القياس الزماني‑المكاني أحادي اللقطة للليزر فائق القصر قائم على التدخل الطيفي مع مصفوفة ألياف

لماذا تحتاج نبضات الليزر القوية إلى فحص دقيق

يمكن لليزرات فائقة القوة الحديثة أن تتألق لوهلة تفوق إجمالي الطاقة المستخدمة على الأرض، ويستخدمها العلماء لاستكشاف فيزياء القصوى، من توليد حزم جسيمات إلى محاكاة ظروف النجوم. لكن هذه النبضات القصيرة للغاية وشديدة الشدة مفيدة فقط إذا كان ضوؤها مشكلاً تماماً في الزمان والمكان. حتى التشوهات الطفيفة يمكن أن تضعف التركيز بشكل كبير وتضلل التجارب. يقدم هذا البحث طريقة جديدة لأخذ «لقطة» مفصّلة لمثل هذه النبضات في لقطة واحدة، مما يجعل ضبط أكبر الليزرات في العالم أسهل بكثير.

طريقة جديدة لرؤية نبضة الليزر

يعرض المؤلفون تقنية تسمى SIFAST، اختصاراً لـ «التداخل الطيفي مع مصفوفة الألياف للقياس الزماني‑المكاني أحادي اللقطة». بعبارات بسيطة، تتيح SIFAST للباحثين رسم كيف تُرتّب نبضة الليزر عبر مقطعها العرضي وعلى امتداد طولها الزمني العابر، وكل ذلك دفعة واحدة. الكاميرات التقليدية يمكنها تسجيل بعدين فقط في كل مرة، لذا اضطرت الطرق القديمة لمسح الحزمة نقطة نقطة أو تكرار القياس عبر عدة طلقات—وهو أمر غير عملي لأنظمة الليزر بيتاوات الكبيرة التي قد تطلق طلقات قليلة في الساعة. تتغلب SIFAST على هذا القيد من خلال إعادة ترتيب المعلومات بطريقة ذكية بحيث تلتقط قياس واحد البنية الثلاثية الأبعاد الكاملة للنبضة.

كيف تحول الألياف الحزمة إلى بيانات

في صميم SIFAST توجد حزمة مصممة خصيصاً من ألياف زجاجية رفيعة. أولاً، تُقسَم الحزمة الواردة إلى مسارين: «حزمة الاختبار»، التي يكون شكلها غير معروف، و«حزمة المرجع» المشتقة من جزء صغير مُطهَّر بعناية من نفس الضوء. تتداخل هاتان الحزمتان مع بعضهما، منتجتين أنماطاً دقيقة تشفر كيف تختلف موجاتهما في المكان واللون. بدلاً من أن تحاول الكاميرا تسجيل نمط معقد دفعة واحدة، تقوم حزمة الألياف بأخذ عينات من الحزمة عند نقاط عديدة مرتبة في شبكة ثم تعيد ترتيب تلك النقاط فعلياً إلى خط واحد عند مخرجها. هذا الخط من الألياف يغذي مطياف تصويري، الذي يفرّق الألوان ويسجل مصفوفة مرتبة من أنماط التداخل، واحدة لكل نقطة على الحزمة الأصلية.

إعادة بناء شكل الليزر في المكان والزمن

من هذه الأنماط المسجلة، يستخدم الفريق أدوات رياضية مباشرة—أساساً تحويلات فورييه—لاستخراج كيفية تطور موجة الضوء عند كل نقطة مُقاسة. وبما أن حزمتي الاختبار والمرجع تسافران عبر نفس الألياف تقريباً في نفس الوقت، تلغي الاضطرابات العشوائية التي كانت ستشوّه عادة الجبهة الموجية، مما يمنح صورة واضحة. تستعيد الطريقة كل من الشدة والطور للضوء، اللذين يحددان معاً الحقل الكهربائي الكامل للنبضة. عملياً، يمكن لـ SIFAST إعادة بناء البنية الثلاثية الأبعاد لنبضة باستخدام ما يقرب من مئتي نقطة عينة في حوالي خمس ثوانٍ، مما يكفي للمتابعة الروتينية والتغذية الراجعة في مرافق الليزر الكبيرة.

اختبار الطريقة

لإظهار ما يمكن أن تفعله SIFAST، فحص الباحثون عدة أنواع مطلوبة من حزم الليزر. بدأوا بقياس حزمة غاوسية مُحكَمَة لمعايرة النظام، مؤكدين أن جبهة النبضة—السطح الذي تصل عنده النبضة إلى أقصاها—كانت مسطحة للغاية كما كان متوقعاً. بعد ذلك، نظروا إلى الحزم «الدوامية» التي تلتف جبهاتها الموجية كالمَسَامير وتُستخدم في تجارب بصرية متقدمة. نجحت SIFAST في إعادة إنتاج الأنماط الحلزونية المرتبطة بقوى دوامة مختلفة. ثم أدخلوا إمالة مضبوطة في جبهة النبضة باستخدام منشور زجاجي، وقاست SIFAST الإمالة بدقة وكذلك كيفية دوران الجبهة مع اللون. أخيراً، طبّقوا التقنية على ضاغط بأربع شفرات (four‑grating compressor)، وهو عنصر رئيسي في العديد من الليزرات عالية القدرة، وأظهروا أن SIFAST يمكنها تتبع كيف تغيّر التعديلات الزاوية الطفيفة على إحدى الشفرات ميل جبهة النبضة، متطابقة مع التنبؤات النظرية.

لماذا هذا مهم للضوء المتطرف

تُظهر الدراسة أن SIFAST تقدم وسيلة سريعة وموثوقة ومرنة لمراقبة البنية الكاملة في الزمان والمكان لنبضات الليزر فائقة القصر في لقطة واحدة. بالنسبة لمرافق بيتاوات العملاقة، حيث كل نبضة ثمينة وأحجام الحزم هائلة، فإن مثل هذه الأداة التشخيصية في الوقت الفعلي حاسمة. إنها تُمكّن المشغلين من اكتشاف وتصحيح التشوهات الطفيفة التي بخلاف ذلك قد تقلص الشدة عند البؤرة، وتساعد الباحثين على تفسير نتائج التجارب بثقة أكبر. عملياً، تمنح SIFAST العلماء صورة ثلاثية الأبعاد واضحة لبعض أقوى ومضات الضوء المُنتَجة على الإطلاق، ممهّدة السبيل لتجارب أكثر دقة وقوة في فيزياء المجالات العالية.

الاستشهاد: Xu, Y., Shen, X., Chen, R. et al. Single-shot spatiotemporal characterization of ultrashort lasers based on spectral interferometry with fiber array. Commun Phys 9, 151 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02581-z

الكلمات المفتاحية: الليزرات فائقة القصر, تشخيص ليزر بيتاوات, القياس الزماني‑المكاني للنبضة, التداخل الطيفي, تقنيات مصفوفة الألياف