مهد هذا الحائز على جائزة نوبل الطريق لليزر عالي الكثافة

أثناء نشأتها ، كان لدى دونا ستريكلاند هدف واحد في الاعتبار: الحصول على درجة الدكتوراه. لكنها لم تكن تعرف الموضوع الذي ترغب في دراسته حتى بدأت دراساتها الجامعية في الفيزياء في جامعة ماكماستر ، في هاميلتون ، أونتاريو ، كندا. كان هناك اهتمامها بدراسة الليزر بعد أخذ دورة حول هذا الموضوع.

يقول ستريكلاند إن الموضوع بدا “رائعًا حقًا – وكأنه شيء من رواية خيال علمي”. لم تكن تعلم أن شغفها الجديد سيكسبها يومًا ما جائزة نوبل في الفيزياء.

أثناء إجرائها بحثًا في البصريات للحصول على درجة الدكتوراه في جامعة روتشستر في نيويورك ، عملت ستريكلاند مع الفيزيائي الفرنسي جيرار مورو ، رائد الليزر والحائز على جائزة نوبل. قاد مورو تطوير شبكة Extreme Light Infrastructure لمختبرات الفيزياء التي تم إنشاؤها لتوليد ودراسة ضوء الليزر المكثف. معًا ، أثناء تجربة كيفية زيادة طاقة الذروة لليزر دون إتلافها ، اخترعوا تقنية تضخيم النبض الزقزق. يستخدم CPA ، الذي ينتج نبضات ليزر قصيرة تصل إلى كثافة عالية ، الآن في جراحة العين التصحيحية والتصوير الطبي وتصنيع الهواتف الذكية والعديد من التطبيقات الأخرى.

تقاسم ستريكلاند ومورو جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2018 مع زميل IEEE Life آرثر أشكين ، الذي اخترع تقنية منفصلة: “ملاقط بصرية” ، تستخدم أشعة الليزر منخفضة الطاقة للتلاعب بالخلايا الحية والأشياء الصغيرة الأخرى.

يقول ستريكلاند: إن الحصول على جائزة نوبل “غيّر حياتك” ، مضيفًا: “يمكن أن تتغير حياتك في يوم واحد دون أن تكون مستعدًا لذلك”.

كما أكسبها اختراعها العضوية الفخرية في IEEE لهذا العام ، والتي ترعاها IEEE. وتقول إن التقدير أمر خاص لأن زملائها رشحوها لذلك.

كان عمل دونا تحويليًا. قال أحد المصادقين على جائزتها: “إن بحثها الأساسي حول تضخيم النبضات النحيلة هو المعيار الذهبي للبحث”. بالإضافة إلى ذلك ، فهي قدوة حقيقية لجحافل المهندسين حول العالم. إنها شخص عطاء للغاية ومثال ساطع لما يجب أن يكون عليه العضو الفخري في IEEE “.

ستريكلاند هي أستاذة الفيزياء بجامعة واترلو في أونتاريو ، حيث تقود مجموعة من الباحثين الذين يطورون أنظمة ليزر عالية الكثافة لتحقيقات البصريات غير الخطية مثل توليد نبضات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة عن طريق خلط الترددات ودراسة تقنية توليد رامان متعددة الترددات. .

حصلت دونا ستريكلاند على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2018 من الملك كارل جوستاف ملك السويد ، في قاعة ستوكهولم للحفلات الموسيقية.هنريك مونتغمري / وكالة أنباء تي تي / جيتي إيماجيس

تمهيد الطريق لأشعة الليزر عالية الكثافة

بعد تخرجه في عام 1981 بدرجة البكالوريوس في الهندسة في الفيزياء من McMaster ، انتقل ستريكلاند إلى نيويورك لمتابعة الدكتوراه في البصريات من جامعة روتشستر ، التي كانت تعتبر في ذلك الوقت واحدة من أفضل المدارس لدراسة بصريات الليزر. انضمت إلى مورو في مختبر جامعة الليزر للطاقة ، حيث كان يبحث عن طرق لزيادة كثافة الليزر (قوتها الضوئية) دون الإضرار بالجهاز.

