RSS
پنجمین همایش سالیانه بانوان در فیزیک ایران نهمین کنفرانس فیزیک ریاضی ایران
وبینار ماهانه شاخه فیزیک محاسباتی انجمن کنفرانس فیزیک ایران ۱۴۰۴ گردهمایی سراسری فیزیک ایران ۱۴۰۴ شانزدهمین کنفرانس فیزیک ذرات و میدان‌ها
انجمن @ شبکه‌های اجتماعی
شرح خبر
اخبار علمی و پژوهشی
الگوی رنگین‌کمانی و نظارت بر خسارات ناشی از لیزر (۱۳۹۱/۱۲/۱۷)
نور لیزرِ شدیدی که توانایی حجاری بر روی مواد جامد را دارد٬ الگوهای خیره‌کننده‌ای همچون رنگین‌کمان را ایجاد کرده و اطلاعاتی در مورد سطح آن ماده را فاش می‌کند.
بر اساس آن‌چه که در مجله‌ی فیزیکال ریویو لیترز گزارش شده٬ طرح‌های دیدنی و جذابی متشکل از نورهای رنگین که به عنوان پرتو لیزر٬ سطح یک ماده‌ی جامد را سوراخکاری می‌کنند٬ ایجاد می‌شود. این نقوش اطلاعاتی را درباره‌ی خسارت و صدمات ناشی از آن نور برملا می‌کنند. نویسندگان این گزارش٬ یک الگوی رنگین‌کمان را با شلیک ساختن پالس‌های لیزریِ شدید بر روی دنباله‌ای از مواد شفاف٬ همچون شیشه و کوارتز٬ مشاهده کرده‌اند. به گفته‌ی این تیم چنین اثری که تاکنون به شکل شگفت‌آوری نادیده گرفته شده بود٬ می‌تواند راهی را به سوی نظارت بر فرسایش ناشی از لیزر پیشنهاد دهد؛ تکنیکی که می‌تواند در زمینه‌های مختلفی از جراحی دندان گرفته تا حفاظت و نگهداری از کارهای هنری مورد استفاده قرار گیرد.
فرسایش لیزری از پالس‌های لیزری مافوق‌کوتاه٬ که معمولاً در حدود فمتوثانیه درازا دارند ایجاد می‌شود. چنین پالس‌هایی برای انفجار مقادیر کمی از ماده از جایگزیده‌ساختن حرارت استفاده می‌کند. از این تکنیک می‌توان بعنوان مثال در پاکیزه سازیِ اشیاء عتیقه٬ انجام جراحی چشم٬ تولید قطعات میکروسکوپیکیِ مصنوعی و فیلم‌های نازک استفاده کرد. اما به گفته‌ی یی لیو (Yi Liu) از دانشگاه اکول پلی‌تکنیک (Ecole Polytechnique) در پالیو (Palaiseau)٬ هیچ‌کس توجه زیادی به نور پراکنده شده از چنین موادی نداشته است. «همه٬ غالباً پس از فرسایش به ساختار سطح توجه دارند و نه به خودِ نور.» لیو و همکارانش از یک عدسی که از طول کانونی غیرعادی طولانی برخوردار است برای آزمایش‌های فرسایش استفاده کرده‌اند٬ و بدین وسیله توانستند تا الگوی رنگارنگی از نور را که ماده‌ی فرسایش یافته را ترک می‌کند٬ مشاهده کنند.
این فقط یک چهره‌ی زیبا نیست. این الگوی رنگارنگ از نور پراکنده‌شده از یک سطح جامدی است که با تحتِ شلیک قراردادن پالس‌های لیزری خودش را نشان داده است. این الگو می‌تواند جزئیاتی از صدماتِ وارد بر سطح٬ مانند اندازه‌ی دهانه‌ای که توسط لیزر بر روی سطح ایجاد شده٬ را برملا کند.
