اخبار اپتیک و فوتونیک

اخبار اپتیک و فوتونیک با مهندس شکوفه ساتری

تازه های دنیا لیزر و فوتونیک

الیاف فوق نازک برای اپتوژنتیک کم تهاجمی

ظهور اپتوژنتیک عصر جدیدی از علوم اعصاب را آغاز کرده است، زیرا به محققان اجازه می دهد نورون های خاصی را با نور در حیواناتی که آزادانه حرکت می کنند فعال یا مهار کنند. همراه با ضبط‌های الکتروفیزیولوژیکی، ابزارهای اپتوژنتیک می‌توانند تعاملات پیچیده بین نورون‌ها را در طول عملکردهای روزمره و همچنین در شرایط بیماری آشکار کنند.

فیبرهای نوری برای اپتوژنتیک معمولاً دارای سطح مقطع چند مرتبه بزرگتر از یک الکترود سیمی یا سلول مغزی هستند که می تواند به نورون های ثبت شده آسیب برساند و در نتایج تجربی تداخل ایجاد کند. اکنون، محققان آلمانی یک ساختار بهبود یافته بر اساس فیبرهای نوری فوق نازک ایجاد کرده اند که کمترین اختلال را در بافت مغز اطراف ایجاد می کند 

فیبرهای نوری به اندازه سلول

یک رویکرد رایج برای ترکیب دستکاری اپتوژنتیک و ضبط های الکتروفیزیولوژیکی استفاده از فیبر نوری با قطر بزرگ است که بافت ظریف اطراف الکترود را روشن می کند. با این حال، چنین الیاف حجیم نه تنها تعداد کانال‌های روی سر حیوان را محدود می‌کنند، بلکه می‌توانند بر کیفیت ضبط به دلیل تداخل فتوشیمیایی و الکترومغناطیسی، اثرات فتوولتائیک و آسیب‌های مکانیکی هنگام کاشت تأثیر منفی بگذارند.

نویسنده اول، دیوید اریکسون از آزمایشگاه اپتوفیزیولوژی در دانشگاه فرایبورگ آلمان گفت: «ضبط همزمان در مقیاس بزرگ و مداخلات اپتوژنتیک ممکن است کلید رمزگشایی گفتگوی سریع و چندوجهی بین نورون‌ها باشد که عملکرد مغز را حفظ می‌کند. "در حالی که الکترودها از تک سیم تا صدها کانال ضبط و کاهش سطح مقطع پیشرفت زیادی داشته اند، فیبرهای نوری از نظر اندازه و تعداد کانال های تحریک اصلاح نشده اند."

برای کاهش این مشکلات، اریکسون و همکارانش تصمیم گرفتند یک فیبر نوری ضخیم را با چندین فیبر نوری فوق نازک به اندازه سلول جایگزین کنند که الکترود را احاطه کرده است. در این فرآیند، آنها باید یک چارچوب نوری کاملاً جدید ایجاد می‌کردند - که آن را انتشار نور فیبر ذوب شده و ضبط خارج سلولی (FFLEXR) نامیدند - که همچنان امکان ضبط و تحریک را در یک حیوان آزادانه در حال حرکت می‌داد.

تحریک عصبی موفق

FFLEXR از الیاف بسیار نازک با قطر بیرونی و هسته به ترتیب 30 و 24 میکرون استفاده می کند که می توانند برای کاشت به هر پروب سیلیکونی متصل شوند. بر خلاف الیاف ضخیم سنتی با قطر هسته 200 میکرون، الیاف FFLEXR بسیار منعطف با شعاع خمشی بسیار کوچک‌تر هستند و به حیوانات اجازه می‌دهند بدون محدودیت حرکت کنند. راه اندازی آزمایشی همچنین شامل یک رابط فیبر ماتریس سبک وزن، یک کموتاتور نوری برای تحریک کارآمد چند کاناله و یک کابل پچ همه منظوره است.

ایلکا دیستر، نویسنده ارشد، همچنین از آزمایشگاه اپتوفیزیولوژی در دانشگاه فرایبورگ، گفت: «رویکرد جایگزین ما انعطاف‌پذیری برای اعمال هر طول موج دلخواه از طریق یک منبع نور قابل تعویض خارجی و فعال کردن تحریک اپتوژنتیک در اعماق مختلف بافت مغز را حفظ می‌کند.

محققان سیستم خود را با انجام همزمان دستکاری اپتوژنتیک، ضبط الکتروفیزیولوژیک و بازخوانی رفتاری در موش‌ها و موش‌های صحرایی که آزادانه حرکت می‌کنند، تأیید کردند. در هر دو مورد، حیوانات با چندین فیبر نوری بسیار نازک با حداقل تهاجم و همچنین پروب های آرام برای ضبط خارج سلولی با کیفیت بالا کاشته شدند. در نهایت، هدف آنها گسترش FFLEXR برای دستیابی به ضبط سطح کل مغز و تحریکات اپتوژنتیک است.

اریکسون می‌گوید: «استفاده آینده از این سیستم می‌تواند ثبت فعالیت عصبی از آن فیبرها باشد. این می‌تواند راهی برای مطالعه سیگنال‌های تعدیل‌کننده عصبی با تفکیک فضایی باشد، که به نوبه خود برای درک انواع مختلف بیماری‌ها حیاتی هستند.

