مشط التردد

نوع جديد من ضوء الليزر يدعى مشط التردد الضوئي يمكن أن يستخدم لقياس ترددات الضوء والفترات الزمنية بشكل أكثر دقة وسهولة مما في السابق خلال طرفة عين، تكمل موجة الضوء المرئي كوادريليون (مليون مليار) اهتزازة أو دورة. وهذا العدد الهائل يتيح فرصا ويمثل تحديا. أما الفرص، فأنها تبشر بتطبيقات عديدة داخل المختبرات وخارجها. وهي أساس قدرتنا على قياس ترددات وأزمنة بدقة متناهية، حيث يعول العلماء على تلك المهارة للتحقق بشكل أفضل من قوانين الطبيعة، كما يتوقف عليها نظام التموضع العالمي (GPS) مثلاً. وأما التحدي فيتركز على استحالة مقارنة الضوء بتقنيات تعمل بشكل جيد في مجال الموجات الكهرومغناطيسية المنخفضة الترددات. والآن وبسبب التطورات الثورية في مجال فيزياء الليزر، أصبح في متناول الباحثين تقنيات يمكنها أن تطلق الإمكانيات الكامنة، التي حال التردد العالي للضوء المرئي دون إدراكها. فقد طور العلماء بشكل خاص، تجهيزات للاستفادة من الضوء ليزري يدعى «مشط التردد الضوئي». هذا المشط - الذي يشبه مسطرة للضوء متعددة الأغراض، ومؤلفة من أو مئات الآلاف من العلامات اللحظية المتقاربة المسافات. ويمكن لهذا المشط ان يشكل جسرا يغطي الفجوة الترددية بين الموجات الميكرونية والضوء المرئي. كما تعطينا قياسات ميكرونية الدقيقة بيانات دقيقة على السواء عن الضوء بمساعدة المشط الضوئي. هناك عدد كبير من التطبيقات على طول الخط. فالامشاط الضوئية سوف تؤهل لجيل جديد أكثر دقة من ساعات ذرية وكواشف كيميائية فائقة الحساسية ووسائل تحكم في التفاعلات الكيميائية باستخدام الليزر. ويمكن للأمشاط الضوئية أن تزيد حساسية الليدر (Lidar) ومداه، وأن تعطي أيضا زيادة كبيرة في عدد الإشارات التي تنتقل عبر الألياف البصرية. والأمشاط سوف تبسط كثيرا عملية قياس الترددات الضوئية بدقة عالية. فقد كان قياس هكذا يتطلب في القرن العشرين فريقا من حاملي الدكتوراه يعملون في غرف مليئة بأجهزة الليزر ذات التردد الواحد. أما الآن، فإن على طالب الدراسات العليا أن يحصل على نتائج مماثلة بتجهيزات بسيطة مستخدما أمشاط الترددات الضوئية. كما تنبثق الساعات الذرية الضوئية الجديدة من هذا التبسيط. فكما ان البندول في الساعات القديمة يحتاج إلى تروس عدة للتسجيل الوقت وإعادة مؤشري الساعة ببطء، فإن الساعة الذرية تستخدم مشط التردد الضوئي لعد اهتزازات الضوء وتحويلها إلى إشارة إلكترونية مفيدة. ومنذ العام 2007 فقط استخدم العلماء والباحثون الأمشاط الضوئية كي يتخطوا الساعات الذرية التي أساسها السيزيوم (Cesium) والتي اعتبرت أفضل النظم المتاحة على مدى عقود. إن مشهد التغيير في استحداث الأمشاط الضوئية يماثل، في بعض النواحي، تلك القفزة المتقدمة، التي نتجت عن اختراع كاشف الذبذبات منذ مئة عام. فقد بشرت تلك الأداة بقدوم عصر حديث للإلكترونيات، بإتاحة عرض الإشارات مباشرة، وهذا يسهل تطوير كل شي بدءا من التلفزيون وحتى الهاتف الجوال. لكن الضوء يهتز أسرع عشرة آلاف مره من كاشف الذبذبات. تتطلب تطبيقات مشط التردد الضوئي تحكما دقيقا في الضوء عبر طيف عريض من الترددات. فقد كان مستوى التحكم هذا ممكنا للموجات الراديوية لزمن طويل، فيما أصبح ذلك ممكنا الآن فقط بالنسبة للضوء. ولفهم اعمق سوف نشبه التردد بالموسيقى، فقد كان بإمكان الليزر قبل تطوير الأمشاط الضوئية أن يعطي لونا واحد فقط، مثل كمان ذي وتر واحد فيمكنه اصدارنغمة واحدة فقط. فعزف لحن بسيط يتطلب آلات عدة فسوف يلزم لكل كمان عازفه الخاص، تماما مثلما لليزر مشغل خاص. و في المقابل، يستطيع مشغل ما أن يستخدم مشطا ضوئيا لتغطية الطيف الضوئي كله، وبشكل دقيق يمكننا من عزف سيموفونيات لمئات الآلاف من النغمات الضوئية الصافية