يمكن لليزر النبضي تركيز الضوء على منطقة صغيرة لفترة قصيرة لإنتاج الطاقة. زادت شدة الذروة بسرعة لعدة سنوات بعد أن أظهر الفيزيائي ثيودور ميمان أول ليزر في عام 1960. ولكن الشدة توقفت لأكثر من عقد بعد عام 1970 لأن تضخيم الضوء بعد نقطة معينة أتلف الليزر.

في بحثه حول كيفية تفاعل الضوء مع المادة ، افترض مورو في عام 1983 أن تباعد النبضات وزيادتها قبل إعادة جمعها معًا يمكن أن يؤدي إلى نبضات ليزر عالية الكثافة دون حدوث ضرر. يقول ستريكلاند إنه لم يكن يعرف كيف ينجزها. لذلك من أجل بحث الدكتوراه ، اختبرت فرضيته باستخدام أنظمة ليزر مختلفة. ومع ذلك ، لم تنجح أي من تجاربها.

تعتبر دونا نموذجًا يحتذى به لجحافل المهندسين حول العالم. إنها شخص عطاء للغاية ومثال ساطع لما يجب أن يكون عليه العضو الفخري في IEEE “.

لم يكن الأمر كذلك حتى حضر ستريكلاند ومورو المؤتمر الدولي لعام 1984 حول الظواهر فائقة السرعة وجدا الحل. يجمع الحدث نصف السنوي العلماء الذين يطورون الأدوات والمنهجيات والتقنيات المستخدمة لدراسة العمليات في الذرات أو الجزيئات أو المواد التي تحدث في جزء من المليار من الثانية أو أسرع.

حضر ستريكلاند ومورو عرضًا تقديميًا في المؤتمر حول ضغط نبضات الألياف الضوئية المطور حديثًا لليزر عقيق الإيتريوم المصنوع من الألومنيوم المشبع بالنيوديميوم (Nd: YAG). باستخدام هذه التقنية ، يمكن ضغط نبضات 100 بيكو ثانية إلى 1 ps باستخدام البصريات غير الخطية في الألياف الضوئية لزيادة عرض النطاق الترددي الطيفي لليزر. وجد أن الضغط كان أكثر نجاحًا عندما تم السماح للنبضات بالتمدد من خلال التشتت في الألياف.

يتذكر ستريكلاند قائلاً: “كنت أستخدم نفس أنواع الليزر في تجاربي”.

اكتشفت هي ومورو كيف يمكنها إنشاء النبض عالي الشدة بأمان: يجب شد النبض قبل تضخيمه وليس بعده ، كما تم القيام به. شد النبض يعني أنه يمكن إعادة ضغطه لإنتاج الكثافة المطلوبة.

لاختبار نظريتها ، قامت Stickland و Mourou ببناء نظام في مختبر طاقة الليزر يتكون من ليزر Nd: YAG بقوة 2 وات ، و 1.4 كيلومتر من الألياف الضوئية ، ومكبر للصوت ، وزوج من الشبكات المتوازية.

يضخ ليزر Nd: YAG نبضة قصيرة بسرعة 100 ps في الألياف الضوئية. نظرًا لأن سرعة الضوء تعتمد على الطول الموجي ، فإن المكون الأحمر للضوء ينتشر بشكل أسرع من اللون الأزرق داخل الألياف.

ويشار إلى ذلك باسم “النبض الزقزقة” ، كما يقول ستريكلاند ، لأن زقزقة الطائر لها بنية تردد مماثلة.