مجله فوتونیک پیشرفته

Advanced Photonics که توسط SPIE و چاپ لیزری چینی منتشر شده است، یک مجله بین المللی بسیار گزینشی، با دسترسی باز و منتشر کننده تحقیقات نوآورانه در همه زمینه های اپتیک و فوتونیک، از جمله تحقیقات بنیادی و کاربردی است.

روی جلد: تصویر بر اساس تحقیقات ارائه شده در مقاله "Mechanically reprogrammable Pancharatnam–Berry metasurface for microwaves" است.

Metasurface Pancharatnam–Berry قابل برنامه ریزی مجدد مکانیکی برای مایکروویو

تصویری از یک جفت کاوشگر-دسته در حال نمونه برداری از پلاسمای مختل شده توسط دسته اصلی

برای این کار، محققان از شتاب دهنده خطی ابررسانا در تاسیسات FLASH DESY استفاده کردند. این دستگاه عمدتاً به عنوان منبع الکترون برای لیزر الکترون آزاد در طول موج‌های نرم پرتو ایکس استفاده می‌شود، اما برخی از خروجی‌های آن در عوض توسط یک خط پرتو به نام FLASHForward که یک سلول پلاسما را برای مطالعات میدان بیداری پلاسمایی مبتنی بر پرتو در خود جای داده است، استفاده می‌شود. آزمایش.

آزمایش در این مورد شامل یونیزه کردن یک لوله مویین پر از گاز آرگون و سپس شلیک سه دسته الکترون به داخل پلاسمای حاصل بود. ایده این بود که تأثیر میدان بیداری ایجاد شده توسط دسته اول را بر روی دو دسته آخر، با فاصله نزدیک، اندازه گیری کنیم. با جلوتر بودن دسته پیشرو، تأثیر آن بر پلاسما قبل از عبور دو دسته دیگر از بین می‌رود. در غیر این صورت اغتشاش آن بر توانایی دسته دوم برای شتاب بخشیدن به دسته سوم با میدان بیداری خاص خود تأثیر می گذارد.

کشف حداکثر میزان تکرار

D'Arcy، Osterhoff و همکارانش از عملیات فرکانس بالا FLASH برای تغییر دقیق تاخیر بین دسته ها استفاده کردند و سپس از یک آهنربای دوقطبی جلوتر از صفحه سوسوزن برای اندازه گیری توزیع فضایی و طیف انرژی هر سه دسته در حین بیرون آمدن از مویرگ استفاده کردند. لوله آن‌ها دریافتند که طیف و چگالی بار دسته‌های دنباله‌دار تا زمانی که حداقل 63 ns از دسته اصلی عقب باشند، در زمان ثابت می‌مانند. در مقابل، هنگامی که آنها نزدیکتر شدند، پارامترهای اندازه گیری شده آنها شروع به نوسان کرد.

با مقایسه این نتایج تجربی با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری کانال پلاسما، محققان به این نتیجه رسیدند که این تأخیر نشان‌دهنده زمان مورد نیاز برای بازگشت پلاسما به حالت اولیه‌اش پس از اختلال در پالس پیشرو است. این به معنای حداکثر سرعت تکرار در حدود 15 مگاهرتز است، که به گفته آنها، به طور بالقوه یک دستگاه پلاسما را قادر می‌سازد تا به انتهای یک شتاب‌دهنده با سرعت بالای تکرار موجود اضافه شود تا انرژی شتاب‌دهنده دومی افزایش یابد.

با این حال، همانطور که محققان اشاره می‌کنند، این حد بالای نظری لزوماً به معنی نرخ تکرار بالا در عمل نیست. هر دو شتاب دهنده پلاسمای لیزری و ذرات محور به طور بالقوه توسط گرمای تولید شده به عنوان الکترون های درون پلاسما به دیواره های لوله مویین انرژی محدود می شوند. این گرما می تواند بر روند شتاب تأثیر بگذارد و همچنین به لوله آسیب برساند.

تعیین میزان چنین اثرات گرمایی یکی از اهداف آزمایش‌های آینده خواهد بود که توسط محققان FLASHForward انجام می‌شود. D'Arcy می گوید، آنها همچنین قصد دارند بررسی کنند که چگونه می توان کیفیت پرتوهای ذرات ورودی را حفظ کرد و همچنین اطمینان حاصل کرد که فرآیند شتاب تا حد ممکن از نظر انرژی کارآمد است - هر دو "هدف اساسی"، اگر فناوری پلاسما می خواهد کاربرد معنی داری پیدا کند. در منابع نوری آینده و برخورد دهنده های ذرات.

بازیابی شتاب دهنده پلاسما در ده ها نانوثانیه

دو سلول پلاسما FLASHForward. سلول ها با گاز آرگون پر شده اند که می تواند با تخلیه الکتریکی با ولتاژ بالا یونیزه شود و پلاسما تشکیل دهد. همانطور که پلاسما دوباره ترکیب می شود، نوری در محدوده طول موج آبی ساطع می کند. سپس سلول ها را می توان برای شتاب پلاسمایی دسته های الکترونی در گرادیان های شتاب دهنده گیگاولت بر متر استفاده کرد.