به منظور تحقیق درباره‌ی این الگو٬ این تیم هزاران پالس لیزری فروسرخ را بر روی بلوک‌هایی از مواد شفاف شلیک کرده و تصویرهایی از نور خارج‌شونده از پشت هر نمونه را ضبط کردند. پس از ۱۰ پالس تنها نقطه‌ای روشن از نور سفید وجود داشت که پرتوی لیزر به شکل مستقیم از آن عبور می‌کرد. (لیزر فروسرخ بدلیل اندرکنش‌های پیچیده بین نور و ماده که گستره‌ای از رنگ‌ها را ایجاد می‌کند٬ سبب تولید شدن نور سفید می‌شود). اما چنان‌چه این محققان پالس‌های لیزری بیشتری را شلیک می‌کردند٬ حلقه‌ای از نقاط روشن و رنگی دورتادورِ نقطه‌ی سفید مرکزی ظاهر می‌شد و تدریجاً انبساط می‌یافت. با افزایش تعداد پالس‌ها٬ این حلقه به دو شکل٬ بیضی داخلی و خارجی٬ شکافته شد و نهایتاً به شکل رگه‌های شعاعی که یادآور چشم گربه است -نوعی رنگین‌کمان دایروی متلاشی شده- تکامل یافت. محققان این را «نور سفید مژگانی» (CWL) نامیدند چون درست شبیه نگاه تاج مشگانی است زمانی که یک فرد در شب به نور روشن نگاه می‌کند. آنها اثر مشابهی را برای ۱۴ ماده‌ی مختلف مشاهده کردند که شامل شیشه‌ی پیرکس٬ کوارتز٬ یاقوت کبود و پلیمرهای مختلف بود.
لیو و همکارانش از ذره‌بین الکترونی برای تحقیق در رابطه با تکامل این دهانه‌ی مخروطی٬ که در این مواد و در طول فرآیندِ فرسایش تشکیل می‌شد٬ استفاده کردند. ابتدا این دهانه کم‌عمق بود و با امواجی موازی با طول‌موج‌های تقریباً یک میکرون٬ پوشیده شده بود. اما با افزایش تعداد پالس‌ها٬ رژیمی با توپوگرافیِ متفاوت٬ در لبه‌های دهانه شروع به ظاهر شدن کرد و تدریجاً آن امواج را در برگرفت. سطح این رژیم به شکل یکنواخت با خوشه‌های شبیه میله که در حدود ۱۰۰-۲۰۰ نانومتر درازا دارد و با گودال‌هایی از هم جدا شده‌اند٬ پوشیده شده است. به گفته‌ی لیو٬ چنین ساختارهایی غالباً در فرسایش لیزری مشاهده شده بود اما محققان هنوز علت تشکیل چنان ساختارهایی را درک نکرده بودند.
بر اساس مدلِ این تیم٬ نوری که از امواج نخستین پراکنده می‌شود٬ شکلِ بیضیِ اولیه را متشکل از نقاط روشن ایجاد می‌کند؛ الگویی موسوم به الگوی پراش که وقتی نورِ همدوس به آرایه‌ی متناوبی از پراکنده‌سازها برخورد کند٬ تشکیل می‌شود. همچنان‌که فرآیند فرسایش به پیش می‌رود و توپوگرافیِ پوشیده از میله‌ها شروع به پوشش دادنِ سطح مخروطی می‌کند٬ نور نیز از این پراکنده‌سازهایی که به شکل منظم و مرتب در کنار هم جای گرفته‌اند٬ پراکنده می‌شود٬ اما این‌بار الگویی را خواهیم داشت که در آن به جای نقاط٬ اشکالی شبیه سوزن جای آنها را گرفته‌اند. برای چنین سوزن‌هایی٬ اثر «منشور»٬ که نور سفید را به رنگ‌های تشکیل‌دهنده‌اش پخش می‌کند٬ نسبت به آن‌چه در مورد نقاط اتفاق می‌افتاد٬ آشکارتر است. محققان همچنین پهن‌شدگیِ و انبساطِ حلقه‌ی چندرنگیِ مژگانی نور سفید را تشریح کرده‌اند: چنان‌چه دهانه‌ی مخروطی شکل عمیق‌تر می‌شود٬ زاویه‌ی راسِ آن کاهش می‌یابد که این باعث گسترده شدن زاویه‌ای می‌شود که نور شکسته شده از ماده از آن خارج می‌شود.
