الگوی نور چرخشی فرکانس لیزر را در یک تصویر نشان می دهد

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

یک تیم بین المللی از فیزیکدانان روش جدیدی را برای تعیین رنگ دقیق نور لیزر با استفاده از تصویری که با تغییر فرکانس لیزر می چرخد، توسعه داده اند.

این یافته می تواند راهی جدید برای اطمینان از قفل شدن لیزرها به فرکانس های مورد نیاز فناوری های متکی به آنها، از موقعیت یابی GPS گرفته تا حسگرهای کوانتومی، ارائه دهد. همچنین می تواند باعث پیشرفت در طیف سنجی، مغناطیس سنجی و ارتباطات کوانتومی شود.

در مقاله جدیدی که در مجله Optica منتشر شده است، تیم تحت رهبری دانشگاه گلاسکو توضیح می دهد که چگونه راهی برای تعیین فرکانس پرتو لیزر در یک عکس فوری ابداع کرده است.

روش این تیم با عبور دو پرتو نور لیزر با پیکربندی متفاوت از میان گازی از اتم‌های روبیدیم که در یک سلول شیشه‌ای نگهداری می‌شود، آغاز می‌شود.

یک پرتو از یک لیزر سنتی با یک قطبش منفرد می آید: میدان الکتریکی آن در یک جهت یکنواخت نوسان می کند. دیگری از نور ساختاریافته به نام پرتو برداری، با نیمرخ شدت حلقه‌ای استفاده می‌کند. قطبش آن در هر نقطه اطراف حلقه تغییر می کند.

همانطور که اولین پرتو از میان اتم‌های روبیدیم عبور می‌کند، میدان الکتریکی آن‌ها را در یک راستا قرار می‌دهد و حدود 90 درصد به یک حالت کوانتومی تبدیل می‌شود. این هم ترازی بر نحوه واکنش اتم ها به قطبش نور ساختار یافته از پرتو دوم در حین حرکت در گاز از جهت مخالف تأثیر می گذارد.

برهمکنش بین نور و اتم‌های روبیدیم قوی‌تر یا ضعیف‌تر می‌شود، زیرا فرکانس لیزر به رزونانس طبیعی اتم‌ها نزدیک یا دورتر می‌شود و ساختار قطبش نور را تغییر می‌دهد. تیم این اثر را با جدا کردن نور در حال ظهور به اجزای قطبش مختلف و گرفتن تصاویر حاصل با یک دوربین دیجیتال تجسم می کند.

نشانه‌های آشکار چگونگی تأثیر اتم‌ها بر پرتوی ساختار یافته لیزر در تصویر به‌عنوان الگویی از «لوب‌های» درخشان نور در اطراف شکل حلقه‌دار لیزر ظاهر می‌شود. با تغییر فرکانس، لوب ها به دور حلقه می چرخند. با تغییر جذب نور پلاریزه، روشن تر یا تیره تر می شوند.

این ویژگی‌ها با هم، یک نشانگر بصری در یک تصویر واحد به تیم نشان می‌دهند که فرکانس لیزر چقدر با رزونانس اتم مطابقت دارد یا چقدر فاصله رانده شده است.

پروفسور Sonja Franke-Arnold از دانشکده فیزیک و نجوم دانشگاه گلاسکو رهبری این تحقیق را بر عهده داشت. او گفت: "اتم ها در فرکانس های بسیار خاص و مشخصه به نور پاسخ می دهند و این ویژگی برای مدت طولانی به عنوان یک استاندارد فرکانس مطلق در سیستم هایی که نیاز به دقت مطلق دارند، مانند ساعت های اتمی، مورد بهره برداری قرار گرفته است. تقریبا هر تکنیکی برای اندازه گیری فرکانس که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد، شامل خواندن یک ردی روی یک آشکارساز فتودیود است که یک ردیابی لیزری یک بعدی را برای یک قفل فراهم می کند."

ریچارد آگویار مادورو از دانشکده فیزیک و نجوم، اولین نویسنده مقاله، گفت: "اما در این تحقیق جدید، ما اتم های خود را با یک تصویر کاوش می کنیم و نحوه تغییر آن تصویر را با تغییر فرکانس مشاهده می کنیم. یک تصویر حاوی اطلاعات بسیار بیشتری نسبت به یک سیگنال فردی است، بنابراین راه کاملا جدیدی برای تعیین فرکانس ها باز می شود."

ارتباط بین فرکانس لیزر و چرخش تصویر به تیم اجازه می دهد تا اندازه گیری کند که فرکانس چقدر با تشدید اتمی گاز روبیدیوم مطابقت دارد. این تیم دریافتند که تغییر فرکانس 1 مگاهرتز باعث چرخش تقریبا 6 درجه در تصویر می شود.

این تکنیک در حال حاضر از دقیق‌ترین روش‌های اندازه‌گیری فرکانس، که می‌تواند تغییرات تا سطح کیلوهرتز را تشخیص دهد، دقت کمتری دارد. با این حال، محققان در حال کار برای بهبود دقت سیستم فراتر از سطح زیر مگاهرتز نشان‌داده‌شده در مقاله هستند و مطمئن هستند که می‌توان آن را به‌خوبی تنظیم کرد.

این تکنیک همچنین به تغییرات میدان های مغناطیسی حساس است که می تواند کاربردهای حسی جدیدی را ایجاد کند. این تیم می‌گوید کارش می‌تواند به توسعه نوع جدیدی از مغناطیس‌سنج کمک کند که می‌تواند نقشه‌های سه‌بعدی میدان‌های مغناطیسی را از یک تصویر ایجاد کند یا رسانه‌های ذخیره‌سازی برای درهم‌تنیدگی هیبریدی نور برای استفاده در شبکه‌های کوانتومی امن ایجاد کند.

فرانک-آرنولد اضافه کرد: «چیزی که ما را بیشتر به وجد می‌آورد این است که ما سه درجه آزادی متفاوت را در یک پرتو نور به هم متصل کرده‌ایم: شکل، قطبش و فرکانس آن.

"به طور معمول یک الگوی نور فضایی به هیچ وجه نباید تحت تاثیر فرکانس یا میدان های مغناطیسی قرار گیرد، اما برای ما تاثیر می گذارد، که همبستگی قدرتمندی است. این نتایج به ما یک روش جدید را می دهد که قبلا کاوش نشده است، و ما هیجان زده هستیم که کشف کنیم که چقدر ما را می برد."

دکتر Sphinx Svensson و Craig Millar از دانشگاه گلاسکو، و همچنین محققانی از مرکز فوتونیک کاربردی Fraunhofer، Physikalisch-Technische Bundesanstalt و TU Braunschweig نیز در این تحقیق مشارکت داشتند و مقاله را با هم نویسندگی کردند.

ریچارد آگویار مادورو و همکاران، نور برداری فضایی-طیفی ایجاد شده توسط فعالیت نوری در بخار روبیدیوم، Optica (2026). DOI: 10.1364/optica.606117

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →