بایگانی “پرتوی لیزر توان”

رشته های لیزر گذار فاز را تجربه می‌کنند|مدرسه يار

سه شنبه, ۲۲ دی, ۱۳۹۴

رشته های لیزر گذار فاز را تجربه می‌کنند

پرتوی لیزر توان بالایی که در هوا منتشر می‌شود را می‌توان به جای یک تکه نگه داشتن، به «رشته‌های» کوچکی تقسیم کرد. بر طبق تحلیل جدیدی از رشته‌‌سازی (filamentation) لیزر در مجموعه‌ای از چندین رشته، گذار فازی وجود دارد که مشابه با اتفاقی است که برای آب نفوذکننده به دانه‌های قهوه رخ می‌دهد. عمل رشته‌سازی در لیزرهای مورد استفاده برای هدایت آذرخش یا کاوش اتمسفر به کار می‌آید و درک این گذار، بالقوه می‌تواند در کنترل آن مفید واقع شود.

ارتباط بین نقاط. سطح مقطع پالس لیزر شبیه سازی شده در فاصله ۷/۱۱ متر از منبع آن، چندین جزیره یا «خوشه» از رشته‌های متصل به هم را نشان می‌دهد. خوشه‌ها بر حسب اندازه رنگ آمیزی شده‌اند به طوری که بزرگترین خوشه‌ها قهوه‌ای و کوچکترین‌ها آبی تیره هستند. در این حالت، تک خوشه‌ای که از یک سو به سوی دیگر کشیده شده باشد وجود ندارد.

وقتی لیزر با شدت بالا با هوا برهمکنش می‌کند، می‌تواند خود به خود به صورت رشته‌ای حول هسته‌ی نازک پلاسما متمرکز (focus) شود. در صورتی که توان به حد کافی باشد، پالس نور در آغاز به صورت تک پرتو است اما پس از آن به چندین رشته که ناپایدار هستند تقسیم می‌شود. با حرکت پالس، این رشته‌ها در نقاط مختلفی از سطح مقطع پرتو ناپدید و دوباره ظاهر می‌شوند. درک چگونگی تشکیل این رشته‌ها و اینکه چگونه روی شارش الکتریسیته در پلاسمای بین رشته‌ها اثر می‌گذارد، برای استفاده‌ از رشته‌ها در کنترل آذرخش و هدایت امواج نور در مخابرات راه دور اهمیت دارد.

در مطالعه‌ی انجام شده بر چند رشته شدن، گروهی به سرپرستی جین-پی‌یر ولف Jean-Pierre Wolf از دانشگاه جنووآ پی بردند که مجموعه‌ی رشته شده (همانطور که در سطح مقطع دیده می‌شود) مشابه با نفوذ مایع به درون قهوه یا سایر مواد متخلخل است. این پژوهشگران اطلاعات حاصل از آزمایش پیشینی را که در آن رشته‌سازی پالس‌های لیزر ۱۰۰ تراوات با استفاده از کاغذ فوتوگرافی ثبت شده بود بررسی کردند‌[۱]. وقتی کاغذ نزدیک به منبع قرار داشت، لیزر قسمتی گرد و یکنواخت از کاغذ را می‌سوزاند اما در فاصله‌ای در حدود پنج متر، سطح مقطع شروع به «گلوله شدن» کرده و به طرح لکه‌داری با فضاهای خالیِ کم شدت تبدیل می‌شد. نهایتاً در فواصل دورتر، ناحیه‌ی سوخته شده به جزایر دراز و پرشدت یا «خوشه‌هایی» تقسیم می‌شد که حول یکدیگر می‌پیچیدند

این جزایر نواحی‌ای را نشان می‌دادند که چندین رشته تشکیل شده بود.

مواد متخلخل می‌توانند ساختار مشابهی داشته باشند. اگر ماده را برش بزنید، می‌توانید حفره‌هایی را ببینید که شبیه «جزیره‌ها» در سطح مقطع لیزر است. چنانچه این حفره‌ها مسیر متصل به یکدیگر پیوسته ای را شکل دهند آنگاه آب می‌تواند در آن جریان یافته یا از سمتی به سمت دیگر «نفوذ» کند. تحقیقات قبلی نشان داده است که اگر تخلخل ماده را به تدریج زیاد کنید، یک گذار فاز ناگهانی از عدم نفوذ به نفوذ اتفاق می‌افتد. نسخه‌ی دو بعدی از این رفتار گذری شبیه به گسترش بیماری در یک جمعیت یا جهت‌گیری مجموعه‌ای از اسپین مغناطیسی اتم‌ها یا الکترون‌هاست.

با استفاده از نظریه‌ی نفوذ به عنوان اصل پایه، ولف و همکارانش اطلاعات رشته‌ی لیزری را بر حسب شبکه‌ی دو بعدی تحلیل کردند. اگر در بخشی از شبکه شدت لیزر از آستانه‌ی مشخصی بالاتر بود، به آن برچسب «پر» زده می‌شد. گروه نشان داد که ضریب پرشدگی- یعنی نسبت جاهای پر به خالی- به طور یکنواخت با فاصله‌ی انتشار کم می‌شود. آن‌ها همچنین نشان دادند که «احتمال نفوذ» (احتمال اینکه جاهای پر به هم راه داشته باشند) در ضریب ۴۸% به طور ناگهانی از یک به صفر افت می‌کند و مسافت انتشار متناظر با آن حدود ۱۱ متر است. پس گذار فاز در این فاصله رخ می‌دهد. با کمک شبیه ‌سازی‌های رایانه‌ای، محققان این گذار فاز را به طور ریاضی توصیف کرده و مشابهت‌هایی با نفوذ سیال به درون مواد متخلخل یافتند. اگرچه تفاوت‌هایی هم بین رشته‌ها و رفتار نفوذی وجود داشت که به عقیده‌ی واب اِتومی Wahb Ettoumi از اعضای تیم ناشی از این است که خوشه‌های رشته‌ای نوعاً اندازه‌ی ۲ میلیمتر مربع دارند در حالی اندازه‌ی خوشه‌های نفوذ دارای بازه‌ی وسیعی است. مقایسه با نفوذ، می‌تواند به پژوهشگران در ساخت‌ رشته‌های لیزر برای کنترل آذرخش یا سایر استفاده‌ها کمک کند زیر ا ارتباط بین رشته‌ها بر رسانایی بلندبرد پلاسما در مرکز هر رشته اثر می‌گذارد. مزیت رشته‌های لیزر این است که گذار فاز را می‌توان مستقیماً دید برخلاف مثلاً مواد مغناطیسی که رفتار شبه نفوذی اسپین‌ها در تراز میکروسکوپی اتفاق می‌افتد. اِتومی قصد دارد از رشته‌های لیزر برای مطالعه‌ی چگونگی واکنش چنین سیستم‌هایی در مقابل افت و خیزها استفاده کند.

دنیل فاچیو Daniele Faccioاز دانشگاه هریت-وات در انگلستان می‌گوید، «ارتباط چندین رشته به گذار‌ فاز مسلماً مهم است. از یک سو سیستم جدیدی را در اختیار ما قرار می‌دهد که با آن می‌توانیم این نوع از گذار فازها‌ و نفوذ را بررسی کنیم و از سوی دیگر ابزار جدیدی برای درک، تحلیل و احتمالاً کنترل رشته سازی است».