الليزر المفتوح في الهواء ممكن من خلال تحويل الطاقة بين النيتروجين والآرغون

قامت مجموعة من الباحثين من جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس (UCLA) ومعهد ماكس بورن بنشر دراسة تُظهر استخدام النيتروجين والآرغون لإنشاء ضوء ليزر. تبني الدراسة على عقود من البحث في مجال إنشاء الليزر المفتوح في الهواء، والذي قد يساعد يومًا ما في تحسين المستشعرات والروبوتات والعديد من التطبيقات الأخرى. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

تقنية الليزر

لعدة عقود، كانت الطريقة الأساسية لتشغيل الليزر هي إطلاق شعاع من الضوء عبر تجويف بصري إلى زوج من المرايا. تُصنع هذه المرايا وتُوضع بزاوية تسمح للضوء بالارتداد ذهابًا وإيابًا بين الجهازين. هذا الارتداد يُعزز شدة الضوء، مُنتجًا الشعاع المركّز الذي تراه.

الليزر المفتوح في الهواء

منذ بداية أبحاث الليزر، سعى مهندسون إلى إنشاء ضوء ليزر دون استخدام تجاويف التضخيم والمرايا. ضمن هذا البحث، هناك فئة من المهندسين يسعون لإنشاء ليزر مفتوح في الهواء. تستخدم هذه الأجهزة التفاعلات بين الجسيمات التي تُثار بالضوء المكثف لتكوين ضوء ليزر. حتى وقت قريب، لم يكن هذا المفهوم العلمي ممكنًا. ومع ذلك، يبدو أن الأوضاع تغيرت بعد نشر هذه الدراسة الأخيرة.

دراسة الليزر المفتوح في الهواء باستخدام النيتروجين والآرغون

تتحدث الدراسة عن استخدام خلطات النيتروجين والآرغون لتحفيز الليزر بدون تجويف في الهواء الجوي. الدراسة، التي نُشرت في مجلة Physical Review Letters، تُقدِّم المفهوم ونموذجًا عمليًا حقق نقل الطاقة عبر الفوتونات بين N₂ وAr، مما أدى إلى استجابة فائقة التفلور.

تستكشف أبحاث الفريق العديد من المفاهيم المختلفة، حيث يحتوي الهواء المحيط على مكونات مختلفة قد تُحدث استجابة فائقة التفلور. للتحقق من أن الأرغون والنيتروجين هما المكوّنات الفعّالة في الاستجابة، كان على الفريق مراقبة التزاوج بينهما في بيئة مستقرة من الأكسجين. كشفت الاختبارات عن نتائج مثيرة للاهتمام، بما في ذلك تأثيرات الليزر ثنائية الاتجاه، مما فتح الباب أمام مجموعة متنوعة من التجارب العلمية الجديدة.

اختبار الليزر المفتوح في الهواء

بدأ الاختبار باستخدام مهندسين ليزر مضخة بطول موجي 261 نانومتر لتقليل الغازات. كان الهدف هو فهم أعمق لسبب خفض مزيج الأرغون لمعدل التأين. أدى هذا الاختبار إلى تركيز المهندسين على امتصاص ثلاثي الفوتونات المتناغم ل فوتونات 261 نانومتر في Ar. هنا اكتشفوا ارتباطًا مباشرًا مع تأثير الليزر ثنائي الاتجاه.

تم اختبار تأثير الليزر المتسلسل ثنائي الاتجاه باستخدام مجموعة متنوعة من المعلمات لضمان تسجيل تفاصيل التحويل. أظهر الاختبار أن خلط النيتروجين مع الأرغون ينتج الاستجابة المطلوبة، بينما الخلطات الأخرى لم تُنتج أي نبضة ليزرية ثنائية الاتجاه. أظهر التكبير أن امتصاص ثلاثي الفوتونات لفوتونات 261 نانومتر بواسطة ذرات Ar يخلق تحديدًا انبعاثًا لتفلور متسلسل. كان هذا الاكتشاف مهمًا لأنه لم يكن معروفًا مسبقًا أن آلية mediated بالفوتونات لنقل الطاقة من N₂ إلى Ar ممكنة.

بدأت الخطوات التالية باختبار الترددات. انتقل الباحثون عبر ترددات مختلفة حتى لاحظوا أن جزيئات النيتروجين تُظهر امتصاصًا غير خطي ثلاثي الفوتونات في حالة مُثارة إلكترونيًا عند تعرضها للـ 261 نانومتر مع الأرغون المتناغم عند تردد مختلف قليلًا. تم جمع هذه البيانات لاستخدامها في إنشاء صيغ جديدة لنمذجة التجارب المستقبلية.

