ضبط الليزر

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 18 صور
الموسوعة الحرة

في الفيزياء البصرية ، يُعرف انحراف تردد الليزر بأنه ضبط الليزر على تردد يختلف قليلاً عن تردد الرنين للنظام الكمومي . وعند استخدامه كاسم، يُشير انحراف تردد الليزر إلى الفرق بين تردد الرنين للنظام والتردد البصري (أو الطول الموجي ) لليزر. تُسمى الليزرات المضبوطة على تردد أقل من تردد الرنين بالليزر الأحمر ، بينما تُسمى الليزرات المضبوطة على تردد أعلى من تردد الرنين بالليزر الأزرق . [ 1 ] تُعد هذه التقنية أساسية في العديد من تجارب فيزياء الذرات والبصريات والمجالات ( AMO ) والتقنيات المرتبطة بها، إذ تُتيح التحكم في تفاعلات الضوء والمادة بدقة عالية. يُستخدم انحراف التردد في مجالات بحثية متنوعة، منها البصريات الكمومية ، والتبريد بالليزر ، والتحليل الطيفي . [ 2 ] كما أنه أساسي للعديد من التقنيات الذرية والكمومية الحديثة والناشئة، مثل الساعات الذرية ، والحواسيب الكمومية ، والمستشعرات الكمومية . من خلال ضبط الانحراف، يستطيع الباحثون والمهندسون التحكم في عمليات الامتصاص والانبعاث والتشتت، مما يجعلها أداة متعددة الاستخدامات في كل من الفيزياء الأساسية والتطبيقية.

توضيح

لنفترض نظامًا بتردد رنينω0{\displaystyle \omega _{0}}في نطاق الترددات الضوئية للطيف الكهرومغناطيسي ، أي بتردد يتراوح بين بضعة تيراهيرتز وبضع بيتاهرتز، أو ما يعادله بطول موجي يتراوح بين 10 نانومتر و100 ميكرومتر. من أكثر الأمثلة شيوعًا على هذه الأنظمة الرنانة في نطاق الترددات الضوئية: التجاويف الضوئية (في الفضاء الحر، أو الألياف، أو التجاويف الدقيقة )، والذرات ، والمواد العازلة أو أشباه الموصلات . يُعدّ انحراف تردد الليزر مهمًا لنظام رنين مثل التجويف لأنه يُحدد الطور (بمقياس 2).π{\displaystyle \pi }يتم الحصول على هذه البيانات بواسطة الليزر في كل دورة ذهاب وإياب. وهذا مهم للعمليات البصرية الخطية مثل التداخل والتشتت، وذو أهمية بالغة للعمليات البصرية غير الخطية لأنه يؤثر على شرط مطابقة الطور .

إذا تم تحفيز هذا النظام بواسطة ليزر بترددωل{\displaystyle \omega _{L}}قريب من تردد الرنينω0{\displaystyle \omega _{0}}ثم يتم تعريف انحراف الليزر على النحو التالي:

Δ=دهـو ωل-ω0{\displaystyle \Delta {\overset {\underset {\mathrm {def} }{}}{=}}\ \omega _{L}-\omega _{0}}

هذا الاختلاف(Δ){\displaystyle (\Delta )}يحدد كيفية تفاعل الليزر مع النظام. إذاΔ>0{\displaystyle \Delta >0}يتم ضبط تردد الليزر على اللون الأزرق، وإذاΔ<0{\displaystyle \Delta <0}، الليزر مضبوط على اللون الأحمر.

يعتمد احتمال حدوث انبعاث أو امتصاص محفز على قوة عدم التوافق ويتم تمثيله بواسطة شكل لورنتزي :

P(ω)∝Γ2(ω-ω0)2+Γ2{\displaystyle P(\omega )\propto {\frac {\Gamma ^{2}}{(\omega -\omega _{0})^{2}+\Gamma ^{2}}}}

أينΓ{\displaystyle \Gamma }هو العرض الطبيعي لخط الانتقال الذري.

