دانشمندان موفق شدند یک سامانه فشرده لیزر الکترون آزاد را بیش از هشت ساعت به‌صورت پیوسته و پایدار راه‌اندازی کنند.
به گزارش سرویس فیزیک تکناک، این موفقیت می‌تواند یکی از مهم‌ترین موانع فنی در مسیر کوچک‌سازی این فناوری پیشرفته را برطرف کند و استفاده از آن را از مراکز تحقیقاتی عظیم به آزمایشگاه‌های دانشگاهی، صنعتی و پزشکی گسترش ده
این پیشرفت از آن جهت اهمیت دارد که لیزرهای الکترون آزاد یا FEL سال‌ها است در زمره قدرتمندترین ابزارهای علمی جهان قرار دارند و پژوهشگران به کمک آن‌ها می‌توانند رفتار اتم‌ها را در لحظه مشاهده کنند، واکنش‌های شیمیایی را در زمان واقعی زیر نظر بگیرند و ساختار مواد را در کوچک‌ترین مقیاس‌ها بررسی کنند.
لیزرهای الکترون آزاد در علوم پایه، مهندسی مواد، پزشکی، زیست‌فناوری و صنعت نیمه‌رساناها نقش مهمی ایفا می‌کنند، اما یک محدودیت اساسی همواره مانع گسترش استفاده از آن‌ها بوده است. سامانه‌های رایج FEL بسیار بزرگ هستند و طول برخی از آن‌ها به چند کیلومتر می‌رسد.
ساخت و نگهداری چنین تأسیساتی به سرمایه‌گذاری بسیار سنگین، زیرساخت گسترده و نیروی انسانی تخصصی نیاز دارد. به همین دلیل تنها تعداد محدودی از کشورها و مراکز پژوهشی جهان به این فناوری دسترسی دارند و بسیاری از پژوهشگران ناچارند برای استفاده از آن ماه‌ها در صف انتظار بمانند.
مرتبط: اقتصادی‌ترین پرینتر لیزری برای خانه و دفتر کار
در فناوری متداول لیزر الکترون آزاد، ابتدا پرتویی از الکترون‌های پرانرژی تولید می‌شود. سپس این الکترون‌ها از درون دستگاهی موسوم به آندولاتور عبور می‌کنند. آندولاتور با استفاده از میدان‌های مغناطیسی متناوب، مسیر حرکت الکترون‌ها را به شکل نوسانی تغییر می‌دهد. الکترون‌ها هنگام عبور از این مسیر موجی، تابش الکترومغناطیسی آزاد می‌کنند و این تابش به‌تدریج تقویت می‌شود تا در نهایت به یک پرتو لیزری بسیار شدید، همدوس و دقیق تبدیل شود. بسته به انرژی الکترون‌ها، نور تولیدشده می‌تواند در محدوده مرئی، فرابنفش یا حتی پرتو ایکس قرار گیرد.
مشکل اصلی این است که برای تولید الکترون‌های بسیار پرانرژی معمولاً به شتاب‌دهنده‌های خطی بزرگ نیاز است. همین موضوع علت اصلی ابعاد عظیم تأسیسات FEL به شمار می‌رود. دانشمندان برای حل این مشکل سال‌ها است روی فناوری تازه‌ای با عنوان شتاب‌دهنده لیزر-پلاسما یا LPA کار می‌کنند.
در این روش، به‌جای استفاده از شتاب‌دهنده‌های چند کیلومتری، پالس‌های لیزری بسیار قدرتمند به درون پلاسما شلیک می‌شود. پلاسما محیطی متشکل از ذرات باردار آزاد است که می‌تواند میدان‌های الکتریکی بسیار قوی ایجاد کند. این میدان‌ها قادرند الکترون‌ها را تنها در چند سانتی‌متر تا سرعتی نزدیک به نور شتاب دهند. به همین دلیل، LPAها گزینه‌ای بسیار امیدوارکننده برای ساخت نسل جدید FELهای کوچک و ارزان‌تر به شمار می‌روند.
بیشتر بخوانید: آلمان سلاح لیزری دریایی برای مقابله با پهپادها می سازد
با وجود این مزیت بزرگ، فناوری LPA تاکنون با یک مانع جدی روبه‌رو بوده است؛ ناپایداری. کوچک‌ترین تغییر در انرژی لیزر، محل تمرکز پرتو، زاویه تابش یا مدت‌زمان پالس‌ها می‌تواند کیفیت پرتو الکترونی خروجی را دچار نوسان کند. این تغییرات از یک شلیک تا شلیک بعدی باعث می‌شود عملکرد سامانه یکنواخت نباشد و در نتیجه راه‌اندازی یک FEL پایدار برای ساعت‌های طولانی تقریباً ناممکن شود. از آنجا که کاربردهای واقعی صنعتی و علمی نیازمند عملکرد مداوم و دقیق هستند، این مشکل تاکنون مانع اصلی تجاری‌سازی و فراگیر شدن سامانه‌های فشرده FEL بوده است.
