موفقیتی برای لیزر از راه دور در هوا

لیزر نیتروژن احتمالاً ساده‌ترین روش لیزر برای استفاده‌ی کاربران عادی است[1]. با استفاده از هوای معمولی و پالس ولتاژ بالای یک سیستم الکترودی می‌توان بدون نیاز به کاواک با تنظیم دقیق، یا هر نوع شیشه و کریستال آلائیده، تابش شبه لیزری ایجاد کرد که «اَبَرفلوئورسانس» نامیده می‌شود. در واقع تابش فلوئورسانس در هوا همدوس نیست و نمی‌توان آن را لیزر دانست اما تابشی مستقیم و تقویت شده است. لذا این اثر «لیزر هوا» air lasing برای حسگری اتمسفر از راه دور و رادار بر مبنای نور (که لیدار LIDAR نامیده می‌شود) مورد استفاده قرار گرفته است. در این کاربردها پالس لیزر –به جای پالس ولتاژ بالا- در اتمسفر بالایی یا در یک هدف دور ابرفلوئورسانس ایجاد می‌کند. با این وجود ثابت شده که لیزر هوا به طریق نوری بسیار دشوارتر از لیز نیتروژن با مبنای الکتریکی است. سال‌ها تحقیق و استفاده از روش‌های پیچیده با دمش لیزری، به قدر کافی برای اهداف عملی لیزر هوا تولید نکرده است. اکنون، الکساندر لارین Alexandre Laurain و همکارانش در کالج علوم اپتیکی در آریزونا، برای دستیابی به لیزر هوا از راه دور، روشی نوین و اساساً موثرتر ابداع کرده‌اند[2]. روش آن‌ها دو مرحله دارد: ابتدا لیزری مادون قرمز مولکول‌های هوا را می‌شکند و سپس یک پالس ماوراءبنفش اتم‌های حاصل شده را به ترازهایی از انرژی می‌برد که تابش فلوئورسانس ساطع کنند. این روش دو-رنگی منجر به خروجی لیزر بیشتری می‌شود و نسبت به روش‌های قبلی که در آن‌ها فقط از پالس UV استفاده می‌شد، می‌تواند با توان ورودی به مراتب کمتری کار کند.

از انگیزه‌های اصلی در ایجاد لیزر هوا از راه دور، بررسی ترکیب شیمیایی اتمسفر در محدوده‌ای از فواصل بزرگ است. به ویژه، آشکارسازی «سرد» گازهای مورد ردیابی برای مسائل امنیتی نظامی و فرودگاه‌ها و همچنین مطالعات محیطی با ارزش خواهد بود[3]. برای تعیین اجزاء هدف از راه دوری به اندازه‌ی چند متر تا چند کیلومتر، در عمل اغلب از روش LIDAR (تشخیص و مسافت یابی نوری) استفاده می شود. در این روش نور به سمت هدف هدایت شده و به آشکارسازی که در نزدیکی منبع اصلی قرار گرفته است باز می‌تابد. در سر راست‌ترین حالت، لیزر، اجزاء هدف را به حالت فلوئورسانس تحریک کرده و تابش فلوئورسانس بازپراکنده شده آشکارسازی می‌شود. اما با افزایش فاصله، تشخیص قابل اطمینان هم سخت‌تر می‌شود زیرا تابش فلوئورسانس تحریک شده با نور، به صورت همسانگرد است. یعنی تعداد فوتون‌هایی که به آشکارساز می‌رسد به صورت یک بر مجذور فاصله کم می‌شود. لذا برای هدف‌های دوری که اجزاء مورد نظر آن تراکم کمی داشته باشند، فلوئورسانس قابل آشکارسازی به سرعت در حد کمتر از تک فوتون افت می‌کند. لیزر هوا برای این مشکل امکان راه حلی را پیشنهاد می‌کند. لیزری به سمت اتمسفر نشانه‌گیری می‌شود و در آنجا یک «لیزر هوا» ایجاد می‌کند که در هر دو جهت جلو وعقب تابش دارد. رد مولکول‌ها در راستای مسیر پرتو عقبی لیزر، از ویژگی‌های جذبشان مشخص خواهد شد.

شکل 1- (تصویر بالا، چپ) لیزر هوا در روش دو-رنگ جدید با پالس مادون قرمزی آغاز می‌شود که به نمونه‌ای از هوا برخورد می‌کند. جذب چند فوتونی، مولکول‌ها بخصوص مولکول‌های نیتروژن را (که با آبی نشان داده شده‌اند) می‌شکند. (تصویر وسط، چپ) سپس اتم‌های نیتروژن حاصل، در معرض یک پالس ماوراء بنفش قرار می‌گیرند که آن‌ها را به حالت فلوئورسانس تحریک می‌کند (نمودار تراز در سمت راست را ببینید). (تصویر پایین، چپ) تابش ابرفلوئورسانس در جهت‌های جلو و عقب منتشر شده و می‌توان آن‌ را آشکارسازی کرد.

