ما هي البلورات غير الخطية

ما الذي يجعل البلورة غير الخطية؟

البلورة غير الخطية هي مادة ذات استجابة متغيرة حسب شدة الضوء. لا يتناسب ناتجها مع الضوء الداخل إليها على عكس البلورات العادية. فهي تحتوي على ترتيبات جزيئية أو ذرية خاصة تسمح للموجات الضوئية بالاندماج وتوليد ترددات جديدة. وببساطة، عندما يتم توجيه الضوء من خلال بلورة غير خطية، يمكن للضوء أن يتغير لونه أو ينقسم إلى أشعة متعددة ذات طاقات مختلفة.

تساعد هذه البلورات في إحداث تأثيرات مثل مضاعفة التردد أو التوليد التوافقي الثاني. على سبيل المثال، يمكن تحويل شعاع الليزر بالأشعة تحت الحمراء إلى ضوء أخضر مرئي من خلال هذه العملية. وتؤدي البلورات غير الخطية أيضًا دورًا في عمليات مثل توليد مجموع الترددات وتوليد الترددات المختلفة. وتعتمد طبيعة هذه البلورات بشكل كبير على شدة الضوء والاتجاه المحدد للبلورة نفسها.

مزيد من القراءة: شرح البلورات البصرية الخطية وغير الخطية

الخصائص البصرية الرئيسية للبلورات غير الخطية

تتميز البلورات غير الخطية بخصائص بصرية معينة. ومن بين السمات الرئيسية معامل اللاخطية. يخبرنا المعامل عن الفعالية التي يمكن للبلورة من خلالها تحويل تردد من الضوء إلى تردد آخر. قد يكون للبلورة شائعة الاستخدام معامل يبلغ حوالي 2.5 بيكومتر لكل فولت وبالتالي تكون ذات قيمة في بعض استخدامات الليزر.

الخاصية الثانية هي حالة مطابقة الطور. تعد مطابقة الطور أمرًا حيويًا لتحويل التردد الفعال. ويتحقق ذلك عندما تنتقل موجات الضوء المختلفة بسرعات تسمح لها بالتفاعل البناء. ويعتمد هذا الشرط على انكسار البلورة، أي وجود مؤشرين انكساريين مختلفين. وتقوم معظم التجارب بتثبيت الزاوية الدقيقة للبلورة بالنسبة لشعاع الضوء من أجل الحصول على أفضل نتيجة.

كما أن نطاق الشفافية للبلورة غير الخطية له أهمية قصوى أيضًا. يجب أن تسمح البلورة بتمرير التردد الساقط وكذلك التردد المتولد من الضوء دون فقدان. على سبيل المثال، لوحظ أن بلورات بورات الباريوم بيتا (BBO) تؤدي أداءً مرضيًا في نطاق الطول الموجي الواسع من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء. هذه المعلومة مهمة في اختيار البلورة المناسبة للتطبيق.

يعد تفاعل الضوء مع البلورات غير الخطية من بين الجوانب الأكثر إثارة للاهتمام في علم البصريات. فالمجال الكهربائي للضوء الذي يتفاعل مع الشبكة البلورية عند مروره عبر البلورات سيعدل سلوك الضوء. تتفاعل البلورة بشكل غير خطي عندما تكون شدة الضوء عالية بما فيه الكفاية. وغالبًا ما يُستخدم شعاع ليزر موازٍ لضمان سهولة ملاحظة التأثير.

أحد الاستخدامات النموذجية هو مضاعفة التردد. يمكن لحزمة من تردد معين للأشعة تحت الحمراء أن تخرج من البلورة كحزمة ضعف هذا التردد، أي الضوء المرئي. وتجمع البلورات غير الخطية أيضًا بين ترددين أو أكثر من الضوء في تردد واحد أو تفرّق شعاعًا إلى شعاعين جديدين أو أكثر. يتحكم العلماء والمهندسون في الضوء الساقط واتجاه البلورة لتوجيه الخرج بدقة. وقد أوجد هذا التأثير العديد من الاستخدامات القيمة في الأجهزة اليوم.