اکنون گروه پژوهشی مستقر در مرکز BELLA وابسته به آزمایشگاه ملی برکلی آمریکا توانسته است این مانع را تا حد زیادی برطرف کند. دانشمندان برای رسیدن به این هدف، پنج سامانه پایدارسازی فعال را به مجموعه آزمایشی خود افزودند.
این سامانه‌ها به‌صورت پیوسته و در زمان واقعی وضعیت لیزر را پایش می‌کردند و هرگونه انحراف را بلافاصله اصلاح می‌کردند. مواردی مانند محل دقیق تمرکز پرتو، میزان انرژی هر پالس، شکل پالس و مدت تابش به‌طور مداوم کنترل می‌شد تا کوچک‌ترین نوسان‌ها نیز مهار شود.
مرتبط: قدرتمندترین لیزر دستی جهان توسط یک یوتیوبر ساخته شد
پژوهشگران علاوه بر این، از روشی ابتکاری با عنوان «پرتو شبح» استفاده کردند. این پرتو کم‌توان در واقع نسخه‌ای از پرتو اصلی بود که به‌عنوان حسگر بسیار حساس عمل می‌کرد و نوسان‌هایی را شناسایی می‌کرد که اندازه‌گیری مستقیم آن‌ها دشوار بود. سامانه با استفاده از داده‌های این پرتو کمکی می‌توانست در کسری از ثانیه تنظیمات لازم را انجام دهد و شرایط را در حالت پایدار نگه دارد. این روش هوشمندانه نقش مهمی در موفقیت نهایی پروژه داشت.
نتیجه این اصلاحات چشمگیر بود. سامانه توانست بسته‌های الکترونی با انرژی ۱۰۰ مگاالکترون‌ولت را به‌صورت پایدار تولید کند و لیزر الکترون آزاد را بیش از هشت ساعت بدون نیاز به دخالت اپراتور فعال نگه دارد. در این مدت، نوری با طول موج ۴۲۰ نانومتر تولید شد که در محدوده نور مرئی قرار می‌گیرد. هرچند این طول موج هنوز در محدوده پرتو ایکس نیست، اما اثبات می‌کند که اصل مسئله، یعنی پایداری بلندمدت سامانه فشرده، قابل حل است. این موضوع برای آینده فناوری FEL اهمیتی تعیین‌کننده دارد.
دانشمندان معتقدند اگر این مسیر ادامه یابد، نسل جدیدی از لیزرهای الکترون آزاد در راه خواهد بود که به‌جای ساختمان‌های چند کیلومتری، در فضاهایی بسیار کوچک‌تر نصب می‌شوند و هزینه ساخت و بهره‌برداری آن‌ها به‌مراتب کمتر خواهد بود. چنین تغییری می‌تواند دسترسی دانشگاه‌ها، شرکت‌های صنعتی، بیمارستان‌ها و مراکز تحقیقاتی کوچک‌تر را به این فناوری فراهم کند. در نتیجه سرعت پژوهش‌های علمی افزایش می‌یابد و نوآوری در حوزه‌هایی مانند داروسازی، تصویربرداری پزشکی، توسعه مواد پیشرفته و تولید تراشه‌های الکترونیکی شتاب خواهد گرفت.
مرتبط: ۷ پروژه کلیدی لیزری انتقال انرژی خورشیدی فضایی به زمین
البته مسیر توسعه هنوز به پایان نرسیده است. سامانه فعلی در انرژی نسبتاً پایین فعالیت می‌کند و برای دستیابی به کاربردهای پیشرفته‌تر باید انرژی پرتو الکترونی به حدود ۵۰۰ مگاالکترون‌ولت افزایش یابد. در آن صورت، سامانه می‌تواند نوری با طول موج ۲۰ تا ۳۰ نانومتر تولید کند؛ محدوده‌ای نزدیک به مرز فرابنفش و پرتو ایکس نرم که کاربردهای فراوانی در زیست‌شناسی، فناوری نانو و بررسی ساختار مواد دارد. حفظ پایداری در چنین انرژی‌هایی چالش فنی بزرگی خواهد بود، اما موفقیت اخیر نشان می‌دهد این هدف دیگر دور از دسترس نیست.
به این ترتیب، دستاورد تازه پژوهشگران را می‌توان نقطه عطفی در آینده لیزرهای الکترون آزاد دانست. فناوری‌ای که روزی تنها در اختیار معدودی از مراکز بزرگ جهان بود، اکنون در مسیر تبدیل شدن به ابزاری کوچک‌تر، ارزان‌تر و فراگیرتر قرار گرفته است؛ تحولی که می‌تواند چشم‌انداز پژوهش علمی و صنعتی جهان را در سال‌های آینده دگرگون کند.
