23 آگوست 2024توسط اینگرید فادلی، شماتیک هوای آبشاری دو طرفه که از طریق تبادل فوتون از نیتروژن به آرگون می گذرد. اعتبار: زن نی و چان جوشی.
برای تولید نور، لیزرها معمولاً به حفره‌های نوری تکیه می‌کنند، جفت آینه‌هایی که روبه‌روی یکدیگر هستند که نور را با تابش به جلو و عقب تقویت می‌کنند. اخیراً برخی از فیزیکدانان تولید “نور لیزر” در هوای آزاد و بدون استفاده از حفره های نوری را بررسی کرده اند، پدیده ای که به عنوان لیزر بدون حفره در هوای اتمسفر شناخته می شود.
محققان دانشگاه کالیفرنیا لس آنجلس (UCLA) و موسسه Max Born اخیرا از مکانیزم فیزیکی که منجر به این پدیده می شود، رونمایی کرده اند. این مکانیسم، که در مقاله ای در Physical Review Letters بیان شده است، شامل انتقال انرژی با واسطه فوتون از نیتروژن (N2) به آرگون (Ar) است.
چان جوشی یکی از نویسندگان مقاله به Phys.org گفت.: “ما متوجه شدیم که به نظر می رسد قبلاً کاهش ناشناخته ای در نرخ یونیزاسیون Ar در رژیم یونیزاسیون میدان بالا (با استفاده از لیزر پمپ 261 نانومتری) در مقایسه با آنچه که توسط نظریه PPT یا معادله شرودینگر وابسته به زمان پیش بینی شده بود وجود دارد. ما می‌خواستیم بفهمیم که آیا جذب رزونانس 3 فوتونی فوتون‌های 261 نانومتری در Ar ممکن است در کاهش نقش داشته باشد یا خیر.
مطالعه اخیر توسط همکاران جوشی بر اساس تلاش های تجربی قبلی تیم است. این تیم هنگام انجام آزمایش‌های جدید خود مشاهده کردند که جذب 3 فوتون فوتون‌های 261 نانومتری توسط اتم‌های Ar با انتشار سوپرفلورسانس آبشاری، به‌ویژه تابش بدون حفره، دو جهته و لیزر مانند به دنبال دارد.
زان نی، نویسنده اصلی مقاله گفت: «علاوه بر این، ما به طور غیرمنتظره ای کشف کردیم که اگر از هوای حاوی 1 درصد Ar استفاده کنیم، سوپرفلورسانس آبشاری طول موج ها را تغییر می دهد. “تحقیقات بیشتر در مورد این اثر عجیب مکانیسم جدیدی را کشف کرد که انتقال انرژی تابشی از نیتروژن به Ar را تسهیل می کند.”
مکانیسم جدیدی که توسط جوشی و همکارانش کشف شد، لیزر دو طرفه، دو رنگ و آبشاری را در هوای اتمسفر ممکن می‌سازد. بنابراین، این مکانیسم می‌تواند راه‌های جدیدی را برای تولید لیزرهای هوای عقب‌افتاده، که یک هدف تحقیقاتی دیرینه در جامعه فیزیک بوده است، باز کند.
جوشی توضیح داد: از آنجایی که هوای محیط دارای اجزای متفاوتی است، ابتدا این مشکل را با ترکیب آرگون با اجزای مختلف هوای محیط بررسی کردیم، به عنوان مثال بیشترین و دومین ترکیب فراوان یعنی نیتروژن و اکسیژن. معلوم شد که اختلاط نیتروژن با آرگون همان نتایجی را نشان می‌دهد که استفاده از هوای محیط است در حالی که مخلوط کردن گازهای دیگر مانند اکسیژن یا هلیوم نتایج یکسانی را نشان نمی‌دهد. بنابراین، با این آزمایش مقایسه می‌توان نتیجه گرفت که منشاء لیزر هوا به دلیل جفت شدن بین آرگون و نیتروژن بود.”
جوشی و همکارانش همچنین نشان دادند که مولکول‌های N2 در حالت برانگیخته الکترونیکی، جذب غیرخطی 3 فوتونی را برای 261 نانومتر در فرکانس‌های کمی جابجا شده نسبت به Ar از خود نشان می‌دهند. این تغییر به عنوان حالت برانگیختگی بالایی برای سوپرفلورسانس آبشاری که تیم مشاهده کردند عمل می کند. در مقاله خود، محققان یک مدل نظری را معرفی می کنند که سوپرفلورسانس و مکانیسم های زیربنایی آن را توضیح می دهد.
میشا ایوانوف، یکی از نویسندگان مقاله، گفت: «جستجو برای لیزر بدون حفره کارآمد در هوای آزاد بیش از یک دهه است که ادامه دارد. “هدف کلیدی – و نسبتاً چالش برانگیز – دستیابی به لیزر در هر دو جهت است. یعنی شما می خواهید یک لیزر در هوا شلیک کنید و هوا را برای شلیک یک انفجار نور لیزر مانند به سمت شما دریافت کنید. این بسیار جالب خواهد بود. برای سنجش از راه دور مفید است، اما به طرز شگفت انگیزی جالب است.”
این مطالعه اخیر توسط نی، ایوانوف، جوشی و همکارانشان از یک مکانیسم ناشناخته با واسطه فوتون پرده برداری کرد که انرژی را از N2 به Ar منتقل می کند و در نهایت لیزر آبشاری دو طرفه را در هوای جوی امکان پذیر می کند. در آینده، این مکانیسم می‌تواند برای تحقق لیزرهای هوای عقب‌افتاده استفاده شود که می‌تواند فرصت‌های جدیدی را برای توسعه فناوری‌های سنجش از دور باز کند.
نی افزود: «برنامه ما برای تحقیقات آینده، بررسی بیشتر فیزیک دقیق این مکانیسم، مانند ضربان کوانتومی است. به بیان ساده، برانگیختگی همزمان سطوح چندگانه در Ar نوسانات چگالی بار وابسته به زمان را ایجاد می‌کند. این فرکانس‌های این نوسانات می‌توانند وجود سطوح ناشناخته قبلی نه تنها Ar، بلکه سطوح ارتعاشی-چرخشی نیتروژن را نیز آشکار کنند. فرآیند جفت تابشی
ما همچنین ایده هایی برای افزایش کارایی لیزر هوای معکوس داریم تا این تکنیک را به کاربردهای واقعی سنجش از دور نزدیکتر کنیم.”