يجعل النبض المزقّد مدة النبض أطول وينتشر شدته بحيث لا يتلف الليزر. تم بعد ذلك تضخيم النبضة الممدودة ذات كثافة الطاقة المنخفضة وتمريرها عبر زوج من حواجز الانعراج المتوازية – مما سمح للمكون الأزرق اللاحق باللحاق باللون الأحمر. تم إعادة تجميع كلاهما من خلال التفكير في حواجز شبكية. يقول Stickland إن النبض المعاد تجميعه كان أقوى بثلاث مرات من النبض الأصلي.

هذه التقنية ، التي سميت على اسم النبض الزقزق ، مهدت الطريق منذ ذلك الحين لأقصر نبضات ليزر وأكثرها كثافة على الإطلاق ، مما يجعل من الممكن بناء أنظمة ليزر أكثر إحكاما ودقة.

نُشرت ورقة ستريكلاند ومورو عام 1985 بعنوان “ضغط النبضات الضوئية النرداء المضخمة” في اتصالات البصريات. كانت أول ورقة بحثية منشورة لستريكلاند.

من برينستون إلى واترلو

بعد المساعدة في تطوير CPA ، لا يزال Strickland غير متأكد من المسار الوظيفي الذي يجب اتباعه. طلبت النصيحة من زملائها ، وأخبرها أحدهم أن بول كوركوم ، الفيزيائي الذي عمل في قسم الظواهر فائقة السرعة في المجلس الوطني الكندي للبحوث ، سيحصل على أول زميل أبحاث ما بعد الدكتوراه في ذلك العام. كان Corkum ، المتخصص في علوم الليزر ، رائدًا في تطوير فيزياء الأتوثانية. أحب ستريكلاند صوت ذلك.

تقول: “أتذكر إخبار مرشحي الدكتوراه الآخرين في مختبري البحثي أن كوركوم قد لا تعرف اسمي بعد ، لكنني سأكون ثاني باحثة ما بعد الدكتوراه”. حصلت على وظيفة أحلامها عام 1988 وعملت معه لمدة ثلاث سنوات.

في عام 1991 أصبحت عالمة فيزيائية في مختبر لورانس ليفرمور الوطني ، منشأة تابعة لوزارة الطاقة الأمريكية في كاليفورنيا.

بينما كانت تعيش على الساحل الغربي ، عاش زوجها ، وهو فيزيائي ، على الساحل الشرقي ، حيث كان يعمل في Bell Labs في موراي هيل ، نيوجيرسي.

بعد قضاء عام بعيدًا ، انتقل ستريكلاند إلى نيوجيرسي للانضمام إلى الطاقم الفني في مركز برينستون للتكنولوجيا المتقدمة للضوئيات والمواد الإلكترونية البصرية. لقد عملت مع المهندسين الكهربائيين ، والمهندسين الميكانيكيين ، والكيميائيين هناك ، كما تقول ، “وإذا كان لديهم ليزر ، فقد ساعدتهم.” ساعدت أستاذًا في بناء ليزر CPA وساعدت مجموعة بحثية كانت تجري توصيفًا بصريًا غير خطي لمادة جديدة لتضخيم النبض.

تقول ستريكلاند إنها اعتقدت أنها ستعمل في برينستون حتى تقاعدت ، ولكن بعد أن ترك زوجها مختبرات بيل في عام 1996 ، عادوا إلى كندا. انضم ستريكلاند إلى قسم الفيزياء بجامعة واترلو كأستاذ مساعد. تمت ترقيتها إلى أستاذ مشارك في عام 2002. من 2007 إلى 2013 ، شغلت منصب رئيس مشارك للقسم.

“عندما كنت صغيرًا ، أردت فقط الحصول على درجة الدكتوراه. والبقاء في المدرسة ، “يقول ستريكلاند. “كونك أستاذًا هو ثاني أفضل شيء بعد أن تكون طالبًا.”

حصلت على عضوية IEEE الفخرية في 5 مايو في قمة IEEE للرؤية والابتكار والتحديات وحفل التكريم الذي أقيم في فندق هيلتون أتلانتا.