ليزر نيتروژن احتمالاً ساده‌ترين روش ليزر براي استفاده‌ي كاربران عادي است[1]. با استفاده از هواي معمولي و پالس ولتاژ بالاي يك سيستم الكترودي مي‌توان بدون نياز به كاواك با تنظيم دقيق، يا هر نوع شيشه و كريستال آلائيده، تابش شبه ليزري ايجاد كرد كه «اَبَرفلوئورسانس» ناميده مي‌شود. در واقع تابش فلوئورسانس در هوا همدوس نيست و نمي‌توان آن را ليزر دانست اما تابشي مستقيم و تقويت شده است. لذا اين اثر «ليزر هوا» air lasing براي حسگري اتمسفر از راه دور و رادار بر مبناي نور (كه ليدار LIDAR ناميده مي‌شود) مورد استفاده قرار گرفته است. در اين كاربردها پالس ليزر –به جاي پالس ولتاژ بالا- در اتمسفر بالايي يا در يك هدف دور ابرفلوئورسانس ايجاد مي‌كند. با اين وجود ثابت شده كه ليزر هوا به طريق نوري بسيار دشوارتر از ليز نيتروژن با مبناي الكتريكي است. سال‌ها تحقيق و استفاده از روش‌هاي پيچيده با دمش ليزري، به قدر كافي براي اهداف عملي ليزر هوا توليد نكرده است. اكنون، الكساندر لارين Alexandre Laurain و همكارانش در كالج علوم اپتيكي در آريزونا، براي دستيابي به ليزر هوا از راه دور، روشي نوين و اساساً موثرتر ابداع كرده‌اند[2]. روش آن‌ها دو مرحله دارد: ابتدا ليزري مادون قرمز مولكول‌هاي هوا را مي‌شكند و سپس يك پالس ماوراءبنفش اتم‌هاي حاصل شده را به ترازهايي از انرژي مي‌برد كه تابش فلوئورسانس ساطع كنند. اين روش دو-رنگي منجر به خروجي ليزر بيشتري مي‌شود و نسبت به روش‌هاي قبلي كه در آن‌ها فقط از پالس UV استفاده مي‌شد، مي‌تواند با توان ورودي به مراتب كمتري كار كند.

از انگيزه‌هاي اصلي در ايجاد ليزر هوا از راه دور، بررسي تركيب شيميايي اتمسفر در محدوده‌اي از فواصل بزرگ است. به ويژه، آشكارسازي «سرد» گازهاي مورد رديابي براي مسائل امنيتي نظامي و فرودگاه‌ها و همچنين مطالعات محيطي با ارزش خواهد بود[3]. براي تعيين اجزاء هدف از راه دوري به اندازه‌ي چند متر تا چند كيلومتر، در عمل اغلب از روش LIDAR (تشخيص و مسافت يابي نوري) استفاده مي شود. در اين روش نور به سمت هدف هدايت شده و به آشكارسازي كه در نزديكي منبع اصلي قرار گرفته است باز مي‌تابد. در سر راست‌ترين حالت، ليزر، اجزاء هدف را به حالت فلوئورسانس تحريك كرده و تابش فلوئورسانس بازپراكنده شده آشكارسازي مي‌شود. اما با افزايش فاصله، تشخيص قابل اطمينان هم سخت‌تر مي‌شود زيرا تابش فلوئورسانس تحريك شده با نور، به صورت همسانگرد است. يعني تعداد فوتون‌هايي كه به آشكارساز مي‌رسد به صورت يك بر مجذور فاصله كم مي‌شود. لذا براي هدف‌هاي دوري كه اجزاء مورد نظر آن تراكم كمي داشته باشند، فلوئورسانس قابل آشكارسازي به سرعت در حد كمتر از تك فوتون افت مي‌كند. ليزر هوا براي اين مشكل امكان راه حلي را پيشنهاد مي‌كند. ليزري به سمت اتمسفر نشانه‌گيري مي‌شود و در آنجا يك «ليزر هوا» ايجاد مي‌كند كه در هر دو جهت جلو وعقب تابش دارد. رد مولكول‌ها در راستاي مسير پرتو عقبي ليزر، از ويژگي‌هاي جذبشان مشخص خواهد شد.