النتائج

تُظهر الدراسة بعض النتائج الواعدة التي قد تُحدث ثورة في مجتمع الليزر. أولاً، نجح الفريق في إنتاج تأثيرات متسلسلة ثنائية الاتجاه مستدامة في الهواء الجوي. على وجه التحديد، تمكن المهندسون من إنشاء ليزرين ملونين ثنائيي الاتجاه عبر إعداد مفتوح في الهواء بدون تجويف.

كما تُسلط الأبحاث الضوء على بعض الاكتشافات غير المتوقعة. أولاً، لاحظ الفريق أن كمية الأكسجين المستخدمة أثناء الخلط تؤثر على التفاعل بين جزيئات الأرغون والنيتروجين. تُظهر أبحاثهم أن خلطًا يحتوي على 1٪ O₂ هو المثالي لتوليد انبعاثات بدون تجويف، ثنائية الاتجاه، وشبيهة بالليزر.

فوائد الليزر المفتوح في الهواء

تقدم هذه التقنية عدة فوائد للسوق. أولاً، تتيح إنشاء ليزرات بأجزاء ميكانيكية أقل. سيتطلب الليزر المفتوح في الهواء جهدًا تقنيًا وتصنيعيًا أقل للإنتاج. ستؤدي هذه التكلفة المنخفضة إلى زيادة تطبيقات الاستخدام.

الاستقرار

استخدام المرايا في ليزرات اليوم يُعد أحد أكبر نقاط ضعفها. تحتاج هذه الأجهزة الصغيرة إلى معايرة دقيقة ومحاذاة لإنشاء شعاع الضوء المطلوب. أي انحراف بسيط عن المعايرة الأصلية قد يجعل الجهاز غير صالح للاستخدام. مع استمرار انتشار الليزر في التطبيقات التجارية والعسكرية الكبيرة، هناك طلب قوي على ليزرات بأجزاء متحركة أقل. ليزرات النيتروجين والآرغون تمثل حلاً ذكيًا.

خفيفة الوزن

استخدام الأرغون والنيتروجين خفيفي الوزن سيساعد على تقليل الوزن الكلي للليزرات في المستقبل. تُستخدم الليزرات بالفعل في العديد من الأجهزة الدقيقة. ومع ذلك، يحد حجم التشغيل من قدرة المصنعين على تصغير المكونات الأساسية. سيتطلب نظام قائم على الأرغون مساحة أقل وزنًا أخف. وبالتالي، يمكن أن يساعد في تمكين السفر الفضائي من الجيل التالي، وتكنولوجيا النانو، والعديد من التطبيقات الأخرى.

التطبيقات المحتملة

هناك العديد من التطبيقات لهذا النمط الجديد من ضوء الليزر. من المراقبة والمسح عبر أنظمة LiDAR إلى استهداف خلايا السرطان، العالم مستعد لليزرات أكثر دقة وإتاحة. إليك بعض حالات الاستخدام المحتملة لهذه الأجهزة التي تعمل بالأرغون.

تقنيات الاستشعار عن بُعد

الحالة الأساسية لاستخدام تقنية الليزر المفتوح في الهواء العكسي هي تحسين الاستشعار عن بُعد. يمكن لهذه الأجهزة أن تجعل من الممكن اكتشاف أضعف جسيمات الضوء أثناء تفاعلها مع خليط النيتروجين والآرغون. وبالتالي، قد تساعد في تصنيع ألواح شمسية أكثر حساسية، ومعدات أمان، وغيرها.

الرعاية الصحية

تستمر الليزرات في استخدامها في المجال الطبي من الأدوات الجراحية إلى توفير فحوصات الدماغ، فهذه الأجهزة تغير طريقة علاج البشرية للأمراض والعلل. يمكن لاستخدام أجهزة ليزر أصغر وأقل تعقيدًا تعمل بخليط الأرغون والنيتروجين أن يفتح الباب أمام علاجات الروبوتات النانوية وخيارات رعاية طبية أخرى تبدو اليوم كخيال علمي.

الاستخدام العسكري

قامت القوات العسكرية بتجربة الليزرات بشكل أكبر خلال العقد الماضي. ترى هذه الأجهزة كبديل منخفض التكلفة لإطلاق الصواريخ الموجهة المكلفة على الأهداف. تزايدت مخاوفهم مع انتشار الطائرات بدون طيار الصغيرة والرخيصة، مما دفع معظم الجيوش الكبيرة للبحث عن بدائل دفاع جوي ذات تكلفة مماثلة مقارنة بأنظمة الصواريخ المكلفة.

