توصل اثنان من الفيزيائيين في RIKEN إلى نبضات ليزر قصيرة للغاية تبلغ قوتها القصوى 6 تيراواط (6 تريليون واط) - أي ما يعادل تقريبًا الطاقة المولدة بواسطة 6,000 محطات طاقة نووية. هذا الإنجاز، الذي سيساهم في مواصلة تطوير ليزر الأتو ثانية، منح الباحثين الثلاثة جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023. ونشرت الدراسة في مجلة Nature Photonics.
مثلما يمكن لفلاش الكاميرا أن "يجمد" الأجسام سريعة الحركة ليجعلها تظهر كما لو كانت ثابتة في الصورة، فإن نبضات الليزر القصيرة جدًا يمكن أن تساعد في إلقاء الضوء على العمليات فائقة السرعة، مما يمنح العلماء طريقة قوية لتصويرها واكتشافها.
على سبيل المثال، نبضات الليزر في حدود الأتو ثانية (1 أتوثانية=10-18 ثانية) قصيرة جدًا بحيث يمكنها الكشف عن حركة الإلكترونات في الذرات والجزيئات، مما يوفر طريقة جديدة لاكتشاف تطور التفاعلات الكيميائية والكيميائية الحيوية. حتى الضوء يبدو أنه قادر على الزحف في مثل هذه المقاييس الزمنية القصيرة، حيث يستغرق حوالي 3 أرسك للمرور عبر نانومتر.
قال إيجي تاكاهاشي من مركز RIKEN للضوئيات المتقدمة (RAP): "من خلال التقاط حركة الإلكترونات، يقدم ليزر الأتو ثانية مساهمة كبيرة في العلوم الأساسية"، ومن المتوقع أن يكون له تطبيقات في مجموعة واسعة من المجالات، بما في ذلك المراقبة. الخلايا البيولوجية، وتطوير مواد جديدة وتشخيص الحالات الطبية."
أكثر تأثيرا
ومع ذلك، في حين أنه من الممكن إنشاء نبضات ليزر فائقة القصر، إلا أنها تفتقر إلى التأثير ولها طاقة منخفضة. يقول إيجي تاكاهاشي إن إنشاء نبضات ليزر فائقة القصر وعالية الطاقة من شأنه أن يوسع بشكل كبير استخداماتها المحتملة. مجموعة واسعة من المجالات."
مثلما تُستخدم مكبرات الصوت لتعزيز الإشارات الصوتية، يستخدم فيزيائيو الليزر مكبرات الصوت الضوئية لزيادة طاقة نبضات الليزر. تستخدم هذه المضخمات عادةً بلورات غير خطية تستجيب للضوء بشكل خاص. ومع ذلك، إذا تم استخدام هذه البلورات لتضخيم نبضات الليزر أحادية الدورة، فيمكن أن تتضرر بشكل لا يمكن إصلاحه. نبضات الليزر أحادية الدورة قصيرة جدًا بحيث تنتهي النبضة قبل أن يتأرجح الضوء خلال دورة كاملة الطول الموجي.
قال إيجي تاكاهاشي: "إن أكبر عنق الزجاجة في تطوير مصادر ليزر الأشعة تحت الحمراء عالية الطاقة وفائقة السرعة هو عدم وجود طريقة فعالة لتضخيم نبضات الليزر أحادية الدورة بشكل مباشر". وينتج عن عنق الزجاجة هذا حاجز 1- مللي جول لنبضات ليزر أحادية الدورة. -دورة طاقة نبض الليزر."
تسجيل رقم قياسي جديد
ومع ذلك، فقد تم الآن كسر هذا الاختناق. لقد قاموا بتضخيم نبضات الدورة الواحدة إلى أكثر من 50 مللي جول، أي أكثر من 50 مرة أفضل نتيجة سابقة. ونظرًا لأن نبضات الليزر الناتجة قصيرة جدًا، فإن هذه الطاقة تُترجم إلى طاقة عالية بشكل لا يصدق تبلغ بضعة تيراواط.
وقال تاكاهاشي: "لقد أظهرنا كيفية التغلب على عنق الزجاجة من خلال إنشاء طريقة فعالة لتضخيم نبضات الليزر أحادية الدورة".
طريقتهم، التي تسمى التضخيم البارامتري البصري المتقدم المزدوج (DC-OPA)، بسيطة للغاية وتتضمن بلورتين فقط تعملان على تضخيم المناطق التكميلية من الطيف.
قال تاكاهاشي: "إن DC-OPA المتقدم لتضخيم نبضات الليزر أحادية الدورة بسيط للغاية لدرجة أنه يعتمد فقط على مزيج من بلورتين غير خطيتين - يبدو الأمر وكأنه فكرة يمكن لأي شخص أن يأتي بها. إنه يذهلني أن مثل هذا المفهوم البسيط يوفر تقنية تضخيم جديدة وطفرة في تطوير أشعة الليزر فائقة السرعة عالية الطاقة."
الأهم من ذلك، أن DC-OPA المتقدم يعمل على نطاق واسع جدًا من الأطوال الموجية. وتمكن الفريق من تضخيم النبضات بفارق طول موجي يزيد عن ضعف الطول الموجي. وقال تاكاهاشي: "تتمتع هذه الطريقة الجديدة بميزة ثورية تتمثل في أن عرض نطاق التضخيم يسمح بإخراج تردد واسع للغاية دون التأثير على خصائص قياس طاقة الخرج."
تقنية التضخيم الجديدة
تقنيتهم هي نوع مختلف من تقنية أخرى لتضخيم النبض البصري تسمى "تضخيم النبض الزقزقي"، والتي حصل ثلاثة باحثين من الولايات المتحدة وفرنسا وكندا على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2018. ويعد الليزر أحد التقنيات التي تقود التطوير. من الليزر.
ويتوقع تاكاهاشي أن ستعمل تقنيتهم على تطوير ليزر الأتوثانية: "لقد نجحنا في تطوير طريقة جديدة لتضخيم الليزر يمكنها زيادة شدة نبضات الليزر أحادية الدورة إلى ذروة طاقة تيراواط"، "وليس هناك شك إنها قفزة كبيرة إلى الأمام في تطوير ليزر الأتوثانية عالي الطاقة.
على المدى الطويل، هدفه هو تجاوز ليزر الأتو ثانية وإنشاء نبضات أقصر.