فناوری پلاسما این نوید را دارد که می‌تواند ذرات باردار را تا انرژی‌های بسیار بالا در فواصل بسیار کوتاه شتاب دهد - و بنابراین با هزینه‌های بسیار کمتر از امکانات امروزی در مقیاس کیلومتر. اما برای اینکه واقعاً کاربردی باشند، چنین دستگاه هایی باید نرخ تکرار خود را چندین مرتبه افزایش دهند.

محققان در آزمایشگاه DESY در آلمان، برای اینکه بفهمند این شتاب‌دهنده‌ها با چه سرعتی اصولاً می‌توانند کار کنند، مدت زمانی را که یک پلاسما طول می‌کشد تا حالت اولیه خود را پس از عبور یک پرتو ذرات با سرعت بالا، یک میدان بیداری در آن ایجاد کند، اندازه‌گیری کرده‌اند. نتیجه آنها: چند ده نانوثانیه - به اندازه کافی کوتاه برای برآوردن فرکانس های مگاهرتز مورد نیاز برای سخت ترین برخورد دهنده های ذرات و منابع نور (Nature, doi: 10.1038/s41586-021-04348-8).

شتاب دهنده در حال ظهور

شتاب‌دهنده‌های ویک‌فیلد پلاسما می‌توانند با شلیک پالس‌های لیزری بسیار شدید یا دسته‌های ذرات به داخل پلاسما و ایجاد نوسانات در الکترون‌های پلاسما در پشت آنها، گرادیان‌های میدان الکتریکی تا چندین گیگا ولت بر متر ایجاد کنند. ذرات باردار یا از داخل خود پلاسما یا تزریق شده از خارج می توانند مانند موج سواران روی موج آب در این مسیر حرکت کنند تا انرژی های بسیار بالایی را تنها در چند سانتی متر به دست آورند (به «گشت و گذار در ویکفیلد»، OPN، فوریه 2022 مراجعه کنید).

این شیب‌ها بسیار بالاتر از آن‌هایی هستند که در شتاب‌دهنده‌های معمولی مبتنی بر حفره‌های فرکانس رادیویی (RF) که سطوح آن‌ها بیش از یک قدرت میدان مشخص شروع به شکستن می‌کنند، بسیار بالاتر است. به این ترتیب، دانشمندان در تلاش برای توسعه شتاب‌دهنده‌های مبتنی بر پلاسما برای برخورددهنده‌های ذرات باریک (مانند نسل بعدی ماشین‌های الکترون-پوزیترون)، و برای استفاده از لیزرهای الکترون آزاد (FELs) برای استفاده در تحقیقات، صنعت و پزشکی هستند. و به طور بالقوه می تواند در محوطه دانشگاه ها یا بیمارستان های فردی مستقر شود.

با این حال، میزان تکرار همچنان یک مانع بزرگ است. درخشندگی لازم برخورددهنده های ذرات و درخشندگی FEL ها مستلزم آن است که پالس های لیزری یا دسته های ذرات محرک یک شتاب دهنده پلاسما هزاران یا حتی میلیون ها بار در ثانیه تولید شوند. در مقابل، دستگاه‌های wakefield که تا به امروز توسعه یافته‌اند، معمولاً بیش از چند هرتز کار نمی‌کنند.

شلیک دسته های الکترونی

در آخرین کار، محققان مستقر در آلمان و بریتانیا، به رهبری ریچارد دارسی و ینس اوسترهوف در DESY، تصمیم گرفتند تا مشخص کنند که ذرات محرک میدان بیداری تا چه مدت پلاسما را مختل می کنند. برخلاف امواج الکترومغناطیسی با عمر طولانی در یک حفره RF، میدان ویکفیلد پلاسما تنها پس از چند نوسان از بین می‌رود و بنابراین باید برای هر دسته ذرات شتاب‌دار جدید دوباره ایجاد شود. بنابراین زمان مورد نیاز برای بازگرداندن پلاسما به حالت اولیه خود، حد بالایی را بر نرخ تکرار شتاب دهنده تحمیل می کند.

هدایت حرارتی کاوشگر لیزری در خوشه‌های کهکشانی

سمت چپ: عکس هدف دینام متلاطم مستقر در تأسیسات احتراق ملی (NIF). هدف آزمایشی شامل دو فویل و یک جفت شبکه است که توسط سپرهای استوانه‌ای در کنار هم نگه داشته می‌شوند. هر هدف تقریباً به اندازه یک پنی است. سمت راست: تصویر پرتو ایکس از پلاسمای آشفته تولید شده در آزمایش‌ها، که در 28 ns پس از شلیک لیزر گرفته شده است. پلاسمای داغ پرتوهای ایکس نرمی ساطع می‌کند که محققان را قادر می‌سازد ویژگی‌های جریان آشفته را مشخص کنند و نوسانات دمای الکترون را که سرکوب شدید انتقال گرما را آشکار می‌کند، اندازه‌گیری کنند.