شبیه‌سازی‌های عددی لیو و همکارانش بر پایه‌ی پراکندگی از پروفایل‌های مخروطی اندازه‌گیری شده٬ استوار است. چنین پراکندگی‌هایی به الگوی نوری منجر می‌شود که بسیار شبیه چیزی است که در آزمایش مشاهده شده است. CWL مستقیماً متناظری است برای تاج مژگانی؛ که تصور می‌شود نتیجه‌ی پراکندگی نور از ذرات کوچکی باشد که در عدسیِ چشم وجود دارند.
این تیم خاطر نشان می‌کند که در اصل٬ هرکس می‌تواند به شکل معکوس نیز از این پدیده استفاده کند: اگر اجازه داده شود تا این فرآیند در زمان واقعی دنبال شود٬ از این الگوی نور می‌توان برای استنباط برخی ویژگی‌های سطحی که باعث ایجاد چنان الگویی می‌شود بهره برد. بن تراسکوت (Ben Truscott) از دانشگاه بریستول در انگلستان با این مطلب موافق است. به بیان وی: «بایستی بتوان مقدار موادی را که در هر پالس حذف می‌شود کاملاً و به طور دقیق٬ از آهنگ رشد چنین حلقه‌هایی بدست آورد. بسیار غیرماهرانه است که با وجود چنین تکنیکی این کمیات به وسیله‌ی چیزهای دیگر اندازه گرفته شود.»
به گفته‌ی اشتفان نولته (Stefan Nolte) از دانشگاه ینا در آلمان٬ هرچند که این تکنیک به شکل مفیدی به اثبات برسد٬ محاسبه‌ی ساختار دقیق سطح فرسایش یافته بایستی چالش برانگیز بوده باشد. لیو اذعان می‌کند که برای بازسازیِ جزئیات٬ نه تنها به شدت نور بلکه به اندازه‌گیریِ دامنه و پالس نور نیز نیاز است.
نویسنده:
فیلیپ بال (Philip Ball)٬ نویسنده‌ی علمی مستقلی در لندن و نویسنده‌ی کتاب «حس کنجکاوی: چگونه علم به همه چیز علاقه نشان داد (۲۰۱۲)» (Curiosity) است.
منبع:
بر اساس آن‌چه که در مجله‌ی فیزیکال ریویو لیترز گزارش شده٬ طرح‌های دیدنی و جذابی متشکل از نورهای رنگین که به عنوان پرتو لیزر٬ سطح یک ماده‌ی جامد را سوراخکاری می‌کنند٬ ایجاد می‌شود. این نقوش اطلاعاتی را درباره‌ی خسارت و صدمات ناشی از آن نور برملا می‌کنند. نویسندگان این گزارش٬ یک الگوی رنگین‌کمان را با شلیک ساختن پالس‌های لیزریِ شدید بر روی دنباله‌ای از مواد شفاف٬ همچون شیشه و کوارتز٬ مشاهده کرده‌اند. به گفته‌ی این تیم چنین اثری که تاکنون به شکل شگفت‌آوری نادیده گرفته شده بود٬ می‌تواند راهی را به سوی نظارت بر فرسایش ناشی از لیزر پیشنهاد دهد؛ تکنیکی که می‌تواند در زمینه‌های مختلفی از جراحی دندان گرفته تا حفاظت و نگهداری از کارهای هنری مورد استفاده قرار گیرد.
