثناء انتقاله. عندما يكون الضغط منخفضاً، يكون التدرج لطيفاً، ويمر الضوء عبره مع انحراف ضئيل، فيبقى بالقرب من المركز. وعندما يكون الضغط مرتفعاً، يصبح التدرج حاداً، ويعمل كعدسة قوية تحني أشعة الضوء نحو الخارج. الضوء الذي تعكسه المرآة في رحلته الثانية يمر عبر هذه البيئة الكثيفة والغنية بالتدرجات، وينحني بشدة بحيث يُدفع بعيداً عن المركز ويُجبر على الذهاب إلى حواف الحزمة. وهذا يفسر سبب تحول الشعاع إلى حلقة عند الضغوط المرتفعة؛ فالبلازما تقوم أساساً بكسر الضوء بعيداً عن المنتصف وتركيزه على المحيط.

لاحظ الباحثون أن التغييرات الصغيرة في ضغط الغاز، بمقدار بضعة باسكال فقط، تسببت في هذه التحولات الكبيرة في شكل الحزمة. تشير هذه الحساسية إلى أن ليزرات الـ 69.8 والـ 72.6 نانومتر شديدة الاستجابة للظروف الدقيقة للبلازما في لحظة التوليد. وأشار الفريق إلى أنه بينما نجحوا في تضخيم ضوء الـ 69.8 نانومتر إلى نقطة التشبع، مما يعني أن البلازما تعطي أقصى ما يمكنها من طاقة، فإن ضوء الـ 72.6 نانومتر لا يزال لديه مجال للنمو. إن حقيقة قدرتهم على تحقيق تضخيم المسارين لهذين الطولين الموجيين لأول مرة هي خطوة مهمة للأمام. ومن خلال فهم كيفية تحكم ضغط الغاز في شكل الحزمة عبر الانكسار، أصبح لدى العلماء الآن مسار أوضح لتحسين هذه الليزرات. هذه المعرفة ضرورية للمحاولات المستقبلية لبناء أنظمة أكثر تعقيداً، مثل استخدام تجويف بصري كامل لرد الضوء ذهاباً وإياباً عدة مرات، مما قد يؤدي إلى مصادر أكثر قوة وفائدة للأشعة فوق البنفسجية القصوى.