في إطار مرجعي متحرك، كما هو الحال عندما تتحرك الذرات المعنية بالنسبة لانتشار الليزر، فإن تأثير دوبلر يعدل الانحراف:

Δ=ω-(ω0+ك→⋅v→){\displaystyle \Delta =\omega -(\omega _{0}+{\vec {k}}\cdot {\vec {v}})}

أينك→{\displaystyle {\vec {k}}}هو متجه موجة الليزر وv→{\displaystyle {\vec {v}}}هي سرعة الذرة. إن هندسة انحراف الليزر بهذه الطريقة إلى قيمة محددة من الانزياح الأحمر هي أساس تبريد دوبلر .

في الليزر عالي الكثافة، يحدث اتساع في الطاقة، مما يؤدي إلى تغيير عرض الخط الفعال. تردد رابي(Ω){\displaystyle (\Omega )}يحدد هذا المقياس قوة اقتران الذرة بالليزر ويرتبط بالانحراف عن التردد من خلال صيغة رابي المعممة:

Ωفعال=Ω2+Δ2{\displaystyle \Omega _{\text{eff}}={\sqrt {\Omega ^{2}+\Delta ^{2}}}}

تاريخ ضبط الليزر

ظهر مفهوم انحراف تردد الليزر بالتزامن مع التجارب الرائدة في فيزياء الليزر. ومن أوائل الأمثلة على الأعمال المؤثرة التي أظهرت الاستخدامات العملية لانحراف تردد الليزر، بحث آرثر أشكن في سبعينيات القرن الماضي، والذي أسفر عن أولى التجارب العملية للاحتجاز البصري ، والذي نال عنه جائزة نوبل في الفيزياء عام 2018. [ 3 ] ومن التطورات الأساسية الأخرى في فيزياء الليزر التي استخدمت انحراف التردد، تطوير ستيفن تشو لتبريد دوبلر في ثمانينيات القرن الماضي، والذي أظهر دور الليزر ذي الانحراف الأحمر في تقليل سرعات الذرات، والذي نال عنه جائزة نوبل في الفيزياء عام 1997. [ 4 ] وقد أبرزت التطورات اللاحقة، مثل التبريد دون دوبلر والمصائد المغناطيسية البصرية ، قوة انحراف التردد في تبريد الأنظمة الذرية والتحكم بها.

التطبيقات

تبريد الذرات بالليزر

عن طريق ضبط تردد الليزر نحو الأحمر أسفل تردد الرنين الذري مباشرةً، تمتص الذرات المتحركة الفوتونات بشكل تفضيلي من الاتجاه المعاكس لحركتها بسبب تأثير دوبلر. ينتج عن ذلك قوة تبريد صافية. في تبريد دوبلر، يتم ضبط تردد الليزر نحو الأحمر ببضع ميغاهرتزات أسفل تردد الرنين. الروبيديوم والسيزيوم وذرات الفلزات القلوية الأخرى أمثلة شائعة، حيث يتم ضبط ضوء التبريد بالقرب من ترددها .د2{\displaystyle D_{2}}عند تطبيق تقنية تبريد دوبلر في ثلاثة أبعاد، يُشار إليها غالبًا باسم " الدبس البصري ". في هذا الترتيب، تُنشئ ثلاثة أزواج متعامدة من أشعة الليزر ذات التردد الأحمر "دبسًا" لزجًا يُبطئ حركة الذرات المحصورة في الأبعاد المكانية الثلاثة. تستخدم المصائد المغناطيسية البصرية (MOTs) مخطط "الدبس البصري" بالإضافة إلى مجال مغناطيسي متغير مكانيًا لحصر وتبريد سحب الذرات المتعادلة. يُحدث المجال المغناطيسي إزاحة زيمان متغيرة مكانيًا ، والتي عند اقترانها بضبط مناسب لشعاع "الدبس" نحو الأحمر، تدفع الذرات بشكل تفضيلي نحو مركز المصيدة. يضمن ضبط الليزر في المصيدة المغناطيسية البصرية أن تأثير الزخم على الذرات يقتصر على الذرات التي تتحرك بعيدًا عن مركز المصيدة، مما يؤدي فعليًا إلى حصر الذرات وإبطائها، وبالتالي تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى بضعة ميكروكلفن. تستخدم تقنيات التبريد دون مستوى دوبلر ، مثل التبريد بتدرج الاستقطاب وتبريد سيزيف ، مخططات ضبط أكثر تعقيدًا لتحقيق درجات حرارة أقل من حد دوبلر .

