علماء يطورون طريقة جديدة لإنتاج أشعة الليزر عالية الطاقة في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة

في الآونة الأخيرة، طورت مجموعة من العلماء بقيادة جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة (NTU Singapore) طريقة جديدة، يمكنها توليد ضوء ليزر مكثف فائق السرعة، ومن المتوقع أن تخلق معدات دقيقة يمكنها تسريع "استنشاق" الملوثات النادرة والغازات الضارة.
في الوقت الحالي، تتمتع أشعة الليزر في نطاق الأشعة تحت الحمراء بالقدرة على تحليل مجموعة واسعة من المواد الموجودة في الهواء في غضون دقائق، سواء كانت غازات دفيئة، أو سموم، أو متفجرات، أو غازات ذات صلة بصحة الإنسان.
ومن بين هذه الأجهزة، تعد أشعة الليزر عالية الطاقة في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة بالغة الأهمية، حيث تدعم معدات الكشف عن بعد شديدة الحساسية والتي يمكنها الكشف بأمان حتى عن كميات ضئيلة من المواد التي قد يكون من الصعب اكتشافها في ظل الظروف العادية.
ومع ذلك، تواجه التقنيات الحالية لتصنيع مثل هذه الليزر تحديات. فمن ناحية، تتطلب بعض الأساليب بيئات معملية صارمة لا تتسامح مع أي شكل من أشكال التداخل، مثل الاهتزاز أو تغيرات درجة الحرارة أو الرطوبة، مما يحد من تطبيقها في بيئات العالم الحقيقي. ومن ناحية أخرى، في حين أن بعض الأساليب قادرة على توليد ضوء الليزر في بيئات غير مستقرة، فإن شدته ليست قوية بما يكفي للكشف بدقة عن كميات ضئيلة من المواد.
نجح فريق بحثي من جامعة نانيانغ للتكنولوجيا في سنغافورة، بقيادة الأستاذ المساعد تشانج وونكيون، في حل التحديات المذكورة أعلاه باستخدام ألياف مجوفة خاصة وضبط سمك بنيتها الداخلية. يمكن للطريقة الجديدة توليد ضوء ليزر عالي السطوع في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة دون الاعتماد على بيئة معملية مستقرة.
وقال البروفيسور تشانج: "توفر تقنيتنا طريقة جديدة لتطوير ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة المحمول والفعال والسريع". لا تحتاج هذه الليزرات إلى التشغيل في بيئة خاضعة لرقابة صارمة وبالتالي يمكن دمجها مع أجهزة الكشف واستخدامها مباشرة في الميدان لاختبار وتحديد مجموعة واسعة من المواد غير المعروفة. وهذا يعني أننا لم نعد بحاجة إلى إرسال عينات إلى المختبرات للاختبار، حتى بالنسبة لكميات ضئيلة من المواد، مما يوفر الكثير من الوقت والموارد".
تقنية الألياف المجوفة، والتي تسمح لليزر تحت الأحمر المتوسط ​​(أطوال موجية تبلغ 2-20 ميكرون) بإظهار مزايا كبيرة عند اكتشاف المواد. تتمتع العديد من الجزيئات بخصائص امتصاص فريدة لليزر في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، مما يجعل هذه الليزرات فعالة بشكل خاص في تحديد المواد غير المعروفة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لليزر تحت الأحمر المتوسط ​​التعرف بدقة على المواد حتى عندما يكون الماء موجودًا، دون تدخل من جزيئات الماء.
اكتشف الأستاذ المساعد تشانج وونكيون من خلال المحاكاة الحاسوبية أنه من خلال تغيير سمك جدار الأنابيب الدقيقة المصنوعة من الألياف المجوفة، من الممكن تحويل أشعة الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء إلى أشعة ليزر عالية الطاقة في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. وأظهرت النتائج التجريبية أنهم نجحوا في إنشاء أشعة ليزر في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة بطول موجي يبلغ 3-4 ميكرومتر وقوة ذروة تصل إلى ميغاواط، وهو ما يتجاوز بكثير قوة المصباح الكهربائي القياسي.
علق البروفيسور سامباستيان فسامفرييه من جامعة ليموج قائلاً إن نهج فريق جامعة نانيانغ للتكنولوجيا يختلف كثيرًا عن الترتيب غير الخطي المعقد التقليدي ويوفر طريقة جديدة للتفكير في تصنيع ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة المستقر. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأنه يمكن توصيل الألياف المجوفة ببعضها البعض، فإن هذا يفتح إمكانية إنتاج ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة دون تحريك الأجزاء الميكانيكية.
وتظهر البيانات التجريبية أن أشعة الليزر تحت الحمراء المتوسطة التي صنعها الفريق أقوى بنحو 1،000 مرة من التقنيات الحالية، وهي قوية بما يكفي لاكتشاف المواد النزرة على مسافات طويلة. وأشار البروفيسور تشانج أيضًا إلى أنه "بفضل مثل هذه الليزرات عالية الكثافة، يمكننا تحقيق حساسية غير مسبوقة ونتوقع استخدام هذه الأجهزة للكشف بأمان عن كميات ضئيلة من المواد التي يصعب اكتشافها بالطرق التقليدية".
ولا تقدم نتائج هذا البحث الدعم الفني لتطوير معدات مراقبة بيئية أكثر دقة فحسب، بل قد تلعب أيضًا دورًا مهمًا في مجال مراقبة الصحة. على سبيل المثال، من خلال الكشف عن مستويات الميثان في التنفس، يمكن استخدام هذه التقنية للفحص المبكر لسرطان القولون والمستقيم.
وفي المستقبل، يخطط فريق البحث لتوسيع نطاق الطول الموجي لليزر تحت الأحمر المتوسط ​​لتحسين قدرته على الكشف. ووفقًا للأستاذ المساعد تشانغ، يمكن للطريقة نظريًا إنتاج ليزر تحت الأحمر المتوسط ​​بأطوال موجية تصل إلى 10 ميكرومتر، مما سيوسع نطاق تطبيقه في مجالات مثل مراقبة البيئة والكشف عن السلامة.