انقلابی در تصویربرداری نوری با لیزر تک شات!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،دانشمندان دانشگاه آکسفورد موفق به توسعه روشی نوین برای تصویربرداری کامل از ساختار پالس‌های لیزری فوق‌چگال در یک برداشت (single shot) شدند.

به گزارش phys.org این دستاورد که با همکاری نزدیک پژوهشگرانی از دانشگاه لودویگ-ماکسیمیلیان مونیخ و مؤسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک صورت گرفته، می‌تواند رویکرد ما در کنترل برهم‌کنش‌های نور و ماده را دگرگون کند. نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature Photonics منتشر شده است.

پالس‌های لیزری فوق‌چگال قابلیت آن را دارند که تنها در یک چرخه نوسان میدان الکتریکی، الکترون‌ها را تا نزدیکی سرعت نور شتاب دهند. این ویژگی، آنها را به ابزاری کلیدی برای مطالعه فیزیک‌های مرزی و پدیده‌های انرژی بالا تبدیل کرده است. اما ساختار پیچیده و نوسانات سریع آنها، تاکنون اندازه‌گیری دقیق و هم‌زمان خواص این پالس‌ها را دشوار ساخته بود.

تا پیش از این، اغلب روش‌های موجود نیازمند صد‌ها شلیک لیزری برای ثبت کامل ساختار پالس‌ها بودند؛ موضوعی که مانع از ثبت آنی و دقیق رفتار این پالس‌های پرانرژی می‌شد. اکنون، اما تیمی از پژوهشگران دانشگاه آکسفورد و دانشگاه مونیخ روشی نوین به نام RAVEN (کسب اطلاعات بلادرنگ از میدان‌های الکترومغناطیسی برداری نزدیک) را معرفی کرده‌اند که امکان ثبت کامل شکل، زمان‌بندی و جهت‌گیری پالس‌های لیزری را تنها با یک شات فراهم می‌کند.

انقلابی در تصویربرداری نوری

در این روش پرتو لیزر به دو بخش تقسیم می‌شود: یکی از آنها برای اندازه‌گیری تغییرات طول موج در طول زمان به‌کار می‌رود و دیگری پس از عبور از ماده‌ای با خاصیت دوشکستی (که مؤلفه‌های نوری با قطبش متفاوت را جدا می‌کند)، به سمت آرایه‌ای از میکرولنز‌ها هدایت می‌شود. این لنز‌های کوچک، شکل و جهت‌گیری موج لیزر را ثبت می‌کنند و اطلاعات نهایی توسط حسگر نوری ویژه‌ای در یک تصویر واحد ذخیره شده و با کمک الگوریتم رایانه‌ای، ساختار کامل پالس بازسازی می‌شود.

به گفته سانی هاوارد پژوهشگر دکترای فیزیک در دانشگاه آکسفورد و پژوهشگر مهمان دانشگاه مونیخ: «برای نخستین بار موفق شده‌ایم پالس لیزری فوق‌چگال را در زمان واقعی و تنها با یک برداشت ثبت کنیم؛ آن‌هم با تمام پیچیدگی‌های ساختاری و قطبش آن. این روش، دریچه‌ای تازه به درک تعاملات نور و ماده گشوده و امکان بهینه‌سازی سیستم‌های لیزری پرقدرت را فراهم می‌آورد.»

آزمایش موفق در لیزر پتاولتی آلمان

این روش در آزمایشی موفق بر روی لیزر قدرتمند ATLAS-۳۰۰۰ در آلمان به‌کار گرفته شد. نتیجه این آزمایش، آشکارسازی اعوجاج‌ها و نوسانات کوچکی در موج لیزر بود که پیش‌تر با روش‌های دیگر قابل شناسایی نبودند. این اعوجاج‌ها، که به «کوپلینگ‌های فضازمان» معروفند، می‌توانند تأثیر چشمگیری بر نتایج آزمایش‌های لیزر پرقدرت داشته باشند. RAVEN با ارائه بازخورد لحظه‌ای، امکان تنظیم و اصلاح دقیق لیزر را در همان لحظه فراهم کرده و دقت آزمایش‌ها را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

کاربرد‌ها در انرژی همجوشی، شتاب‌دهنده‌ها و فیزیک کوانتومی

فناوری RAVEN نه‌تنها در فیزیک پلاسما، شتاب‌دهی ذرات و علوم انرژی بالا کاربرد دارد، بلکه گامی کلیدی برای توسعه انرژی همجوشی لیزری نیز به‌شمار می‌رود. در این نوع از همجوشی، لیزر‌های فوق‌چگال برای تولید ذرات بسیار پرانرژی در پلاسما به‌کار می‌روند تا با برخورد به سوخت همجوشی، فرایند گداخت را آغاز کنند. دستیابی به بازده مطلوب در این فرآیند، نیازمند دانش دقیق از شدت و ساختار پرتو لیزر است؛ دانشی که اکنون به‌واسطه RAVEN در دسترس قرار گرفته است.

از دیگر کاربرد‌های آتی این فناوری می‌توان به بررسی پدیده‌های فیزیکی جدید مانند پراکندگی فوتون-فوتون در خلأ (با برخورد دو پرتو لیزری به یکدیگر) اشاره کرد.

پیتر نوریز از دانشگاه آکسفورد، از نویسندگان اصلی مقاله، می‌گوید: «در حالی‌که روش‌های رایج برای تحلیل کامل پالس‌های لیزری نیاز به صد‌ها شات دارند، RAVEN این کار را تنها با یک شلیک انجام می‌دهد. این ابزار نوین می‌تواند جهش بزرگی در حوزه لیزر‌های فوق‌چگال و کاربرد‌های متنوع آن ایجاد کند.»

آندریاس دوپ، پژوهشگر دانشگاه مونیخ نیز در تکمیل سخنان وی افزود: «زمانی‌که سانی برای یک سال به مونیخ آمد، ناگهان جرقه‌ای در ذهن ما زده شد. متوجه شدیم که، چون پالس‌های لیزری فوق‌چگال در فضا و زمان بسیار فشرده هستند، به‌طور طبیعی محدودیتی در میزان وضوح موردنیاز وجود دارد. این کشف، امکان استفاده از میکرولنز‌ها را فراهم کرد و ساختار دستگاه را به‌طرز چشمگیری ساده نمود.»

اکنون تیم پژوهشی در حال گسترش کاربرد RAVEN در سایر آزمایشگاه‌های لیزری پیشرفته جهان و بررسی پتانسیل آن در بهینه‌سازی سامانه‌های همجوشی لیزری، شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای لیزری و آزمایش‌های کوانتومی در میدان‌های قوی است.