فرسایش لیزری از پالس‌های لیزری مافوق‌کوتاه٬ که معمولاً در حدود فمتوثانیه درازا دارند ایجاد می‌شود. چنین پالس‌هایی برای انفجار مقادیر کمی از ماده از جایگزیده‌ساختن حرارت استفاده می‌کند. از این تکنیک می‌توان بعنوان مثال در پاکیزه سازیِ اشیاء عتیقه٬ انجام جراحی چشم٬ تولید قطعات میکروسکوپیکیِ مصنوعی و فیلم‌های نازک استفاده کرد. اما به گفته‌ی یی لیو (Yi Liu) از دانشگاه اکول پلی‌تکنیک (Ecole Polytechnique) در پالیو (Palaiseau)٬ هیچ‌کس توجه زیادی به نور پراکنده شده از چنین موادی نداشته است. «همه٬ غالباً پس از فرسایش به ساختار سطح توجه دارند و نه به خودِ نور.» لیو و همکارانش از یک عدسی که از طول کانونی غیرعادی طولانی برخوردار است برای آزمایش‌های فرسایش استفاده کرده‌اند٬ و بدین وسیله توانستند تا الگوی رنگارنگی از نور را که ماده‌ی فرسایش یافته را ترک می‌کند٬ مشاهده کنند.
به منظور تحقیق درباره‌ی این الگو٬ این تیم هزاران پالس لیزری فروسرخ را بر روی بلوک‌هایی از مواد شفاف شلیک کرده و تصویرهایی از نور خارج‌شونده از پشت هر نمونه را ضبط کردند. پس از ۱۰ پالس تنها نقطه‌ای روشن از نور سفید وجود داشت که پرتوی لیزر به شکل مستقیم از آن عبور می‌کرد. (لیزر فروسرخ بدلیل اندرکنش‌های پیچیده بین نور و ماده که گستره‌ای از رنگ‌ها را ایجاد می‌کند٬ سبب تولید شدن نور سفید می‌شود). اما چنان‌چه این محققان پالس‌های لیزری بیشتری را شلیک می‌کردند٬ حلقه‌ای از نقاط روشن و رنگی دورتادورِ نقطه‌ی سفید مرکزی ظاهر می‌شد و تدریجاً انبساط می‌یافت. با افزایش تعداد پالس‌ها٬ این حلقه به دو شکل٬ بیضی داخلی و خارجی٬ شکافته شد و نهایتاً به شکل رگه‌های شعاعی که یادآور چشم گربه است -نوعی رنگین‌کمان دایروی متلاشی شده- تکامل یافت. محققان این را «نور سفید مژگانی» (CWL) نامیدند چون درست شبیه نگاه تاج مشگانی است زمانی که یک فرد در شب به نور روشن نگاه می‌کند. آنها اثر مشابهی را برای ۱۴ ماده‌ی مختلف مشاهده کردند که شامل شیشه‌ی پیرکس٬ کوارتز٬ یاقوت کبود و پلیمرهای مختلف بود.
لیو و همکارانش از ذره‌بین الکترونی برای تحقیق در رابطه با تکامل این دهانه‌ی مخروطی٬ که در این مواد و در طول فرآیندِ فرسایش تشکیل می‌شد٬ استفاده کردند. ابتدا این دهانه کم‌عمق بود و با امواجی موازی با طول‌موج‌های تقریباً یک میکرون٬ پوشیده شده بود. اما با افزایش تعداد پالس‌ها٬ رژیمی با توپوگرافیِ متفاوت٬ در لبه‌های دهانه شروع به ظاهر شدن کرد و تدریجاً آن امواج را در برگرفت. سطح این رژیم به شکل یکنواخت با خوشه‌های شبیه میله که در حدود ۱۰۰-۲۰۰ نانومتر درازا دارد و با گودال‌هایی از هم جدا شده‌اند٬ پوشیده شده است. به گفته‌ی لیو٬ چنین ساختارهایی غالباً در فرسایش لیزری مشاهده شده بود اما محققان هنوز علت تشکیل چنان ساختارهایی را درک نکرده بودند.