التحليل الطيفي

في التحليل الطيفي عالي الدقة، يُحسّن ضبط تردد الليزر من القدرة على تمييز مستويات الطاقة المتقاربة. ومن الأمثلة على ذلك التحليل الطيفي ثنائي الفوتون، حيث يُضبط تردد الليزر بعيدًا عن المستويات الوسيطة للوصول إلى مستويات طاقة أعلى دون التأثير على المستويات الأدنى، مما يقلل من الضوضاء الخلفية. مثال آخر هو التحليل الطيفي الانتقائي للنظائر، حيث يُضبط تردد الليزر لتمكين الإثارة الانتقائية للنظائر ذات ترددات الانتقال المزاحة قليلاً. [ 2 ] يُعدّ هذا مفيدًا في الفيزياء النووية والكيمياء الجيولوجية .

البصريات الميكانيكية

على غرار تبريد الذرات بالليزر، تلعب إشارة الانحراف دورًا هامًا في التطبيقات الكهروضوئية الميكانيكية . [ 5 ] [ 6 ] في حالة الانحراف الأحمر، يخضع النظام الكهروضوئي الميكانيكي للتبريد ونقل الطاقة المتماسك بين الضوء والنمط الميكانيكي ( مقسم الحزمة ). أما في حالة الانحراف الأزرق، فيخضع النظام للتسخين والتضخيم الميكانيكي، وربما الانضغاط والتشابك . ويمكن استخدام حالة الرنين، عندما يكون انحراف الليزر صفرًا، للكشف الحساس للغاية عن الحركة الميكانيكية، كما هو الحال في مرصد ليغو .

رسم بياني للتخميد الناتج عن الضوء لمذبذب ميكانيكي في نظام بصري ميكانيكي.

تقنية باوند-دريفر-هول

يلعب انحراف تردد الليزر دورًا محوريًا في تثبيت تردده، لا سيما في تقنية باوند-دريفر-هول (PDH). [ 7 ] تعتمد تقنية PDH على نطاقات جانبية معدلة الطور، حمراء وزرقاء، منحرفة عن تردد الموجة الحاملة، لتثبيت تردد الليزر بالنسبة إلى مرجع بصري ثابت، مثل تجويف بصري عالي الدقة ، أو رنان ، أو مطيافية ذرية. يُرسل نفاذ التجويف إلى كاشف ضوئي عالي السرعة ، وعندما يكون تردد الليزر متوافقًا مع النظام، تُقلل الطاقة إلى أدنى حد. يُستخدم مشتق نفاذ التجويف كإشارة خطأ، لأن شدة الانعكاس وحدها دالة زوجية ، بينما المشتق دالة فردية. تشير إشارة الخطأ إلى كل من مقدار واتجاه انحراف التردد، مما يسمح بإنشاء حلقة تحكم دقيقة من نوع PID لقفل تردد الليزر على التردد المطلوب، وتقليل ضوضاء تردد الليزر، والسماح بالتحكم الدقيق في التردد.

التطبيقات التكنولوجية

تستخدم الساعات الذرية تقنية ضبط تردد الليزر لدراسة انتقالات فائقة الدقة محددة وضيقة الطيف في الروبيديوم والسيزيوم والسترونتيوم وعناصر أخرى. [ 8 ] وتستخدم الملاقط الضوئية [ 3 ] تقنية ضبط تردد الليزر الأحمر والأزرق لحصر الجسيمات لتحليلها على نطاق يتراوح من دون النانومتر إلى الميكرون، مما يتيح تحقيق تقدم في العديد من المجالات، بما في ذلك علم الأحياء والطب . وتستخدم أمشاط تردد الليزر تقنية ضبط تردد الليزر لتثبيت أسنان المشط بالنسبة إلى معيار تردد ثابت.