يمكن استخدام هذا البحث لإنشاء ليزرات أكثر فاعلية وقوة تتطلب طاقة أقل للاستخدام. في المستقبل، قد تساعد هذه الأجهزة في حماية الجنود والمدنيين من هجمات الطائرات بدون طيار والصواريخ الموجهة. كما يمكنها تنبيه الأشخاص إلى الخطر الوشيك، مما يمنحهم مزيدًا من الوقت للبحث عن ملجأ مع أحبائهم.

الباحثون

أُجريت دراسة الليزر المفتوح في الهواء باستخدام النيتروجين والآرغون بواسطة فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس (UCLA) ومعهد ماكس بورن. المؤلف الرئيسي للورقة هو زان نيي. وقد حصل على مساعدة من فرق يقودها تشان جوشي وميشا إيفانوف، اللذين شاركا أيضًا في تأليف الورقة.

شركتان يمكن أن تستفيدا من أبحاث الليزر المفتوح في الهواء

تعتمد العديد من الشركات على الليزرات لتقديم خدماتها للسوق. تُستخدم الليزرات تقريبًا في كل مكان، من فتح الأبواب الأوتوماتيكية إلى مسح البقالة. من السهل نسيان مدى اعتماد العالم على هذه التقنية. إليك بعض الشركات التي تتمتع بموقع بارز في السوق ويمكنها دمج هذه التقنية في المستقبل لتحسين أرباحها.

1. شركة Heico

HEI مخطط السعر

شركة Heico هي شركة تصنيع تقنيات الفضاء الجوي مقرها فلوريدا، لديها القدرة على دمج هذا الاكتشاف التكنولوجي بفعالية كبيرة. تقدم الشركة منتجات في مجموعة متنوعة من القطاعات بما في ذلك الطبية، والاتصالات، والفضاء الجوي، والدفاع، والفضاء، وصناعات الإلكترونيات. وبالتالي، تُعد هذه العملية معروفة جيدًا وقد أثبتت أنها “حفظ” قوي للمتداولين.

تشغل شركة Heico منشأة تصنيع ضخمة في فلوريدا تشمل التصميم، التصنيع، الصيانة، التوزيع، ومبيعات منتجاتها المتنوعة عبر الصناعات. وواصلت الشركة توسعها بعد أن استحوذت على أقسام توصيل وهبوط الأجهزة الجوية من شركة Capewell Aerial Systems. هذا الإجراء رسخ شركة Heico كلاعب رئيسي في أسواق الفضاء الجوي.

يعتقد العديد من المتداولين أن شركة Heico ستحلق عالياً، بما في ذلك صندوق استثمار بيركشاير هاثاوي الذي يديره وارن بافيت. ومن الجدير بالذكر أن HEI لديها قيمة سوقية تبلغ حوالي 14 مليار دولار ومن المتوقع أن ترتفع مع زيادة الطلب على منتجاتها.

2. شركة Laser Photonics

LASE مخطط السعر

تقع شركة Laser Photonics (LASE ) في فلوريدا وتُعَرف بأنها قوة مبتكرة في تكنولوجيا الليزر. تقدم الشركة مجموعة من المنتجات القائمة على الليزر للسوق تشمل أنظمة تنظيف بالليزر، ومنصات دفاعية، ومكونات مراقبة السلامة، وأدوات قطع بالليزر من المستوى المهني. غالبًا ما تُدرج Laser Photonics ضمن أفضل شركات التكنولوجيا في قائمة Fortune 500 وتعمل منذ أكثر من 30 عامًا. أبرمت الشركة بعض الشراكات الاستراتيجية على مدار الطريق، بما في ذلك التعاون مع شركة Fastenal لتوفير منتجات الليزر للسوق.

قد يستفيد شركة Laser Photonics من آلية الليزر المفتوح في الهواء الجديدة في الأشهر القادمة. قد تشهد الشركة إجراءات تصنيع أكثر فاعلية من خلال إلغاء عملية معايرة تجاويف الليزر المستهلكة للوقت للأجهزة. التزام الشركة بالنجاح والابتكار المستمر يجعل من LASE إضافة حكيمة لأي محفظة استثمارية.

الليزر المفتوح في الهواء هو مجرد البداية

تكشف هذه الدراسة عن آلية جديدة لتحويل الطاقة عبر الأرغون والنيتروجين، وتفتح الباب أمام تقنيات أخرى تغير قواعد اللعبة، مثل الضرب الكمي. وبالتالي، يعتقد الكثيرون أن هذا الفريق يستحق مزيدًا كبيرًا من التقدير لعمله. في الوقت الحالي، تستعد مجموعة المهندسين المبتكرة لتوسيع اختباراتها لاكتشاف مزيد من التفاصيل حول عملية التزاوج الإشعاعي التي تُشغل هذه التفاعلات.

اكتشف مشاريع أخرى رائعة الآن

(HEI ) (HEI-A ) (BRK.A ) (BRK-B ) (FAST )