شكل 1- (تصوير بالا، چپ) ليزر هوا در روش دو-رنگ جديد با پالس مادون قرمزي آغاز مي‌شود كه به نمونه‌اي از هوا برخورد مي‌كند. جذب چند فوتوني، مولكول‌ها بخصوص مولكول‌هاي نيتروژن را (كه با آبي نشان داده شده‌اند) مي‌شكند. (تصوير وسط، چپ) سپس اتم‌هاي نيتروژن حاصل، در معرض يك پالس ماوراء بنفش قرار مي‌گيرند كه آن‌ها را به حالت فلوئورسانس تحريك مي‌كند (نمودار تراز در سمت راست را ببينيد). (تصوير پايين، چپ) تابش ابرفلوئورسانس در جهت‌هاي جلو و عقب منتشر شده و مي‌توان آن‌ را آشكارسازي كرد.

ليز هوا به طريق نوري از بيش از يك دهه پيش آغاز شد[4]. گزارشات قبلي عمدتاً بر رشته سازي filamentation تكيه داشتند؛ يعني پديده اي كه در اثر ايجاد تعادل بين اثرات اپتيك غيرخطيِ خود متمركز و تشكيل پلاسما، نور را در يك كانال باريك نگه مي‌دارد. اين رشته‌ها را مي‌توان كانال‌هاي پلاسماي ايجاد شده با نور دانشت كه نتيجه‌ي آن كاهش ضريب شكست روي محور و هدايت نور مشابه با يك تار نوري است[5]. اولين سيستم ليز هوا از رشته‌هاي ماوراءبنفش استفاده مي‌كرد كه در آن مولكول‌هاي هواي درون رشته توسط نور UV به حالت تابش فلوئورسانس تحريك مي‌شدند. كارهاي بعدي در طي چند سال گذشته اين تكنيك را بهبود دادند اما تا به حال گزارش تابش رو به عقب، كه نيازمند آشكارسازهايي با تقويت كننده‌هاي فوتوني با حساسيت زياد است، نسبتاً كم بوده است. ارائه آزمايشگاهي قانع كننده‌تري از ليزر هوا در 2010 توسط گروهي با استفاده از ايجاد رشته در ناحيه‌ي مادون قرمز با ليزر 4 ميكرومتر (µm) گزارش شد كه در مقايسه با ساير طول موج‌هاي برانگيختگي بهبود چشمگيري در ليز نيتروژن به وجود مي‌آورد. اما اين آزمايش‌ها به نيتروژن فشار بالا نياز داشتند و نميشد آن‌ها را به هواي اتمسفري تعميم داد. حالا لارين و همكارانش، با پيروي از آزمايشات قبلي در مورد ايجاد رشته UV، روش برانگيختگي دو-رنگ كاملاً جديدي را پيشنهاد كرده و مناسب بودن آن را براي افزايش قابل توجه بازده ليزر در هم نيتروژن و هم اكسيژن نشان داده‌اند[2].

