مضخم الليزر المتحرك

وفي كلية الهندسة الميكانيكية في التخنيون، تم تسجيل رقم قياسي عالمي لشدة الضوء

جريدة مراجعة البدنية X تقارير عن تطوير مرنان بصري غير مسبوق في قدراته على تضخيم الرنين. تم تطوير الرنان على يد يعقوب خير الدين أثناء دراسته في مختبر البروفيسور طال كرمون.

الرنان هو جهاز يحتوي على موجات ويقوم بتضخيمها عن طريق إعادتها من جدار إلى آخر في عملية تسمى تعزيز الرنين. يوجد اليوم في العالم رنانات متطورة ومتطورة من أنواع مختلفة، ولكن هناك أيضًا رنانات بسيطة مألوفة لنا جميعًا - على سبيل المثال، صندوق صوت الجيتار، الذي يضخم الأصوات التي تنتجها الأوتار، أو جسم مزمار القربة، الذي يضخم الأصوات الصادرة عن لسان الآلة.

الجيتار و مزمار القربة هما رنانات صوتي حيث يتردد الصوت بين جدران الرنان. في الفيزياء هناك أيضًا رنانات بصرياتعلى سبيل المثال في أجهزة الليزر. وفقًا للبروفيسور كارمون، يعد الرنان أحد أهم الأجهزة في مجال البصريات - "إنه الترانزستور الذي يستخدمه أخصائي البصريات".

تحتاج الرنانات إلى مرآتين على الأقل، ولكنها يمكن أن تحتوي أيضًا على أكثر من مرآتين - على سبيل المثال، ثلاث مرايا تعكس الضوء في مسار مثلث، وأربعة في مربع، وهكذا. ومن الممكن أيضاً ترتيب العديد من المرايا بشكل شبه دائري بحيث يدور الضوء بطريقة شبه دائرية، وكلما زاد عدد المرايا في الحلقة المذكورة نقترب من هيكل الدائرة المثالية.

لكن هذه ليست نهاية القصة، حيث أن الحلقة تحد من حركة الضوء في مستوى واحد. الحل بالطبع هو الهيكل كرويوالتي تسمح للضوء بالدوران في جميع المستويات التي تمر بمركز الدائرة، بغض النظر عن ميلها، أي في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

ننتقل الآن من الفيزياء إلى الهندسة: كيف ننتج مرنانًا نظيفًا وسلسًا ودقيقًا قدر الإمكان، بحيث يدور الضوء داخله أكبر عدد ممكن من المرات وبالتالي يتم تضخيمه إلى أقصى حد؟ شغل هذا التحدي العديد من مجموعات البحث، وأسفر، من بين أمور أخرى، عن مرنان زجاجي صغير على شكل كرة أو حلقة، يتم تثبيته بجوار الألياف الضوئية الدقيقة التي تربط الضوء به. مثال على ذلك قدمه البروفيسور طال كارمون قبل عامين في المجلة الطبيعة.

ومع ذلك، فإن الرنان الزجاجي الكروي ليس نهاية القصة أيضًا، كما هو نقطة الاتصال له إلى الألياف الضوئية يخلق تشويها في شكلها الكروي. هذا هو المكان الذي ولدت فيه الرغبة في الإنتاج مرنان عائم - مرنان لا يحمله أي جسم مادي.

تم عرض أول مرنان ميكروي في العالم في السبعينيات من قبل آرثر أشكين، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 70، والذي قدم مرنانًا يحوم. وعلى الرغم من هذا الإنجاز، سرعان ما تم التخلي عن هذا النوع من البحث. الآن، وبإلهام من عمل آشكين الرائد، يقدم باحثو التخنيون مرنانًا متحركًا يُظهر تضخيمًا رنينيًا يصل إلى 2018 دورة من الضوء، مقارنة بحوالي 10,000,000 دورة في مرنان أشكين.

الرنان المتحرك

وفي مرنان مصنوع من مرايا تعكس 99.9999 بالمئة من الضوء، يدور الضوء حوالي مليون دورة أو "رحلات دائرية" كما يطلق عليها باللغة العلمية. فإذا أخذنا ضوءاً قوته 1 واط، يشبه ضوء فلاش الهاتف الخليوي، وتركناه يدور ذهاباً وإياباً بين هذه المرايا، فإن قوة الضوء ستزداد إلى مليون واط - وهي قوة تساوي استهلاك الكهرباء في حي كبير في حيفا. يمكننا استخدام الضوء العالي الناتج، على سبيل المثال، لتحفيز التفاعل المتبادل بين الضوء والمادة الشفافة الموجودة بين المرايا.

