مولد برامترّي تيراهرتز عالي القدرة وقابل للضبط على نطاق واسع قائم على مضخة متزامنة دون-نانوثانية ومُغذٍّ نانوالثانية

عيون أكثر حدة للطيف غير المرئي

تقع موجات التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الحمراء، وهي شريحة من الطيف غالباً ما تُهمل لكنها قادرة على اختراق التغليف، وكشف بصمات كيميائية، واستطلاع الهياكل البيولوجية الحساسة. تشرح الورقة البحثية المختصرة هنا نوعاً جديداً من مصادر التيراهرتز يكون قوياً وقابلاً للضبط على نطاق واسع، مما يجعله أكثر فائدة للتطبيقات العملية مثل فحص الأمن، والتصوير الطبي، والرادار، ودراسة العمليات سريعة التغير في المواد والجزيئات.

لماذا يهم ضوء التيراهرتز

يتصرف إشعاع التيراهرتز كهمزة وصل بين موجات الراديو والضوء تحت الأحمر. يمكنه المرور عبر العديد من المواد الشائعة مثل البلاستيك والورق والملابس، بينما يتأثر بشدة أيضاً بالاهتزازات والدورانات الجزيئية. هذا يعني أن كل مادة تترك بصمة مميزة في ترددات التيراهرتز، يمكن استخدامها للتعرف على المواد الكيميائية، وفحص الأدوية داخل تغليفها، أو التمييز بين الأنسجة الصحية والمرضية. وبما أن موجات التيراهرتز غير مؤينة، فإنها توفّر إمكانات للتصوير الأكثر أماناً مقارنة بالأشعة السينية. كما أنها ذات قيمة في علم الفلك وفي التحكم بالحالات الكمومية في الإلكترونيات المتقدمة، حيث تكون الترددات المحددة والخطوط الطيفية الضيقة ضرورية.

العقبة: القدرة والضبط في آن واحد

رغم وعود تكنولوجيا التيراهرتز، كان من الصعب بناء مصدر يكون قوياً وقابلاً للضبط بسلاسة على مدى واسع من الترددات. تعتمد العديد من الأنظمة الحالية على بلّورات عضوية نادرة صعبة الزراعة وعرضة للتلف، أو على بلّورات غير عضوية متينة لكنها غير فعالة. تتطلب مخططات أخرى قدرة ليزر فوق بنفسجية هائلة ومسرّعات معقدة، مما يجعلها غير عملية خارج المنشآت الكبرى. برزت فئة من الأجهزة تُدعى مولدات التيراهرتز البرامترّية، التي تحول ضوء ليزر مرئي أو تحت أحمر إلى إشعاع تيراهرتز داخل بلّورة، كنهج واعد. لكنها واجهت معضلة: التصاميم التي وفّرت قابليّة ضبط واسعة كانت ضعيفة عمومًا، بينما كانت النسخ عالية القدرة محصورة في نطاقات أضيق لأنها تفتقر إلى طرق فعّالة لـ"تغذية" والتحكم بالموجات المولّدة (seeding).

طريقة جديدة لتشغيل محرك التيراهرتز

يجتاز المؤلفون هذه المشكلة بدمج نوعين مختلفين جداً من نبضات الليزر في إعداد متزامن بعناية. توفّر مضخة ليزر ذات عرض أقل من نانوسانية دفعات قصيرة جداً ومكثفة من الضوء تحت الأحمر أو الأخضر، ما يساعد على كبح تأثير غير مرغوب يُدعى تشتت برلينغ المنبّه (stimulated Brillouin scattering) الذي يهدر الطاقة ويقيد الأداء عادة. في الوقت نفسه، يغذي نظام ليزر منفصل نانوالثانية مذبذباً برامترّياً بصرياً قابل الضبط، ينتج حزمة "مغذّية" قابلة للتحكم بنبضات أطول وطول موجي قابل للتعديل. الابتكار الأساسي هو تقنية الإطلاق البصري: يُحقن جزء صغير من خرج الليزر النانوالثاني في ليزر المضخة المصغّر ليربط توقيتهما، مما يقلّص الاضطراب الزمني الطبيعي من ميكروثوانٍ إلى بضع مئات من البكوثوانٍ. هذا يضمن تداخل الحزمتين داخل بلّورات غير خطية مقطوعة بشكل خاص، حيث يولّد تفاعلهما موجات تيراهرتز بكفاءة عالية.

تمديد مقبض ترددات التيراهرتز

لتغطية أكبر قدر ممكن من نطاق التيراهرتز، يستخدم الفريق بلّورتين مختلفتين، نيوباتيت الليثيوم المدوَّن بأكسيد المغنيسيوم وKTP، ويبدلون المضخة بين الأشعة تحت الحمراء (1064 نانومتر) والأخضر (532 نانومتر). عن طريق تكديس البلّورتين وتعديل زاوية تقاطع الحزم المضخّة والمغذّية، يمكنهم ضبط الفرق في التردد بين الليزرَين بشكل مستمر، وهو ما يحدد مباشرة تردد خرج التيراهرتز. في هذا الإعداد الواحد، يحققون تغطية من 0.55 إلى 13.6 تيراهرتز، مع وجود فجوات ضيقة قليلة فقط ناجمة عن ذبذبات الامتصاص في البلّورات. يوفر النظام حتى 1.06 ميلي واط من القدرة المتوسطة عند 1.68 تيراهرتز، ما يقابل ذروات قدرة تفوق 1 كيلوواط، وبجودة شعاع جيدة تطابق تقريباً ملف غاوسي مثالي. الخرج مستقر مع مرور الوقت، مع تباين بضع نسب مئوية خلال ساعة، ما يجعله مناسباً للقياسات الدقيقة.

ماذا يعني هذا للمستقبل

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الرئيسة هي أن هذا العمل يحوّل مصادر التيراهرتز من فضائل مختبرية دقيقة إلى أدوات أكثر عملية. من خلال الجمع بين مضخة فائقة القصر وعالية القدرة مع ليزر تغذية مرن وقابل للضبط ومزامنتهما بصرياً، يخلق الباحثون "مقبض" تيراهرتز ساطعاً ومستقراً يمكن مسحه عبر نطاق واسع من الترددات. يجادل المؤلفون أنه مع زيادة قدرة المضخة وتحسين نقاء الطيف للمغذّي، قد يصل هذا المفهوم إلى طاقات أعلى ودقة أفضل. مثل هذه التطورات ستعزز التحليل الطيفي والتصوير بالتيراهرتز، وتحسّن الاستشعار عن بُعد وأجهزة فحص الأمن، وتفتح إمكانات جديدة في مجالات مثل كيمياء الحالات العابرة، والتشخيصات الطبية الحيوية، والتقنيات الكمومية.

الاستشهاد: Fangjie Li, Kai Zhong, Jing Chi, Hongzhan Qiao, Tong Wu, Kai Chen, Jining Li, Yuye Wang, Degang Xu, and Jianquan Yao, "Ultra-widely tunable high-power terahertz parametric generation based on synchronized sub-nanosecond pump and nanosecond seeder," Optica 12, 1391-1399 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.570165

الكلمات المفتاحية: مصادر التيراهرتز, البصريات غير الخطية, التوليد البرامترّي, الليزرات القابلة للضبط, التصوير الطيفي