اولین اسیلوسکوپ نوری جهان – نوآوری متحول کننده‌ی فناوری‌های ارتباطی

میدان الکتریکی مرتبط با نور مرئی در فرکانس‌هایی در حدود صدها میلیارد بار در ثانیه نوسان می‌کند. این بدان معنا است که یک نوسان میدان، برای چند فمتوثانیه (fs 1معادل 10 به توان 15- ثانیه) طول می‌کشد.

اندازه‌گیری میدان‌های نوری گذرا برای درک مکانیسم‌های دینامیکی و اصول پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی فوق‌سریع،  بسیار مهم است و کلید دستیابی به سرعت‌های بالاتر در الکترونیک و مخابرات است. از طرفی اندازه‌گیری دقیق سرعت فوق‌العاده سریع تغییر میدان الکتریکی در طول یک نوسان، یک پیش‌نیاز ضروری برای درک حرکات فوق سریع الکترون‌ها در اتم‌ها، مولکول‌ها و ماده متراکم می‌باشد. توصیف کامل شکل‌های موج نوری به یک «اسیلوسکوپ نوری» نیاز دارد، که بتواند نوسانات میدان الکتریکی را با وضوح زیر فمتوثانیه و با عملکرد تک‌شات اندازه‌گیری کند.

تصویر1. این نوآوری می تواند متحول کننده‌ی فناوری‌های ارتباطی، مانند تلفن و اتصالات اینترنتی باشد.

 

 

روش‌های مختلفی برای ثبت تغییرات فوق سریع میدان الکتریکی مورد آزمایش قرار گرفته در سال 2020، یک تیم تحقیقاتی متشکل از فیزیکدانان [1]LMU روشی را برای توصیف نوسان فوق سریع میدان‌های الکتریکی مرتبط با نور ایجاد کرده بودند. این پروژه مشترک توسط گروه‌هایی از فیزیکدانان مستقر در LMU مونیخ، موسسه ماکس پلانک برای اپتیک کوانتومی و شورای تحقیقات ملی آزمایشگاه علمی مشترک آتوسکاند کانادا در دانشگاه اتاوا انجام شده بود. این پژوهش منجر به توسعه روش جدیدی شد که تکامل میدان الکتریکی در طول نوسانات فوق سریع منفرد را قادر می‌سازد، تا بر روی یک اسیلوسکوپ نمایش داده شود. روش معمول برای تحقق این فرآیند تحت خلاء بالا انجام می‌شد، اما این روش جدیدتر در هوای محیط کار می‌کرد و تصویر موج در پلاسمای هوا قابل تصویربرداری بود.

 این روش بر اساس استفاده از یک دنباله دو پالس[2] است. ابتدا یک پمپ پالس، الکترون‌ها را از مولکول‌های موجود در هوای محیط جدا می‌کند؛ پس از یک تاخیر، متغیر توسط پالس اندازه‌گیری شده و این کار پشت سرهم دنبال شد. شکل موج میدان الکتریکی با بررسی جریان‌های ناشی از برهمکنش آن با الکترون‌های آزاد در پلاسمای هوا، آشکار می‌شود. این رویکرد ابزار ارزشمندی برای کاوش دینامیک فوق سریع در حوزه زیراتمی و توسعه الکترونیک فوق سریع با فرکانس‌های سوئیچینگ در محدوده پتاهرتز (1015 هرتز) بوده است.

تصویر 2. تصویربرداری از شکل موج نور در پلاسمای هوا

 

 

 

ولی همچنان تا به امروز، خواندن میدان الکتریکی نور به دلیل سرعت بالایی که امواج نور در آن نوسان می‌کنند، یک چالش محسوب شده است. در حال حاضر پیشرفته‌ترین تکنیک‌ها که ارتباطات تلفن و اینترنت ما را فعال می‌سازند، تنها می‌توانند میدان‌های الکتریکی را تا فرکانس‌های گیگاهرتز سنجش کنند. این فرکانس‌ها، فرکانس رادیویی و مناطق مایکروویو طیف الکترومغناطیسی را پوشش می‌دهند. امواج نور با سرعت‌های بسیار بالاتری در نوسان هستند و امکان انتقال اطلاعات با چگالی بالاتر را فراهم می‌کنند. در روشی که محققان LMU انجام داده بودند تصویری از میدان الکتریکی فوق سریع به‌دست آمد اما با این حال، ابزارهای کنونی برای اندازه‌گیری میدان‌های نوری، می‌توانند تنها یک سیگنال متوسط مرتبط با پالس نور را شناسایی کنند و نمی‌توانند قله‌ها و دره‌های درون پالس را به‌دست آورند. اندازه‌گیری قله‌ها و دره‌ها در یک پالس مهم است، زیرا در آن فضا است که می توان اطلاعات را دسته‌بندی و استخراج کرد.

به‌تازگی و در تحقیقاتی جدید تیمی از UCF مدعی هستند اولین اسیلوسکوپ نوری جهان را ساخته‌اند، ابزاری که منحصرا قادر به اندازه گیری میدان الکتریکی نور است. این دستگاه نوسانات نور را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. این عمل درست مانند مانیتورهای بیمارستانی است، که ضربان قلب بیمار را به نوسان الکتریکی تبدیل می‌کند.

 

تصویر3. مایکل چاینی، دانشیار فیزیک، عضوی از تیم UCF است که اولین اسیلوسکوپ نوری جهان را ساخت.

 

 

در این فناوری نشان داده می‌شود که برانگیختگی غیرخطی میدان نوری در یک تراشه حسگر تصویر بر پایه سیلیکون، می‌تواند گیت نوری زیر چرخه[3] مورد نیاز را برای مشخص کردن شکل موج‌های نوری فاز پایدار بسته حامل[4] در ناحیه مادون قرمز میانی فراهم کند.با ثبت تأخیر زمانی بین یک تحریک شدید و یک پالس مزاحم ضعیف، بر روی مختصات فضایی عرضی حسگر تصویر، نشان داده می‌شود که این تکنیک امکان اندازه‌گیری تک شات موج‌های چند سیکلی را فراهم می‌‌کند.

مایکل چاینی[5]، دانشیار فیزیک، بر روی این تحقیق در [6]UCF کار می‌کرد. او در این رابطه می‌گوید: “ارتباطات فیبر نوری از نور استفاده کرده‌اند تا کارها را سریع‌تر کنند، اما ما هنوز از نظر عملکردی توسط سرعت اسیلوسکوپ محدود هستیم. اسیلوسکوپ نوری ما ممکن است بتواند این سرعت را تا حدود 10000 بار افزایش دهد.” این تیم دستگاه را توسعه داده و توانایی آن را برای اندازه‌گیری سریع میدان‌های الکتریکی از پالس‌های لیزر منفرد نشان داده است. گام بعدی برای تیم این است که ببیند تا چه حد می‌تواند محدودیت‌های سرعت تکنیک را بالا ببرد. یافته‌های این تیم در مجله Nature Photonics منتشر شده است.[7]

منابع:

https://www.nature.com/articles/s41566-021-00924-6

https://phys.org/news/2020-10-imaging-waveforms-air-plasma.html

[1] https://scitechdaily.com/the-worlds-first-optical-oscilloscope-game-changing-innovation-for-communication-technologies/

 

[1] Ludwig Maximilian University of Munich

[2] two-pulse sequence

[3] the sub-cycle optical gate

[4] carrier-envelope phase-stable optical waveforms

[5] Michael Chini

[6] UNIVERSITY OF CENTRAL FLORIDA