نبضات عالية الطاقة لمدة 1.53 دورة عبر ما بعد الضغطة المتجانس في صفيحة رقيقة واحدة

لماذا تقليص نبضات الضوء مهم

النبضات الضوئية التي تستمر لبضع كوادريليون من الثانية تشكل أساس أبحاث متقدمة بالفعل، من رصد حركة الإلكترونات إلى دفع مسرعات جسيمات مدمجة. يوضح هذا العمل كيفية جعل هذه الفلاشات أقصر — وصولاً إلى ما يزيد قليلاً عن دورة واحدة للموجة الضوئية — مع الحفاظ على طاقتها عالية وحزمة الضوء نقية. إجراء ذلك باستخدام قطعة زجاج بسيطة بدلاً من نظام ضخم ومعقد يمكن أن يساعد المختبرات في جميع أنحاء العالم على الوصول إلى ضوء متطرف لدراسة المادة في أسرع مقاييس زمنية لها.

تحويل فلاش طويل إلى نبضة صغيرة

يبدأ المؤلفون بنظام ليزر متقدم ينتج نبضات قصيرة جداً وعالية الطاقة: 5 ميليجول من الطاقة مجمعة في 7.7 فيمتوثانية عند طول موجي قرب 800 نانومتر. بدل تمرير الحزمة عبر خلايا غاز طويلة أو مسارات بصرية معقدة، يرسلون حزمة عريضة ذات قمة مسطحة إلى صفيحة رقيقة واحدة من زجاج السيليكا المندمج بسماكة 1 مليمتر فقط. داخل الزجاج، يغير الضوء المكثف بشكل طفيف مؤشر انكسار المادة أثناء مرور النبضة، مما يبدل لون الضوء مع الزمن. هذا التأثير الذاتي يوسع طيف النبضة عبر نطاق أكبر من الألوان، وهو ما يسمح من الناحية النظرية بضغط النبضة زمنياً إلى مدة أقصر.

اتساع مُتحكم به دون آثار جانبية فوضوية

عندما يتم توسيع النبضات بشكل مفرط، قد يصبح طيفها متقطعاً، ما يجعل من الصعب إعادة ضغطها نظيفاً. هنا، يعمل الفريق عمداً في نطاق متوسط: يتسع الطيف بنحو عامل ثلاثة تقريباً، لكنه يبقى ناعماً، مع تموجات طفيفة فقط. في أقصى إعداد، يمكن للطيف نظرياً أن يدعم نبضات قصيرة تصل إلى نحو 2.8 فيمتوثانية — أي قليلاً أكثر من دورة واحدة للحقل الضوئي. للتشغيل العملي، يختارون اتساعاً أقل تطرفاً قليلاً يظل يعطي نبضات أقل من 4 فيمتوثانية مع تجنب الضغط المستمر العالي على الزجاج الذي ستسببه عملية أكثر حدة.

ضغط وقياس موجة الضوء

بعد صفيحة الزجاج، تُرسل النبضة المتوسعة عبر ضاغط مدمج مكوّن من مرايا مصممة خصيصاً وأسافين زجاجية رقيقة تُدخل التأخيرات المناسبة لكل لون. باستخدام تقنية قياس دقيقة تعتمد على توليد التوافقي الثاني للنبضة ومسح تبعثرها، يعيد الباحثون بناء شكل النبضة زمنياً. يبرهنون على نبضات قصيرة تصل إلى 3.8 فيمتوثانية، ما يعادل نحو 1.5 تذبذب للحقل الضوئي، مع الحفاظ على نحو ثلثي القدرة القصوى المثالية تقريباً. نموذج حاسوبي بسيط يفترض أن الحزمة متجانسة فراغياً يعيد إنتاج الأطياف والسمات الرئيسية للنبضة المقاسة بنجاح، مما يبين أن العملية المعقدة يمكن وصفها بحسابات بسيطة نسبياً.

الحفاظ على نظافة الحزمة وتركيزها

النبضات فائقة القصر مفيدة فقط إذا أمكن تركيزها بقوة على هدف. الضوء المكثف في مادة صلبة يمكن أن يشوه بسهولة شكل الحزمة، لكن التوزيع ذو القمة المسطحة للمدخل يساعد في الحفاظ على طيف متسع متماثل تقريباً عبر الحزمة: تبقى الاتساق المكاني الطيفي أفضل من 97 بالمئة. كما يحلل المؤلفون واجهة الموجة — الشكل التفصيلي لطور الحزمة — ويجدون أنه على الرغم من ظهور بعض التشوّهات، خاصة الاستجماتيزم، يمكن تصحيحها إلى حد كبير باستخدام مرآة قابلة للتشكيل. مع تشغيل هذا البصريات التكيفية، تصل جودة التركيز للحزمة، المعبر عنها بنسبة ستريهل، إلى 0.88 حتى بعد تفاعل لامحدود قوي، ما يعني أن معظم الطاقة لا تزال تتركز في بقعة مركزية حادة.

ما يعنيه هذا لعلم الضوء المتطرف

من خلال إظهار أن صفيحة زجاجية رقيقة واحدة يمكن أن تحول نبضات قصيرة وذات طاقة بالفعل إلى دفعات تقارب دورة واحدة مع الحفاظ على نعومة الحزمة وقابليتها للتركيز الجيد، يشير هذا البحث إلى طريق مدمج نحو مصادر ضوء «قليلة الدورات» أكثر قوة. مثل هذه النبضات ذات قيمة خاصة لتوليد وميضات أتوثانية في الغازات ولتشغيل مسرعات الجسيمات القائمة على البلازما بكفاءة، حيث يتحسن الأداء بشدة مع تقليص طول النبضة. وبما أن الإعداد يتوسع طبيعياً إلى طاقات أعلى ويمكن نمذجته بأدوات بسيطة، فهو يقدم مخططاً عملياً للمختبرات التي تهدف إلى بناء أنظمة ليزرية فائقة القصر وعالية الطاقة للجيل القادم.

الاستشهاد: Jansonas, G., Karvelis, D., Gadonaitė, P. et al. High energy 1.53-cycle pulses via homogeneous post-compression in a single thin-plate. Sci Rep 16, 10452 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40980-y

الكلمات المفتاحية: النبضات الليزرية فائقة القصر, اتساع طيفي, ما بعد الضغط بصفيحة رقيقة, علم الأتوثانية, تسريع الجسيمات بالليزر والبلازما