ليزر فائق السرعة عالي الطاقة ومقفل طورياً عند 2060 نانومتر من مذبذب صابٍ بصري مزدوج الرنين

لماذا هذا الليزر فائق السرعة مهم

أصبحت الليزرات بهدوء العمود الفقري للتكنولوجيا الحديثة، من توقيت نظام تحديد المواقع الدقيق وروابط بيانات الإنترنت إلى الفحوصات الطبية ومراقبة المناخ. تُبلغ هذه الدراسة عن مصدر ليزر جديد مستقر للغاية يعمل عند طول موجي يقارب 2 ميكرومتر، أي "لون" من الضوء تحت الأحمر مفيد بشكل خاص في فحص الغازات والأنسجة والتفاعلات الشديدة بين الضوء والمادة. من خلال الجمع بين نبضات قصيرة للغاية، طاقة عالية، واستقرار ممتاز في هذا النطاق الطيفي، يفتح العمل أبواباً لأدوات استشعار أدق وتجارب جديدة تشكّل موجات الضوء بتحكم فائق الدقة.

أمشاط الضوء كمساطر للعالم

على مدى العقود القليلة الماضية، غيّرت ما يسمى أمشاط التردد البصري كيفية قياسنا للزمن والتردد بدقة، وساهمت في فوز جائزة نوبل في الفيزياء عام 2005. المشط الترددي هو ليزر تُرتب ألوانه مثل أسنان المشط، متساوية التباعد ومقفلة طورياً مع بعضها البعض. عندما تعمل مثل هذه الأمشاط حول 2 ميكرومتر تصبح أدوات قوية لتطبيقات تتراوح من قياس غازات الاحتباس الحراري عبر مسافات طويلة إلى إجراء جراحات طفيفة التوغل وتصوير طبي فائق السرعة. كما يمكن أن تعمل كمشغِّلات مثالية لخلق ضوء عند أطوال موجية أطول، مثل منطقة تحت الأحمر الوسطى وتيراهرتز، التي تحمل معلومات فريدة عن الجزيئات وحركة الإلكترونات.

تحويل لون واحد إلى لونين مترابطين تماماً

بنَت الفريق مصدرهم حول جهاز يُسمى مذبذب معاملات بصري مزدوج الرنين. ببساطة، هذا تجويف رنان يحتوي على بلورة خاصة تحول ضوء الليزر الوارد إلى لونين جديدين. هنا، ليزر المضخة هو نظام رقيق‑القرص مبني محلياً يُصدر نبضات قصيرة جداً (حوالي 270 فيمتوثانية) عند 1030 نانومتر. داخل التجويف، تقوم بلورة بيـتـا باريوهات البوريت بتحويل هذا الضوء بحيث يقع أحد الألوان الناتجة عند 2060 نانومتر، أي ضعف الطول الموجي بالضبط. عند هذه النقطة «التشابهية» الخاصة، يندمج اللونان المولدان إلى واحد، وتصبح أطوار الحقول الثلاثة — المضخة والنواتج — مرتبطة بإحكام. والنتيجة زوج من الألوان المقفلة طورياً بطبيعتها حول 1 و2 ميكرومتر مثالية للتجارب التي تتطلب حقولاً كهربائية مُوقّتة بدقة، مثل توليد دفعات تيراهرتز مُشكّلة تُعرف بإشعاع برونيل.

إبقاء آلة ضوئية حساسة مستقرة

تحقيق هذا السلوك في تجويف طويل وعالي القدرة يمثل تحديات تقنية. طول المسار البصري حوالي تسعة أمتار، ما يجعله حساساً جداً لتغيرات دقيقة في الطول ناتجة عن الاهتزازات أو تغيّرات درجة الحرارة أو تيارات الهواء. بدلاً من استخدام طرق "الاهتزاز" التقليدية التي تهز النظام عمداً وتضيف ضوضاء، يعتمد الباحثون على مخطط ذكي خالٍ من التضمين. يُنتَج داخل التجويف بشكل طبيعي كمية صغيرة من الضوء الأحمر غير المرغوب عندما تتداخل موجات المضخة والضوء المولَّد. بتمرير هذه الإشارة "الطفيليّة" عبر فلتر لوني ضيق وكشفها بواسطة ضوئي، يحصلون على إشارة خطأ تُعلِمهم عمّا إذا كان طول التجويف أطول قليلاً أو أقصر قليلاً من اللازم. يقوم متحكم إلكتروني بسيط بعد ذلك بتحريك المرايا على حوامل بيوزوكهربائية للحفاظ على قفل التجويف عند النقطة المثلى. تُثبّت هذه الاستراتيجية النظام دون ضجيج إضافي وتساعد في الحفاظ على ضوضاء منخفضة للغاية.

القدرة وشكل النبضة والتشغيل الهادئ

مع تفعيل الاستقرار ومع موازنة تشتيت التجويف بعناية باستخدام صفيحة رقيقة من سيلينيد الزنك، يوفر المذبذب قدرة خرج متوسطة تبلغ حوالي 5.6 واط عند 2060 نانومتر، مع نبضات تزيد قليلاً عن 200 فيمتوثانية. يعادل ذلك كفاءة تحويل تقارب 35 بالمئة من المضخة — رقم قياسي لنظام مستقر بنشاط من هذا النوع عند 2 ميكرومتر. تُظهر قياسات ضوضاء الشدة أن حل التغذية الراجعة يهدئ بشكل كبير التقلبات البطيئة، حيث يقلل الضوضاء التراكمية بأكثر من عامل ثلاثين مقارنة بالنظام الحر. يبيّن المراقبة الطويلة لمدة 90 دقيقة أن قدرة الخرج تتغير بأقل من واحد بالمئة، وتؤكد قياسات التداخل أن المضخة والخرج يظلان مقفلين طورياً على فترات ممتدة.

ماذا يعني هذا للمستقبل

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة أن المؤلفين بنوا "مشط ضوئي" تحت أحمر ساطع ومستقر بشكل ملحوظ يحافظ على توافق لونين بدقة عالية، من دون الاعتماد على حيل تثبيت صاخبة. يمكن أن يعمل مثل هذا المصدر كمحرك قوي لتجارب مستقبلية تشكّل الحقول الكهربائية على مقياس الزمني الفيمتوثاني، وتدفع تفاعلات قوية في الغازات والمواد الصلبة، وتحسّن الاستشعار عن بعد للجزيئات في الغلاف الجوي. عملياً، يقرّب هذا الدقة المختبرية من الاستخدامات الحقيقية، من التصوير المتقدم إلى مراقبة البيئة، من خلال توفير أداة ليزرية قوية وموثوقة في ركن مفيد من الطيف.

الاستشهاد: Rao, H., Mevert, R., Geesmann, F.J. et al. High power ultrafast phase-locked laser at 2060 nm from a doubly resonant optical parametric oscillator. Sci Rep 16, 7169 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40002-x

الكلمات المفتاحية: مشط التردد الضوئي, ليزر فائق السرعة, مطيافية تحت الحمراء, مذبذب معاملات بصري, تثبيت الليزر