مُرشِّح منخل فوتوني متعدد البؤر متعدد المستويات متباين الخواص من الأشعة فوق البنفسجية القصوى حتى الأشعة السينية اللينة

إلقاء نظرة على عوالم صغيرة بحيل ضوئية جديدة

يعتمد عالمنا الحديث على تقنيات قادرة على رسم وفحص ميزات أصغر بكثير من حبة الغبار، من رقائق الحواسب إلى المواد المتقدمة. لتحقيق ذلك، يستخدم العلماء ضوءاً ذا طول موجي قصير جداً، في نطاق يسمى الأشعة فوق البنفسجية القصوى والأشعة السينية اللينة، والذي يمكنه كشف تفاصيل تتجاوز بكثير ما يظهره الضوء المرئي. لكن تشكيل وتقسيم هذا النوع من الضوء أمر بالغ الصعوبة، لأن معظم المواد تمتصه بدلاً من انحنائه أو عكسه بوضوح. تعرض هذه الورقة نوعاً جديداً من الأجهزة البصرية فائقة الرقة القادرة على تقسيم هذا الضوء وتركيزه على عدة نقاط في أعماق مختلفة، فاتحة الباب لتصوير أدق وتقنيات قياس مبتكرة.

نوع جديد من منخل الضوء الدقيق

بدلاً من استخدام العدسات أو المرايا التقليدية، يعتمد الباحثون على مفهوم يُدعى المنخل الفوتوني — غشاء رقيق مثبت عليه آلاف الفتحات المجهرية الموزعة بعناية. عندما يمر الضوء عبر هذا النمط من الفتحات، ينحرف بفعل الحيود ويمكن جعله يتركز، إلى حد ما مثل العدسة ولكن بدون الحاجة إلى زجاج سميك. تُعدّ المناخل الفوتونية جذابة بشكل خاص لأشعة فوق البنفسجية القصوى والأشعة السينية اللينة، حيث تفشل البصريات العادية لأن المواد تمتص طاقة كبيرة جداً. عبر تغيير مواقع الفتحات وأحجامها، يمكن للعلماء نحت الضوء بطرق معقدة، مما يجعل المنخل الفوتوني بديلاً قوياً للبصريات التقليدية في هذا النطاق الطيفي الصعب.

تقسيم الضوء في العمق، وليس جانبياً فقط

الابتكار الرئيسي في هذا العمل هو جهاز يسميه المؤلفون «منخل فوتوني مفصّل متعدد البؤر متعدد المستويات ذات خواص غير متناظرة». ببساطة، هو منخل فوتوني مصمم لإنتاج ثلاث بقع مضيئة منفصلة ليست فقط متباعدة بل أيضاً تقع على مستويي تركيز مختلفين على طول مسار الحزمة. تقع بقعة مضيئة واحدة على مستوى تركيز مفرد، بينما تظهر زوج من البقع معاً على مستوى ثانٍ أبعد. لتحقيق ذلك، يتطلب الأمر ترميز نمط عددٍ خاص — يعتمد على تسلسل قديم يُعرف بـ"السلم اليوناني"— في طريقة ترتيب الفتحات. يتم تحسين هذا النمط باستخدام خوارزمية حاسوبية تعامل كل تخطيط ممكن كـ"كروموسوم" وتُحسّنه تدريجياً حتى يتم الوصول إلى سلوك التركيز الثلاثي المطلوب.

بناء واختبار المقسم فائق الرقة

لتحويل التصميم إلى واقع، قام الفريق بتصنيع منخل فوتوني مقسم بقطر حوالي 0.8 ملليمتر على فيلم رقيق من نيتربيد السيليكون، مستخدمين تقنيات تصنيع دقيقة مشابهة لتلك المستخدمة في صناعة الرقائق. حوالي نصف الغشاء عبارة عن فتحات مفتوحة، مما يبقي عملية التصنيع بسيطة نسبياً لكنه يحد أيضاً من مدى كفاءة توجيه الضوء. ثم اختُبر المقسم بواسطة ليزر أشعة فوق بنفسجية قصوى بطول موجي 46.9 نانومتر يوفر نبضات قصيرة ومكثفة جداً. استُخدم مادٍ بلاستيكي يُدعى PMMA كلوح تسجيلي: يغيّر الضوء الوارد سطحه بشكل طفيف، وبعد المعالجة تكشف شكل السطح مباشرة عن أماكن شدة الضوء. عبر مسح هذا اللوح ميكانيكياً على طول اتجاه الحزمة وفحصه بالمجاهر، تمكن الباحثون من رؤية كيف تغيرت أحجام ومواقع البقع المركزة قرب كل مستوى تركيز.

التحقق من تطابق البؤرة مع التصميم

أظهرت الصور الخام للحفر والنتوءات الصغيرة في الـPMMA أن البقع البؤرية الثلاثة تصرفت كما هو مقصود: مع تحرك لوح التسجيل عبر الحزمة، تقلصت البقع إلى حد أصغر عند مستوى تركيز مفرد وعند مستوى ثانٍ يحتوي على بقعين. لقياس ذلك بدقة أكبر، استخدم الفريق مجس القوة الذرية لرسم السطح بتفصيل ثم طبق إجراءً رقميًا "للتركيز التلقائي". عبر انتشار الأنماط المقاسة رقمياً ذهاباً وإياباً في الفضاء باستخدام صيغ الحيود المعروفة، تمكنوا من إيجاد المسافات التي تصبح عندها البقع الأكثر حدة. كانت أحجام البقع الناتجة بضعة مئات من المليارات من المتر وعكست التنبؤات النظرية عن كثب، مؤكدة أن المقسم أنتج مواقع وتركيزات البؤر الصحيحة رغم بعض العيوب التجريبية الصغيرة.

لماذا هذا مهم لأدوات التصوير المستقبلية

بإظهار أن غشاء واحد مسطح مثقوب يمكنه تقسيم ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى إلى عدة بقع مركزة على أعماق مختلفة بشكل موثوق، يقدم هذا العمل لبنة بناء جديدة لأنظمة التصوير والقياس المتقدمة. يمكن لمثل هذا المقسم أن يتيح للعلماء التقاط عدة أنماط حيود دفعة واحدة، أو مقارنة مستويات تركيز مختلفة قليلاً دون تحريك بصريات ضخمة — وهو ما له قيمة لتقنيات مثل التصوير بالتشتت التوافقي، تنوع الطور، والتداخل. بعبارة أبسط، يشبه ذلك لوحة مفاتيح ضوئية رقيقة كورقة يمكنها إرسال شعاع واحد قوي وصعب المعالجة إلى عدة قنوات دقيقة في آن واحد. قد تساعد هذه الإمكانية في دفع حدود مدى دقتنا في رؤية وقياس الهياكل في العوالم الصغيرة التي تقوم عليها التكنولوجيا الحديثة.

الاستشهاد: Keyang Cheng, Huaiyu Cui, Ziyi Zhang, Yuni Zheng, Dongdi Zhao, Qi Li, Yongpeng Zhao, and Junyong Zhang, "Anisotropically multiplanar-focal photon-sieve splitter from extreme ultraviolet to soft X-ray," Optica 12, 1388-1390 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.559913

الكلمات المفتاحية: بصريات الأشعة فوق البنفسجية القصوى, منخل فوتوني, تجزئة الحزمة متعددة البؤر, التصوير الحركي الحيزي (الحيز الحيضي) الحيزي, تركيز الأشعة السينية اللينة