في الواقع، المليون واط تتكون من جسيم ضوئي واحد يمر ذهابًا وإيابًا عبر المادة، لكن المادة "لا تعرف" أنها نفس جسيم الضوء الذي يتحرك مرارًا وتكرارًا عبر المادة، و"تشعر" فقط بالضوء. قوة عالية. وفي هذا النوع من الأجهزة من المهم أيضًا أن يمر المليون واط عبر مساحة مقطعية صغيرة، وبالفعل فإن الجهاز الذي طوره خير الدين يوصل الضوء في 10 ملايين رحلة دائرية، مع تركيز الضوء في منطقة شعاع أصغر بـ 10,000 مرة من مساحة مقطع الشعرة. وبذلك، حطم خير الدين الرقم القياسي العالمي لتضخيم الضوء الرنان.

يتكون الرنان الذي طوره باحثو التخنيون من قطرة صغيرة من الزيت يبلغ قطرها حوالي 20 ميكرون - ربع سمك الشعرة. ويتم تعليق القطرة في الهواء باستخدام الضوء بتقنية تسمى "الملاقط البصرية". تُستخدم هذه التقنية، التي تجعل من الممكن الاحتفاظ بالجزيئات باستخدام الضوء، هنا لتثبيت القطرة في الهواء دون دعم مادي - ألياف أو دعامة أخرى - مما قد يؤدي إلى إتلاف شكلها الكروي أو تلويث القطرة. وفقًا للبروفيسور كارمون، "يستخدم هذا الاختراع البصري العبقري، الملقط البصري، كثيرًا في علوم الحياة والكيمياء وأجهزة التدفق الدقيق والمزيد، ونادرا ما يستخدمه أخصائيو البصريات - يشبه إلى حد ما الإسكافي الذي يسير حافي القدمين. في الدراسة الحالية تبين أن الملقط البصري له إمكانات هائلة في مجال الهندسة البصرية. فمن الممكن، على سبيل المثال، بناء دائرة بصرية باستخدام ملاقط بصرية متعددة تحمل العديد من الرنانات وتتحكم في موضع الرنانات وشكلها حسب الحاجة.

وحتى الأبعاد الصغيرة للقطرة تساعد على تحسين سلامتها الكروية، لأن قوة الجاذبية لا تكاد تشوهها، لأنها هامشية في هذه الأبعاد بالنسبة إلى قوى التوتر السطحي للسائل التي تعطيه شكلا كرويا.

في النظام الفريد الذي طوره باحثو التخنيون، يتم احتجاز قطرة الزيت بواسطة شعاع ليزر وتستقبل الضوء من ألياف أخرى، والتي تستقبل الضوء أيضًا بعد مرورها عبر الرنان. ووفقا لخصائص الضوء المنعكس في الألياف، يمكن للباحثين معرفة ما حدث داخل القطرة. على سبيل المثال، يمكنهم إطفاء الضوء الذي يدخل إلى الرنان واختبار المدة التي سيظل فيها الفوتون على قيد الحياة في الرنان قبل أن يتلاشى، وبناءً على هذا الرقم وسرعة الضوء، قم بحساب عدد الثورات التي يقوم بها الفوتون (في المتوسط) في يسقط. وهنا، كما ذكرنا، رقم قياسي عالمي في تضخيم الضوء: 10,000,000 دورة تمر عبر مساحة مقطعية تبلغ حوالي ميكرون مربع وتضخيم الضوء 10 ملايين مرة.

وشارك في الدراسة أيضًا شاي معيني، ومارك ديفيدسون، وليوناردو مارتن من التخنيون، وليف ديتز من كلية الفيزياء في كلية كوينز بجامعة مدينة نيويورك. تم إجراء البحث في مركز التميز "دائرة الضوء" التابع لمؤسسة العلوم الوطنية ولجنة التخطيط والميزانية (ICORE)، ومؤسسة العلوم الأمريكية الإسرائيلية (BSF)، ومؤسسة العلوم الأمريكية (NSF)، ومؤسسة العلوم الأمريكية الإسرائيلية (BSF)، ومؤسسة العلوم الأمريكية (NSF). المؤسسة الوطنية للعلوم (ISF).

للمقال في المجلة مراجعة البدنية X 

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• استخدام الضوء لتكوين الصوت
• طور باحثون من التخنيون تقنية تجمع بين البصريات النانوية والمغناطيسية لتشخيص عدم الاتساق النانومتري في الرقائق الإلكترونية والفوتونات
• ابتكر باحثو التخنيون بصريات جديدة