لیزر هوا به طریق نوری از بیش از یک دهه پیش آغاز شد[4]. گزارشات قبلی عمدتاً بر رشته سازی filamentation تکیه داشتند؛ یعنی پدیده ای که در اثر ایجاد تعادل بین اثرات اپتیک غیرخطیِ خود متمرکز و تشکیل پلاسما، نور را در یک کانال باریک نگه می‌دارد. این رشته‌ها را می‌توان کانال‌های پلاسمای ایجاد شده با نور دانشت که نتیجه‌ی آن کاهش ضریب شکست روی محور و هدایت نور مشابه با یک تار نوری است[5]. اولین سیستم لیز هوا از رشته‌های ماوراءبنفش استفاده می‌کرد که در آن مولکول‌های هوای درون رشته توسط نور UV به حالت تابش فلوئورسانس تحریک می‌شدند. کارهای بعدی در طی چند سال گذشته این تکنیک را بهبود دادند اما تا به حال گزارش تابش رو به عقب، که نیازمند آشکارسازهایی با تقویت کننده‌های فوتونی با حساسیت زیاد است، نسبتاً کم بوده است. ارائه آزمایشگاهی قانع کننده‌تری از لیزر هوا در 2010 توسط گروهی با استفاده از ایجاد رشته در ناحیه‌ی مادون قرمز با لیزر 4 میکرومتر (µm) گزارش شد که در مقایسه با سایر طول موج‌های برانگیختگی بهبود چشمگیری در لیز نیتروژن به وجود می‌آورد. اما این آزمایش‌ها به نیتروژن فشار بالا نیاز داشتند و نمیشد آن‌ها را به هوای اتمسفری تعمیم داد. حالا لارین و همکارانش، با پیروی از آزمایشات قبلی در مورد ایجاد رشته UV، روش برانگیختگی دو-رنگ کاملاً جدیدی را پیشنهاد کرده و مناسب بودن آن را برای افزایش قابل توجه بازده لیزر در هم نیتروژن و هم اکسیژن نشان داده‌اند[2].

در آزمایشات قبلی دمش ((pump ماوراء بنفش، همزمان برای دو منظور متفاوت به کار گرفته‌ می‌شد. اول جدا سازی، یعنی شکستن مولکول‌های نیتروژن یا اکسیژن به اتم‌های سازنده‌شان. دوم، دمش اتم‌های حاصل به ترازهای لیزری بالاترشان با استفاده از برانگیختگی دو فوتونی. مرحله دوم است که به لیزر UV عمیق با طول موج تنظیم شده بر روی گذار باریک نیتروژن در 211 نانومتر (nm) نیاز دارد. تولید نور nm 211عموماً شامل سه مرحله تبدیل غیرخطی است که نسبت به بازدهی آن بسیار پر خرج است: این کار چندین ژول انرژی ورودی می‌خواهد تا چند میلی ژول (mJ) نور لیزر درnm 211 به دست بدهد. از آنجا که طول موج دقیق این فوتون‌ها تنها برای دمش فرآیند لیزری در نیتروژن مهم است، بسیار موثر‌تر خواهد بود اگر دو مرحله را با استفاده از نور لیزر مادون قرمز (که در فرآیند تبدیل نور «دانه‌ای» seed light به لیزر ماوراءبنفش به دست می‌آید) از هم مجزا کرده و مولکول‌ها را از طریق فرآیندهای چند فوتونی در یک رشته‌ی مادون قرمز بشکنیم. این روشی است که لارین و همکارانش دنبال کرده‌اند. آن‌ها از پالس ‌های mj 500 از نور لیزر µm 1 را برای شکستن نمونه‌ای از هوای اتمسفری استفاده می‌کنند. سپس یک پالس نور ماوراءبنفش با طول موج مناسب را برای دمش اتم‌های هوا یا نیتروژن به کار می‌گیرند (شکل 1 را ببینید). با کمک این روش جدید دو-رنگ، لارین و همکاران او توانسته‌اند در نیتروژن اتمسفری، لیزر عقبی به اندازه‌ی 100 نانو ژول به دست بیاورند- یعنی افزایش 200 برابری نسبت به آزمایش‌های لیزر نیتروژن با استفاده از سایر روش‌های دمش انرژی در nm 211. افزایش کمترِ سه برابری برای اکسیژن اتمسفری با پمپ nm 226 دیده می‌شود. اما مهم‌تر از آن، به نظر می‌رسد هر و فرآیند لیز در روش دو-رنگ حد آستانه کمتری دارند. به عبارتی، پژوهشگران تابش لیز عقبی را حتی هنگامی که انرژی دمش ماوراء بنفش به خیلی کمتر از 100 میکرو ژول تقلیل داده شد هم مشاهده نمودند. برخلاف لیز‌های ارائه شده‌ی قبلی که با انرژی دمش ماوراء بنفش زیر حد آستانه‌ی چند میلی ژول لیزی دیده نمی‌شد. البته باید توجه داشت که روش لارین و همکارانش نیازمند فوتون‌های مادون قرمز با چند صد میلی ژول انرژی هم هست اما تولید آن‌ها خیلی کم هزینه‌تر از تولید فوتون‌های ماوراء بنفش است.

با وجود اینکه این نتایج در آزمایشگاه به دست آمده است، نویسندگان اثر معتقدند که شاید بتوانند لیز هوا را در فواصلی بزرگتر از 100 متر نیز ایجاد کنند. با فرض اینکه چنین چیزی به طور عملی ممکن باشد، باز هم کمتر از بازه‌های چند کیلومتری لازم برای آشکارسازی گازهای ردیابی شونده در اتمسفر بالاست. در عین حال، ارائه‌ی لارین قدم بزرگی در این راستا محسوب می‌شود. حتی اگر لیز هوا فقط به چند ده یا چند صد متر محدود باشد، دریچه‌ی تازه‌ای به کاربردهای جدید اسپکتروسکوپی سرد باز خواهد کرد. راه بالقوه جالبی که می‌توان ادامه داد، ترکیب روش‌های برانگیختگی ماوراء بنفش با منابع مادون قرمز ِ میانی حاصل از آزمایشاتی مانند مرجع[6] است. چنین ترکیبِ «رنگِ» نامتعارفی از ماوراء بنفشِ دور و مادون قرمزِ مشابه آن، ممکن است اسپکتروسکوپی سرد در اتمسفر دوردست را مقدور سازد.

psi.ir