پلاسمای داغ، متلاطم و ضعیف، خوشه‌های کهکشانی غول‌پیکری را پر می‌کند که در مناطق بزرگی از کیهان امتداد دارند، اما دانشمندان هنوز نمی‌دانند چنین مناطقی چگونه گرمای خود را حفظ می‌کنند. یک تیم بین المللی از محققان بخشی از قدرتمندترین تاسیسات لیزری جهان را برای بازسازی شرایط شدید درون این خوشه ها به کار گرفتند.

با تولید یک میدان پلاسمایی کوچک اما متلاطم در مرکز مرکز احتراق ملی (NIF)، ایالات متحده، دانشمندان دریافتند که انتقال گرما در داخل پلاسما بسیار کمتر از حد انتظار است (Sci. Adv., doi: 10.1126/sciadv.abj6799) . محققان کشف کردند که الکترون‌های درون پلاسما در امتداد خطوط میدان مغناطیسی درهم‌پیچیده به جای برخورد با یکدیگر حرکت می‌کنند، بنابراین گرما بدون فرار باقی می‌ماند.

کاوش در شرایط اخترفیزیکی

بر اساس وب سایت آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور که NIF را در خود جای داده است، اگرچه اشتعال همجوشی هیدروژنی هدف اصلی NIF است، اخترفیزیکدانان همچنین می توانند با سیستم لیزر زمان آزمایشی برای کشف فیزیک پلاسماهای موجود در ستاره ها و سایر اجرام نجومی داشته باشند.

NIF دارای 192 لیزر شیشه ای فسفات قدرتمند است که با شلیک با هم، تا 2 مگا ژول انرژی متمرکز روی یک هدف کوچک تولید می کنند. با این حال، به گفته جیانلوکا گرگوری، محقق اصلی آزمایش خوشه کهکشانی، ماکت پلاسما تنها به کمی بیش از نیمی از زرادخانه لیزر NIF نیاز داشت. گرگوری، استاد فیزیک توضیح می‌دهد: «NIF برای استفاده از تمام 192 پرتو برای آزمایش‌های همجوشی طراحی شده است - اما آزمایش ما از جهت‌گیری هدف متفاوتی استفاده می‌کند و بنابراین همه پرتوها دید واضحی از فویل‌ها (یا کپسولی) ندارند که می‌خواهیم آنها را روشن کنیم. در دانشگاه آکسفورد انگلستان

دستگاهی که عمل پلاسما در آن انجام شد شامل دو دیسک نازک بود که توسط دو شبکه پلاستیکی و یک کپسول پر از گاز متصل شده بودند. محققان این دو دیسک را با 96 پرتو لیزر 351 نانومتری با فرکانس سه برابری منفجر کردند. شبکه‌ها با سیم‌های 300 میکرومتری با فاصله 300 میکرومتر از هم، آشفتگی را در داخل کپسول ایجاد کردند.

پس از پر کردن کپسول با مخلوطی از گازهای دوتریوم و هلیوم-3، دانشمندان با 60 پرتو لیزری با فرکانس سه برابری به آن برخورد کردند که حدود 43 کیلوژول را تنها در 900 ps ارسال می کرد. چهار پرتوی لیزر دیگر به عنوان یک کاوشگر پراکنده نوری تامسون برای اندازه‌گیری چگالی الکترون متوسط ​​در پلاسمای ایجاد شده به طور مختصر عمل کردند. (در برخی از آزمایش‌های آزمایشی، تیم آن کاوشگر را با یک سیستم پراکنده برگشتی جایگزین کرد که نور منعکس شده از آن چهار پرتو را اندازه‌گیری کرد تا سرعت آشفته در پلاسما را کمی‌سازی کند.)

گرگوری می‌گوید: اگرچه محققان قبلاً از تأسیسات لیزر OMEGA در دانشگاه روچستر ایالات متحده استفاده کرده بودند، گرگوری می‌گوید که این گروه به انرژی مورد نیاز NIF برای تولید سرعت‌های الکترونی بزرگ که منجر به تلاطم شدید و میدان‌های مغناطیسی در پلاسما می‌شود، نیاز داشتند. دانشمندان از FLASH، یک بسته محاسباتی از روچستر، برای طراحی پیکربندی آزمایشی و تفسیر نتایج استفاده کردند.

با وجود تفاوت‌های بزرگ در مقیاس بین یک خوشه کهکشانی و یک کپسول با قطر 860 میکرومتر، گرگوری مطمئن است که میکروفیزیک هر دو مشابه است. او می‌گوید: «عامل مهم در اینجا، نسبت مسیر آزاد میانگین برخورد به شعاع لارمور است. اولی فاصله بین دو برخورد است و دومی مدار دایره ای است که یک الکترون به دور یک خط میدان مغناطیسی می کند.

گرگوری می‌گوید در هر دو خوشه کهکشانی و در مرکز NIF، این نسبت بزرگ است - به این معنی که الکترون‌ها در اطراف خطوط میدان حرکت می‌کنند و با هم برخورد نمی‌کنند. از آنجایی که الکترون ها با هم برخورد نمی کنند، گرما را نیز به خوبی هدایت نمی کنند.

