راهکاری جدید برای دستیابی به پالس‌های لیزر مادون قرمز
امروزه پالس‌های نوری فوق‌کوتاه به‌طور معمول در لیزرهایی در محدوده مرئی یا مادون قرمز نزدیک، ایجاد میشوند. اما تلاشهای گستردهای در راستای رساندن علم لیزر فوق‌سریع به منطقه مادون قرمز میانه (MIR) در حال انجام است.
لیزرهای حالت جامد معمولی که در اشارهگرهای لیزری استفاده میشوند، در محدوده مرئی، نور تولید میکنند. برای بسیاری از کاربردها، از جمله تشخیص مولکولها تابش در محدوده مادون قرمز میانی مورد نیاز است. ساخت چنین لیزرهای مادون قرمزی بسیار دشوار است، به خصوص اگر تابش لیزر به صورت پالس‌های بسیار کوتاه و با شدت بالا مورد نیاز باشد. مدت زیادی است که دانشمندان به دنبال روشهای سادهتر و ارزان‌تر برای تولید پالس‌های لیزری مادون قرمز میانی با مشخصات فوق هستند. اکنون در وین با همکاری دانشگاه هاروارد این امر محقق شده است. این فناوری جدید به تنظیمات آزمایشگاهی زیادی احتیاج ندارد و می‌توان آن را به‌راحتی کوچک‌سازی کرد، بنابراین برای کاربردهای عملی بسیار جالب و حائز اهمیت است. نتایج به‌دست آمده از این تحقیق در مجله Nature Communications ارائه شده است.
شانه فرکانسی:
یوهانس هیلبراند[1] نویسنده اول این مقاله از انستیتوی الکترونیک حالت جامد در دانشگاه فناوری وین میگوید: “ما با استفاده از لیزرهای آبشار کوانتومی تیلور ساخته شده در مرکز فوق مدرن نانو در دانشگاه فناوری وین، نور لیزر را در محدوده مادون قرمز میانی تولید میکنیم”. در لیزرهای حالت جامد معمولی، نوع نور ساطع شده به اتمهای موجود در ماده بستگی دارد، در حالی‌که در لیزرهای آبشار کوانتومی، طراحی ساختارهای بسیار ریز در محدوده نانومتر بسیار مهم هستند. با طراحی مناسب این ساختارها می‌توان طول موج نور را به‌طور دقیق تنظیم کرد. نور لیزرهای آبشار کوانتومی ساخته شده توسط این گروه تک‌رنگ نیست، بلکه طیف وسیعی از فرکانسهای مختلف را ایجاد می‌کند. این فرکانسها به‌طور منظم قرار داده میشوند و همیشه با فاصله یکسان در بین آنها، مانند دندانههای شانه قرار میگیرند. بنابراین به چنین طیفی شانه فرکانسی گفته میشود.
نور مانند آونگ عمل می‌کند
در عین حال فرکانس و فاز امواج نوری منتشر شده توسط چنین لیزر آبشار کوانتومی تعیین کننده هستند. می‌توان این را با دو آونگ متصل شده توسط نوار لاستیکی مقایسه کرد. آنها میتوانند دقیقاً به‌طور موازی با هم و یا در جهت خلاف یکدیگر به عقب و جلو بروند، به‌طوری كه یا به یكدیگر نزدیک و یا از هم دور شوند و این دو حالت ارتعاش، در فركانس کمی با هم تفاوت دارند. این کاملاً مشابه نور لیزری است که از طول موجهای متفاوتی تشکیل شده است. امواج نور منفرد شانه‌فرکانسی میتوانند دقیقاً به‌صورت همگام نوسان کنند و سپس آنها به روشی بهینه دچار برهم‌نهی میشوند و میتوانند پالس‌های کوتاه و شدید لیزری تولید کنند. یا میتواند بین نوسانات پرش کنند، در این صورت هیچ پالسی ایجاد نمیشود و تنها نور لیزر با شدت تقریباً پیوسته ایجاد میشود.
در لیزرهای آبشار کوانتومی، رفت و برگشت بین این دو حالت کار دشواری است. با این‌حال، این گروه از محققان یک مدولاتور کوچک در لیزر آبشار کوانتومی خود ساختهاند که امواج نور بتوانند بارها و بارها از آن عبور کنند. یک ولتاژ برق متناوب به این مدولاتور اعمال میشود. بسته به فرکانس و قدرت ولتاژ، نوسانات مختلف نور میتواند در لیزر ایجاد شود. اگر این مدولاتور دقیقاً در فرکانس مناسب تنظیم شود، همه فرکانسهای مختلف شانه‌فرکانسی، کاملاً هماهنگ نوسان خواهند کرد. این موضوع امکان ترکیب این فرکانسها و ایجاد پالس‌های کوتاه و شدید لیزر را با نرخ بیش از 12 میلیارد بار در ثانیه فراهم می‌کند. این سطح از کنترل بر روی پالس‌های کوتاه لیزر مادون قرمز پیش از این با لیزرهای نیمه هادی امکان‌پذیر نبوده است. انواع مشابه این نور در بهترین حالت فقط با استفاده از روشهای بسیار گران قیمت و سخت تولید میشده است. اما فناوری ایجاد شده توسط این گروه این مزیت قاطع را دارد که می‌توان آن را کوچک‌سازی کرد و از آن برای ساخت ابزار اندازه‌گیری کوچکی استفاده کرد که از این پرتوهای لیزر برای جستجوی مولکول‌های بسیار خاص در نمونههای گازی استفاده کند. به لطف شدت نور بالای پالس‌های لیزر، اندازهگیریهایی که به دو فوتون هم‌زمان نیاز دارند نیز امکان‌پذیر شده است.
مراجع:
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/11/201123112455.htm
https://statnano.com/news/68310/Laser-Technology-New-Trick-for-Infrared-Laser-Pulses
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19592-1
[1] Johannes Hillbrand