بر اساس مدلِ این تیم٬ نوری که از امواج نخستین پراکنده می‌شود٬ شکلِ بیضیِ اولیه را متشکل از نقاط روشن ایجاد می‌کند؛ الگویی موسوم به الگوی پراش که وقتی نورِ همدوس به آرایه‌ی متناوبی از پراکنده‌سازها برخورد کند٬ تشکیل می‌شود. همچنان‌که فرآیند فرسایش به پیش می‌رود و توپوگرافیِ پوشیده از میله‌ها شروع به پوشش دادنِ سطح مخروطی می‌کند٬ نور نیز از این پراکنده‌سازهایی که به شکل منظم و مرتب در کنار هم جای گرفته‌اند٬ پراکنده می‌شود٬ اما این‌بار الگویی را خواهیم داشت که در آن به جای نقاط٬ اشکالی شبیه سوزن جای آنها را گرفته‌اند. برای چنین سوزن‌هایی٬ اثر «منشور»٬ که نور سفید را به رنگ‌های تشکیل‌دهنده‌اش پخش می‌کند٬ نسبت به آن‌چه در مورد نقاط اتفاق می‌افتاد٬ آشکارتر است. محققان همچنین پهن‌شدگیِ و انبساطِ حلقه‌ی چندرنگیِ مژگانی نور سفید را تشریح کرده‌اند: چنان‌چه دهانه‌ی مخروطی شکل عمیق‌تر می‌شود٬ زاویه‌ی راسِ آن کاهش می‌یابد که این باعث گسترده شدن زاویه‌ای می‌شود که نور شکسته شده از ماده از آن خارج می‌شود.
شبیه‌سازی‌های عددی لیو و همکارانش بر پایه‌ی پراکندگی از پروفایل‌های مخروطی اندازه‌گیری شده٬ استوار است. چنین پراکندگی‌هایی به الگوی نوری منجر می‌شود که بسیار شبیه چیزی است که در آزمایش مشاهده شده است. CWL مستقیماً متناظری است برای تاج مژگانی؛ که تصور می‌شود نتیجه‌ی پراکندگی نور از ذرات کوچکی باشد که در عدسیِ چشم وجود دارند.
این تیم خاطر نشان می‌کند که در اصل٬ هرکس می‌تواند به شکل معکوس نیز از این پدیده استفاده کند: اگر اجازه داده شود تا این فرآیند در زمان واقعی دنبال شود٬ از این الگوی نور می‌توان برای استنباط برخی ویژگی‌های سطحی که باعث ایجاد چنان الگویی می‌شود بهره برد. بن تراسکوت (Ben Truscott) از دانشگاه بریستول در انگلستان با این مطلب موافق است. به بیان وی: «بایستی بتوان مقدار موادی را که در هر پالس حذف می‌شود کاملاً و به طور دقیق٬ از آهنگ رشد چنین حلقه‌هایی بدست آورد. بسیار غیرماهرانه است که با وجود چنین تکنیکی این کمیات به وسیله‌ی چیزهای دیگر اندازه گرفته شود.»
به گفته‌ی اشتفان نولته (Stefan Nolte) از دانشگاه ینا در آلمان٬ هرچند که این تکنیک به شکل مفیدی به اثبات برسد٬ محاسبه‌ی ساختار دقیق سطح فرسایش یافته بایستی چالش برانگیز بوده باشد. لیو اذعان می‌کند که برای بازسازیِ جزئیات٬ نه تنها به شدت نور بلکه به اندازه‌گیریِ دامنه و پالس نور نیز نیاز است.
نویسنده:
فیلیپ بال (Philip Ball)٬ نویسنده‌ی علمی مستقلی در لندن و نویسنده‌ی کتاب «حس کنجکاوی: چگونه علم به همه چیز علاقه نشان داد (۲۰۱۲)» (Curiosity) است.
منبع:
نویسنده خبر: بهنام زینال‌وند فرزین
کد خبر : 934
آمار بازدید: ۳۱۶
آمار بازدید: ۳۱۶
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
حامیان انجمن فیزیک ایران (به حامیان انجمن بپیوندید)
Server:
Iran (45.82.138.40)