شبیه سازی های چند ماهه

به گفته گرگوری، تیم از زمان افتتاح NIF در سال 2010 روی این آزمایش‌ها کار کرده است. تیم گرگوری به دنبال زمان NIF بیشتری است تا بفهمد ذرات پرانرژی مانند پرتوهای کیهانی چگونه در پلاسمای داغ و پراکنده عمل می کنند.

این تیم شامل دانشمندانی از دانشگاه های شیکاگو، روچستر، پرینستون و استنفورد، ایالات متحده است. آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور؛ و از بریتانیا، فرانسه، آلمان و جمهوری کره.

جذب دو فوتون و انتشار تحریک شده در سلنید روی پلی کریستالی با تحریک لیزر فمتوثانیه

در یک انتشار جدید از Opto-Electronic Advances، نویسندگان گروه مهندسی لیزر در دانشکده مهندسی دانشگاه لیورپول، لیورپول، بریتانیا، جذب دو فوتون و انتشار تحریک شده در سلنید روی پلی کریستالی با تحریک لیزر فمتوثانیه را مورد بحث قرار دادند. .

سلنید روی (ZnSe) یک ماده نوری جذاب، نیمه هادی است که از طیف مرئی تا مادون قرمز دور شفاف است، به عنوان مثال به عنوان پنجره در دوربین های حرارتی حسگر حرارت استفاده می شود. در صورت دوپ شدن، تک کریستال ZnSe اساس دیودهای ساطع کننده نور است. با این حال، خواص نوری آن با شدت نور فرودی متفاوت است - که به آن پاسخ غیر خطی می گویند. این حساسیت مطالعه کنونی را هدایت کرده است که در آن قرار گرفتن در معرض پالس های لیزر 200 فمتوثانیه (2×10-13 ثانیه) در مادون قرمز نزدیک در 775 نانومتر باعث انتشار فلورسانس آبی شدید و زیبا می شود - از طریق فرآیندی به نام جذب 2 فوتونی که در آن جذب همزمان دو فوتون با انرژی کم در 775 نانومتر، الکترون‌ها را به سطوح بالاتری خارج می‌کند، جایی که پس از چند نانوثانیه، فوتون‌های فلورسنت آبی با انرژی بالا (460 تا 500 نانومتر) گسیل می‌شوند.

ماده مورد مطالعه در اینجا ZnSe چند کریستالی است - به راحتی در دسترس است، هنوز بسیار خالص و بسیار ارزان تر از مواد تک کریستال است. همچنین مشخص شد که ضریب جذب دو فوتون (b) با شدت تغییر می‌کند و با استفاده از تکنیک Z-scan اندازه‌گیری می‌شود که در آن یک نمونه نازک از ZnSe از طریق یک پرتو لیزر با تمرکز ضعیف در حین اندازه‌گیری تغییر در انتقال منتقل می‌شود. این تغییر در b همچنین استنباط می‌کند که جذب متوالی فوتون (یا جذب حالت برانگیخته) در طول قرار گرفتن در معرض لیزر صورت می‌گیرد و به آن جذب اشباع معکوس می‌گویند. در شدت اوج پایین I < 5 GW cm-2، b = 3.5 سانتی متر GW-1 را در 775 نانومتر اندازه گیری کردیم، مطابق با تحقیقات دیگر - با افزایش شدت به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

فلورسانس آبی شدید مشاهده شده ما را تشویق کرد تا در نظر بگیریم که آیا در شدت فوق العاده بالا، انتشار تحریک شده می تواند در ZnSe پلی کریستالی با جذب دو فوتون در 775 نانومتر القا شود یا خیر. این قبلا در ZnSe تک کریستالی مشاهده شده است. از آنجایی که طول عمر فلورسانس 3.3 ns اندازه گیری شد، یک نمونه نازک به ضخامت 0.5 میلی متر در یک حفره نوری کوتاه (10 سانتی متر) نصب شد که بازخورد ارائه می کرد. انتشار تحریک شده در واقع با باریک شدن خط قابل توجهی از پهنای باند Dl = 11 نانومتر (حفره مسدود شده) به Dl = 2.8 نانومتر در حداکثر طول موج lp = 475 نانومتر تأیید شد در حالی که طول عمر حالت فوقانی نیز کاهش یافت. این اولین مشاهده گزارش شده از انتشار تحریک شده در مواد پلی کریستالی است. این نتایج نشان می‌دهد که با شرایط پمپاژ بهینه‌تر و خنک‌سازی کریستالی، ZnSe پلی کریستالی ممکن است از طریق پمپاژ دو فوتون در طول موج ۷۷۵ نانومتر به آستانه لیزر برسد.