الأنواع العامة للبلورات غير الخطية

هناك عدد من البلورات غير الخطية الموجودة في المختبر والصناعة. بورات باريوم بيتا باريوم (BBO) هي واحدة من أكثرها شيوعًا. وهي تستخدم بشكل شائع جداً لتحويل تردد الأشعة فوق البنفسجية. فوسفات تيتانيال البوتاسيوم تيتانييل (KTP) هي بلورة أخرى مطلوبة بشدة وتستخدم عادة في توليد الضوء الأخضر من أشعة الليزر تحت الحمراء. ويشتهر نيوبات الليثيوم بسبب عدم خطيته الممتازة وتطبيقاته في التحوير البصري وتحويل التردد.

وتمتلك بلورات أخرى، بما في ذلك فوسفات ثنائي هيدروجين الأمونيوم (ADP) وفوسفات ثنائي هيدروجين البوتاسيوم منزوع اليوترات (DKDP)، تطبيقات فريدة من نوعها. فهي تقدم خصائص فريدة يمكن تطبيقها على تطبيقات محددة. يعتمد اختيار البلورات على نطاق الطول الموجي وكفاءة التحويل والاستقرار الحراري. تمتلك كل بلورة نقاط قوة وضعف تجعلها مناسبة لتطبيقات محددة في التجارب البصرية والعمليات الصناعية.

التطبيقات في الليزر والضوئيات وتحويل الترددات

تجد البلورات غير الخطية تطبيقات واسعة في مجال الليزر والضوئيات. يسمح تحويل التردد بالليزر للأجهزة بتوليد أطوال موجية غير متوفرة مجانًا من وسائط الليزر. ومن الأمثلة على ذلك مصدر ليزر Nd:YAG القياسي الذي ينبعث منه ضوء الأشعة تحت الحمراء ويمكنه توليد ضوء أخضر مرئي أثناء مروره عبر بلورة مضاعفة التردد مثل KTP.

كما أنها تستخدم في معدات الضوئيات المنتشرة. تتطلب أنظمة الألياف الضوئية في بعض الأحيان ضوءًا بترددات أخرى، وتساعد البلورات في توليدها. وتشمل التطبيقات الصناعية القطع بالليزر ومعالجة المواد بالليزر. وتُعد الدقة التي توفرها البلورات غير الخطية هنا أمرًا بالغ الأهمية للسماح بالقطع النظيف والحد الأدنى من الضرر الحراري.

وترتكز عملية التحويل في هذه البلورات على بيانات صارمة. على سبيل المثال، يتم تسجيل زوايا مطابقة الطور وكفاءة التحويل بدقة. وتستخدم معظم المختبرات بلورات تصل كفاءة التحويل فيها إلى حوالي 50 في المائة في الظروف المثالية. وتفسر هذه الموثوقية لماذا تلعب البلورات غير الخطية أدوارًا رئيسية في التكوينات البصرية والمعدات العلمية الحالية.

الخاتمة

البلورات غير الخطية هي المكونات الرئيسية لغالبية التقنيات الضوئية والبصرية. فهي تستجيب لشدة الضوء بطريقة غير عادية. تسمح خصائصها الخاصة بتحويل تردد الضوء وخلق ألوان ضوئية جديدة. وتُستخدم المواد العادية مثل BBO وKTP ونيوبات الليثيوم في التجارب المختبرية وكذلك في التطبيقات الصناعية. واستخدامها هو أساس معظم أنظمة الليزر ومحولات التردد. لمزيد من البصريات، يرجى زيارة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: ما هي البلورة غير الخطية؟

س: بلورة تغير تردد الضوء عند مرور ضوء عالي الكثافة من خلالها.

و: كيف تؤثر مطابقة الطور على تحويل الضوء؟

س: تعمل مطابقة الطور على مزامنة الموجات الضوئية لإنتاج تحويل فعال للتردد.

و: ما هو أحد الأمثلة على أحد التطبيقات الشائعة للبلورات غير الخطية؟

س: تُستخدَم لتحويل ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى ضوء مرئي في أنظمة الليزر.