ضبط ديناميكي

لا يشترط أن يكون ضبط تردد الليزر ثابتًا، بل يمكن تغييره ديناميكيًا في التقنيات المتقدمة لتحقيق تأثيرات محددة. إحدى هذه الطرق هي ضبط التردد المتغير تدريجيًا، حيث يتم تغيير تردد الليزر تدريجيًا. يُستخدم هذا في المرور الأديباتي المحفز لرامان لتمكين انتقالات سلسة بين الحالات الكمومية ، والتي يمكن استخدامها للتحكم في الكيوبت . [ 9 ] من الاستخدامات الأخرى لضبط تردد الليزر الديناميكي مُبطئ زيمان ، حيث يتم ضبط التردد بناءً على سرعات الذرات وفقًا لـ

دلتا′=دلتا+كv-μ′بℏ{\displaystyle \delta '=\delta +kv-{\frac {\mu 'B}{\hbar }}}

أينv{\displaystyle v}هي السرعة الذرية، والتي يمكن أن تتغير بمرور الوقت، مما يتسبب في تغيير ديناميكي في ضبط الليزر.

مراجع

  1. ↑ فريتز ريل (8 مايو 2006). معايير التردد: الأساسيات والتطبيقات . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-3-527-60595-8تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 نوفمبر 2011 .
  2. 1 2 فوت، كريستوفر ج. (2011). الفيزياء الذرية . سلسلة أكسفورد للماجستير في الفيزياء: الفيزياء الذرية والبصرية والليزرية (طبعة مُعاد طباعتها مرتين مع تصحيحات) . أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN  978-0-19-850696-6.
  3. 1 2 أشكين، أ. (1970). "تسريع الجسيمات واحتجازها بواسطة ضغط الإشعاع" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 24 (4): 156-159 . Bibcode : 1970PhRvL..24..156A . doi : 10.1103/PhysRevLett.24.156 .
  4. ↑ تشو، ستيفن (1985). "الحصر اللزج ثلاثي الأبعاد وتبريد الذرات بواسطة ضغط إشعاع الرنين" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 55 (1): 48-51 . Bibcode : 1985PhRvL..55...48C . doi : 10.1103/PhysRevLett.55.48 . PMID 10031677 . 
  5. ↑ أسبيلمير، م.؛ غروبلاشر، س.؛ هاميرر، ك.؛ كيسيل، ن. (2010-06-01). "الميكانيكا الضوئية الكمومية - نظرة خاطفة [مقال مدعو]". مجلة الجمعية البصرية الأمريكية ب . 27 (6): A189– A197. arXiv : 1005.5518 . Bibcode : 2010JOSAB..27A.189A . doi : 10.1364/JOSAB.27.00A189 . ISSN 1520-8540 . S2CID 117653925 .  
  6. ↑ أسبيلمير، ماركوس؛ كيبنبرغ، توبياس جيه؛ ماركوارت، فلوريان (30-12-2014). "ميكانيكا البصريات التجويفية". مراجعات الفيزياء الحديثة . 86 (4): 1391-1452 . arXiv : 1303.0733 . Bibcode : 2014RvMP...86.1391A . doi : 10.1103/RevModPhys.86.1391 . S2CID 119252645 . 
  7. ↑ دريفر، ر. و. ب.؛ هول، ج. ل.؛ كوالسكي، ف. ف.؛ هوف، ج.؛ فورد، ج. م.؛ مونلي، أ. ج.؛ وارد، هـ. (يونيو 1983). "تثبيت طور وتردد الليزر باستخدام رنان بصري". الفيزياء التطبيقية ب . 31 (2): 97-105 . رمز Bibcode : 1983ApPhB..31...97D . doi : 10.1007/bf00702605 . ISSN 0721-7269 . 
  8. ↑ لودلو، أندرو د. (2015). "الساعات الذرية الضوئية" . مراجعات الفيزياء الحديثة . 87 (2): 637-701 . arXiv : 1407.3493 . Bibcode : 2015RvMP ...87..637L . doi : 10.1103/RevModPhys.87.637 .
  9. ↑ جو، هانلاي؛ لي، هان-غيول؛ غيرين، ستيفان؛ آهن، جاي ووك (2017). "التحكم القوي في نظام ثنائي المستوى بواسطة نبضة ليزر غير مضبوطة التردد ومُعدَّلة التردد". مجلة Physical Review A. 96 ( 3) 033403. arXiv : 1701.03541 . Bibcode : 2017PhRvA..96c3403J . doi : 10.1103/PhysRevA.96.033403 .