سرپرستی گروه مهندسی لیزر در دانشکده مهندسی دانشگاه لیورپول بر عهده پروفسور جف دیردن، متخصص لیزر و فوتونیک است. طی چندین سال، برهمکنش‌های مواد لیزری فوق سریع (با استفاده از پالس‌های فمتوثانیه و پیکوثانیه) با استفاده از، به عنوان مثال فرسایش لیزری برای تولید ریزساختارهای سطح پیچیده دوره‌ای (پیچ کمتر از 1 میلی‌متر) با استفاده از تکنیک‌های نوری پیشرفته و لیزر مورد مطالعه قرار گرفته است. مهندسی تیر بر روی فلزات، پلیمرها و نیمه هادی ها. چنین ساختارهایی در کنترل آب گریزی سطح، پاسخ ضد باکتری، علامت گذاری امنیتی و ریزساختار دقیق اجزای با ارزش بالا برای بخش هایی مانند هوافضا کاربرد دارند. با پالس‌های فمتوثانیه، پلیمرهای شفاف (PMMA) و دی‌الکتریک‌هایی مانند یاقوت کبود از طریق پرتوهای موازی و جذب چند فوتونی با سرعت بالا ساختار داخلی میکرو ساختار یافته‌اند. مهندسی ضریب شکست دوره‌ای حاصل می‌تواند توری‌های Bragg حجمی با کیفیت بالا و با راندمان بالا ایجاد کند که در تحلیل طیفی و ایجاد حسگرهای دمای بالا برای محیط‌های شدید (موتورهای هوا) مفید است.

اخبار اپتیک و فوتونیک

اخبار اپتیک و فوتونیک 

در سایت سپنتالیزراسپادان

یک سوئیچ مغناطیسی برای لیزرهای پلاسمونیک

نانولیزرهای پلاسمونیک، که برای اولین بار در سال 2009 توصیف شد، در حال حاضر در طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی و سایر حسگرهای زیستی استفاده می‌شوند. اکنون یک تیم تحقیقاتی در فنلاند با اختراع یک کلید روشن و خاموش مغناطیسی برای چنین نانولیزرهایی این فناوری را بیشتر بهبود بخشیده است.

دانشمندان دانشگاه آلتو فنلاند، فلزات نجیب مورد استفاده در اکثر نانولیزرهای پلاسمونیک قبلی را با نقاط ریز ساخته شده از دو فلز با واکنش های قوی تر به میدان های مغناطیسی خارجی جایگزین کردند. نوع جدید کنترل می تواند منجر به پردازش بهتر سیگنال روی تراشه و اکتشافات جدید در زمینه فوتونیک توپولوژیکی شود.

نحوه عملکرد نانولیزر

تیم آلتو چندین آرایه دوره‌ای از نانو نقطه‌ها را بر روی زیرلایه‌ای از طلا و یک عایق دی اکسید سیلیکون ساخت. به‌جای ساختن نقطه‌ها از طلای دفع‌کننده مغناطیس، محققان برج‌های استوانه‌ای از لایه‌های نازک متناوب پلاتین و کبالت به قطر 220 نانومتر و ارتفاع 68 نانومتر ساختند. (پلاتین پارامغناطیس است، در حالی که کبالت فرومغناطیسی است.) شبکه ها دارای تناوب 590 نانومتر در هر دو جهت x و y برای آرایه های مربعی و 520 تا 540 نانومتر در جهت y برای آرایه های مستطیلی بودند.

در طول ساخت، دانشمندان نانو نقطه ها را در محلول رنگ لیزری مادون قرمز به نام IR-140 غوطه ور کردند. این تیم یک آرایه را با تحریک آن با پالس‌های 200 fs دایره‌ای چپ یا راست تابش 800 نانومتری به لیزر تبدیل کردند. حداکثر طول موج نور خروجی تقریباً 890 نانومتر بود.

Päivi Törmä، فیزیکدانی که سرپرست گروه دینامیک کوانتومی آلتو است، می‌گوید: «این لیزرهای پلاسمونیک از بسیاری جهات مانند یک لیزر معمولی عمل می‌کنند. "محیط افزایش، مولکول های رنگ در یک محلول است که نزدیک به آرایه قرار می گیرد، و "رزوناتور" وجود یک لبه نواری است که بازخورد را ارائه می دهد (این اصل مشابه چیزی است که به طور گسترده در لیزرهای بازخورد توزیع شده معمول استفاده می شود) "

هنگامی که محققان میدان مغناطیسی را معکوس کردند، دریافتند که آستانه و شدت لیزر بسته به جهت مغناطیسی تغییر می کند. در واقع، در یک جریان پمپ درست بالاتر از آستانه لیزر، تیم گزارش می‌دهد که می‌تواند شدت لیزر را تا 75 تا 90 درصد با کلیدزنی مغناطیسی تعدیل کند و به طور موثر یک کلید روشن و خاموش ایجاد کند.

یک پلت فرم توپولوژیکی-فوتونیکی؟

با بررسی تأثیر سوئیچینگ مغناطیسی بر رفتار لیزر، این تیم همچنین شواهدی از تقسیم بین دو حالت لیزر کایرال مخالف را مشاهده کردند. طبق این مقاله، این نوع تقسیم توسط شکست تقارن معکوس زمانی (یعنی جهت مغناطیسی) "در ایجاد سیستم های توپولوژیکی غیر پیش پا افتاده ضروری است."

آنالوگ های فوتونیک به اصطلاح عایق های توپولوژیکی در فیزیک ماده متراکم موضوعی داغ برای چندین سال بوده است (به «سیستم های فوتونیک توپولوژیکی»، OPN، می 2018 مراجعه کنید). تصور می‌شود که فوتونیک توپولوژیک می‌تواند به طور بالقوه انواع جدیدی از پردازش سیگنال و سایر کاربردهایی را که در برابر بی نظمی، نقص‌های مواد و اختلالات خارجی مقاوم هستند، اجازه دهد. و گروه Aalto فکر می‌کند که نانولیزرهای کنترل‌شده مغناطیسی آنها می‌تواند «سکوی هیجان‌انگیزی» برای مطالعه چنین اثرات توپولوژیکی باشد.

تورما می‌گوید: «حالت‌های کایرال و سایر اثرات کایرالی که می‌بینیم، تأثیر قوی شکست تقارن معکوس زمانی را که مغناطش ذرات ایجاد می‌کند، منعکس می‌کند، و این شکست تقارن، همراه با هندسه شبکه مناسب، می‌تواند بعداً برای تولید سیستم‌های توپولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد.» می گوید. مهم است که وجود ساختار آرایه و حالت‌های شبکه مربوطه در کار ما برای تقویت اثرات مورد انتظار مغناطیسی یافت شد - این قابل توجه است و نوید مطالعات توپولوژیکی را در آینده می‌دهد.

تورما تاکید می کند که او و همکارانش هنوز به لیزر غیر متقابل دست نیافته اند، که زمانی رخ می دهد که تقارن معکوس زمانی سیستم شکسته شود. با این حال، او می گوید، احتمالاً می توان آن را در تغییرات آینده در این نوع نانولیزر مشاهده کرد.

پیگیری درخواست ها

قدم بعدی تورما و همکارانش ساختن سیستم های فوتونیک توپولوژیکی واقعی است. او می گوید: «سوئیچینگ مغناطیسی را می توان به عنوان مکانیزم کنترلی در هر نانولیزر پلاسمونیکی از این نوع استفاده کرد. "اگر کسی شروع به دنبال کردن چنین برنامه هایی کند، آنها می توانند ظرف چند سال قابل اجرا باشند، زیرا این فناوری در حال حاضر روی تراشه است."

به گفته تورما، بزرگترین مانع در دستیابی به چنین نانولیزرهای یکپارچه در کاربردهای واقعی، دستیابی به یک سیستم پمپاژ الکتریکی به جای پمپ نوری خواهد بود. با این حال، اگر این کار محقق شود، او تعدادی استفاده بالقوه را برای این لیزرهای کوچک و سوئیچ مغناطیسی متصور است. به عنوان مثال، نانولیزرهای پلاسمونیک را می توان در سنجش استفاده کرد، زیرا پدیده لیزر حتی تغییرات کوچکی را در ساختار حالت (ناشی از چیزی که فرد می خواهد تشخیص دهد) را تقویت می کند.

دانشمندان اتم های سرد را فراتر از حد پراش تصویر می کنند

فیزیکدانان در چین نشان داده اند که چگونه می توان از یک اتم سرد با وضوح فراتر از حد پراش و در مقیاس های زمانی تنها چند ده نانوثانیه تصویربرداری کرد. آنها می گویند طرح میکروسکوپی جدید آنها باید در آینده به دانشمندان اجازه دهد تا خواص مکانی و دینامیکی سیستم های اتم سرد را با دقت بسیار بالا بررسی کنند.

تعقیب اتم های سرد

اتم‌های سرد، چه به شکل گازها و چه به صورت ذرات خنثی یا باردار، به عنوان پایه‌ای برای فناوری‌های کوانتومی مانند محاسبات، شبیه‌سازی و سنجش، نوید زیادی دارند. اما بهره برداری از آنها متکی بر به دست آوردن اطلاعات مستقیم در مورد انتقال اتم ها، همبستگی ها و سایر خواص است که به نوبه خود به توانایی تشخیص و تصویربرداری از ذرات منفرد بستگی دارد. تعدادی از تکنیک های میکروسکوپ برای انجام این کار توسعه داده شده است، اما وضوح این روش ها محدود شده است که بهتر از حد پراش نوری نباشد.

در عین حال، شیمیدانان و زیست شناسان از طیف وسیعی از تکنیک های میکروسکوپ با وضوح فوق العاده برای بررسی واکنش های شیمیایی و سایر فرآیندها در مقیاس نانومتری استفاده می کنند. یکی از این روش‌ها، که به عنوان میکروسکوپ کاهش انتشار تحریک‌شده (STED) شناخته می‌شود، شامل استفاده از دو لیزر جداگانه برای تولید فلورسانس از فلوروفورها در یک منطقه بسیار کوچک است. یکی از لیزرها فلورسانس را شروع می کند و دیگری آن تابش را در تمام منطقه به جز یک ناحیه مرکزی کوچک غیرفعال می کند - که وضوحی برتر از آنچه که با لیزر اول به تنهایی به دست می آید را ممکن می کند.

فیزیکدانان همچنین از این تکنیک برای تصویربرداری از سیستم‌های کوانتومی مانند مجموعه‌ای از اسپین‌ها در مواد حالت جامد یا یون‌های منفرد استفاده کرده‌اند. علاوه بر این، برخی شروع به استفاده از آن با اتم های سرد کرده اند. با این حال، تا به حال، هیچ کس از این تکنیک برای تشخیص یک چنین اتمی در وضوح کمتر از حد پراش استفاده نکرده بود.