در آزمايشات قبلي دمش ((pump ماوراء بنفش، همزمان براي دو منظور متفاوت به كار گرفته‌ مي‌شد. اول جدا سازي، يعني شكستن مولكول‌هاي نيتروژن يا اكسيژن به اتم‌هاي سازنده‌شان. دوم، دمش اتم‌هاي حاصل به ترازهاي ليزري بالاترشان با استفاده از برانگيختگي دو فوتوني. مرحله دوم است كه به ليزر UV عميق با طول موج تنظيم شده بر روي گذار باريك نيتروژن در 211 نانومتر (nm) نياز دارد. توليد نور nm 211عموماً شامل سه مرحله تبديل غيرخطي است كه نسبت به بازدهي آن بسيار پر خرج است: اين كار چندين ژول انرژي ورودي مي‌خواهد تا چند ميلي ژول (mJ) نور ليزر درnm 211 به دست بدهد. از آنجا كه طول موج دقيق اين فوتون‌ها تنها براي دمش فرآيند ليزري در نيتروژن مهم است، بسيار موثر‌تر خواهد بود اگر دو مرحله را با استفاده از نور ليزر مادون قرمز (كه در فرآيند تبديل نور «دانه‌اي» seed light به ليزر ماوراءبنفش به دست مي‌آيد) از هم مجزا كرده و مولكول‌ها را از طريق فرآيندهاي چند فوتوني در يك رشته‌ي مادون قرمز بشكنيم. اين روشي است كه لارين و همكارانش دنبال كرده‌اند. آن‌ها از پالس ‌هاي mj 500 از نور ليزر µm 1 را براي شكستن نمونه‌اي از هواي اتمسفري استفاده مي‌كنند. سپس يك پالس نور ماوراءبنفش با طول موج مناسب را براي دمش اتم‌هاي هوا يا نيتروژن به كار مي‌گيرند (شكل 1 را ببينيد). با كمك اين روش جديد دو-رنگ، لارين و همكاران او توانسته‌اند در نيتروژن اتمسفري، ليزر عقبي به اندازه‌ي 100 نانو ژول به دست بياورند- يعني افزايش 200 برابري نسبت به آزمايش‌هاي ليزر نيتروژن با استفاده از ساير روش‌هاي دمش انرژي در nm 211. افزايش كمترِ سه برابري براي اكسيژن اتمسفري با پمپ nm 226 ديده مي‌شود. اما مهم‌تر از آن، به نظر مي‌رسد هر و فرآيند ليز در روش دو-رنگ حد آستانه كمتري دارند. به عبارتي، پژوهشگران تابش ليز عقبي را حتي هنگامي كه انرژي دمش ماوراء بنفش به خيلي كمتر از 100 ميكرو ژول تقليل داده شد هم مشاهده نمودند. برخلاف ليز‌هاي ارائه شده‌ي قبلي كه با انرژي دمش ماوراء بنفش زير حد آستانه‌ي چند ميلي ژول ليزي ديده نمي‌شد. البته بايد توجه داشت كه روش لارين و همكارانش نيازمند فوتون‌هاي مادون قرمز با چند صد ميلي ژول انرژي هم هست اما توليد آن‌ها خيلي كم هزينه‌تر از توليد فوتون‌هاي ماوراء بنفش است.

با وجود اينكه اين نتايج در آزمايشگاه به دست آمده است، نويسندگان اثر معتقدند كه شايد بتوانند ليز هوا را در فواصلي بزرگتر از 100 متر نيز ايجاد كنند. با فرض اينكه چنين چيزي به طور عملي ممكن باشد، باز هم كمتر از بازه‌هاي چند كيلومتري لازم براي آشكارسازي گازهاي رديابي شونده در اتمسفر بالاست. در عين حال، ارائه‌ي لارين قدم بزرگي در اين راستا محسوب مي‌شود. حتي اگر ليز هوا فقط به چند ده يا چند صد متر محدود باشد، دريچه‌ي تازه‌اي به كاربردهاي جديد اسپكتروسكوپي سرد باز خواهد كرد. راه بالقوه جالبي كه مي‌توان ادامه داد، تركيب روش‌هاي برانگيختگي ماوراء بنفش با منابع مادون قرمز ِ مياني حاصل از آزمايشاتي مانند مرجع[6] است. چنين تركيبِ «رنگِ» نامتعارفي از ماوراء بنفشِ دور و مادون قرمزِ مشابه آن، ممكن است اسپكتروسكوپي سرد در اتمسفر دوردست را مقدور سازد.

منبع

A Breakthrough for Remote Lasing in Air

مراجع