فرآیند سه مرحله ای

در آخرین کار، Guang-Can Guo و همکارانش در دانشگاه علم و صنعت چین در Hefei نشان می‌دهند که چگونه می‌توان از یک یون سرد با ترکیب STED با کنترل گذار حالت کوانتومی تصویربرداری کرد. تنظیم آنها شامل محدود کردن یون ایتربیوم-171 در یک تله فرکانس رادیویی و قرار دادن آن در معرض سه پرتو لیزر است. پرتوهای استوانه‌ای "آغاز" و "تشخیص" از طریق پنجره‌های جانبی در محفظه خلاء اطراف (که در معرض میدان مغناطیسی نیز قرار دارد) وارد تله می‌شوند. در مقابل، یک پرتو "تخلیه" به شکل دونات، از بالا وارد می شود - که توسط یک عدسی روی یک نقطه کوچک در داخل تله متمرکز می شود.

فرآیند تصویربرداری بر سه مرحله متکی است. اول، پرتوی اولیه، اسپین هسته ای یون را قطبی می کند و ذره را در دو حالت اسپین ممکن پایین می گذارد. در مرحله بعد، پرتو تخلیه یون را به حالت اسپین بالاتر حرکت می دهد - با این فرض که پرتو در حال تماس با یون است. سپس مرحله آخر فوتون‌های پرتو تشخیص را می‌بیند که اگر یون در حالت چرخش بالایی یا "سبک" باقی بماند، در حالی که برای حالت "تاریک" پایینی پراکندگی صورت نمی‌گیرد، توسط یون پراکنده می‌شود.

این فرآیند برای ساختن تصویری از محیط یون پیکسل به پیکسل، با اسکن تمرکز پرتو تخلیه در یک شبکه دو بعدی و تکرار سه مرحله در هر نقطه شبکه استفاده می‌شود. تنها زمانی که یون در داخل دونات تخلیه قرار می گیرد، تاریک می ماند - سیگنالی که یون پیدا شده است.

استفاده از هولوگرافی

این تکنیک مستلزم آن است که پرتو تخلیه بسیار متمرکز باشد و کنتراست شدید بین دونات و سوراخ داشته باشد. برای ارضای این شرایط و ایجاد یک نقطه تخلیه کامل در مرکز تاریک، محققان از روش تغییر شکل پرتو هولوگرافیک با یک دستگاه میکروآینه دیجیتال به اصطلاح استفاده کردند.

با انجام این کار، آنها دریافتند که در واقع می توانند یک تصویر فوق العاده حل شده از یک یون به دام افتاده تولید کنند. آنها با استفاده از یک لنز با دیافراگم عددی 0.1 به وضوح 175 نانومتر دست یافتند که به گفته آنها حداقل ده برابر بهتر از تصویربرداری فلورسانس مستقیم است.

گوو و همکارانش همچنین دینامیک یون را با اعمال یک سیگنال الکتریکی رزونانسی به یکی از الکترودهای تله، خاموش کردن سیگنال و سپس انتظار مدت معینی قبل از تصویربرداری از یکی از پیکسل‌ها، بررسی کردند. با انجام این فرآیند در تمام پیکسل ها برای یک تاخیر معین و سپس تکرار تمرین در تاخیرهای مختلف، محققان توانستند مسیر یون را بازسازی کنند - عکس های فوری فقط 80 ns از هم فاصله دارند و دقت فضایی 10 نانومتر دارند.

بهبودهای بیشتر

محققان می گویند که طرح آنها می تواند برای ذرات خنثی مانند اتم های منفرد محبوس شده در یک موچین نوری نیز اعمال شود. علاوه بر این، آنها اضافه می‌کنند که با ایجاد یک آرایه دلخواه از نقاط با اشکال مختلف و استفاده از آنها برای تصویربرداری از آرایه‌های اتم سرد، باید بتوان همبستگی بین اتم‌های مختلف را بررسی کرد (چیزی که آنها را ملزم می‌کند تله خود را به روز کنند تا می تواند چندین یون را در خود نگه دارد).

آنها همچنین بر این باورند که وضوح این تکنیک را می توان با استفاده از لنزهایی با دیافراگم عددی بالاتر بهبود بخشید. آنها می گویند که دیافراگم هایی به بزرگی 0.6 و 0.7 به ترتیب برای یون های به دام افتاده و اتم های خنثی سرد ساخته شده اند، اگرچه آنها اشاره می کنند که هیچ لنز تجاری موجود با چنین روزنه ها نمی تواند انحراف ایجاد شده توسط پنجره در محفظه خلاء خود را جبران کند.

اگر محققان بتوانند چنین لنزهایی را تولید یا تهیه کنند، اصولاً می توانند به وضوح کمتر از 30 نانومتر و دقت جابجایی کمتر از 2 نانومتر دست یابند. آنها خاطرنشان کردند که این رقم اخیر کوچکتر از اندازه بسته موج حالت پایه حرکتی یون به دام افتاده است.