با این لیزر جدید می‌توان زمان را دقیق‌تر اندازه‌گیری کرد

نام لیزر مترادف با دقت است. دقتی که به‌ندرت در سایر دست‌ساخته‌های بشر می‌توان یافت. با این حال، این دقت را می‌توان باز هم افزایش داد. بیش از 50 سال از زمانی می‌گذرد که لیزر به‌عنوان یک ابزار فنی مطرح شد و اکنون آنقدر کاربرد دارد که زندگی بدون آن برای ما تصورناپذیر است. حتی زمانی که ما به موسیقی گوش می‌دهیم یا فیلم تماشا می‌کنیم، از لیزر استفاده می‌کنیم. پلیس با کمک لیزر تخلفات جاده‌ای را کنترل می‌کند و این لیزر است که پرداخت در فروشگاه‌ها را ساده‌تر کرده است. لیزر در حوزه‌های متنوعی استفاده می‌شود؛ از صنعت و پزشکی گرفته تا فناوری اطلاعات. این ابزار تحولات بسیار مهمی در بسیاری از حوزه‌های تحقیقاتی و مترولوژی (دانش اندازه‌گیری) ایجاد کرده است.
یک لیزر خوب و ایده‌آل باید نور را در یک طول موج (یا فرکانس) مشخص و ثابت منتشر کند و این چیزی است که فناوری تا به امروز به آن دست نیافته است. در عمل لیزرهای فعلی نور را در طیفی از طول موج‌ها (و نه یک طول موج خاص) منتشر می‌کنند که پهنایی از چند کیلوهرتز تا چند مگاهرتز را دربر می‌گیرد و این برای آزمایش‌ها و کاربردهایی که نیازمند دقت بسیار بالایی هستند کافی نیست. دانشمندان این گستره را پهنای خط لیزر می‌نامند. یکی از اهداف تحقیقات در حوزه لیزر این است که تا جای ممکن این پهنای خط را باریک‌تر کنیم یا به عبارت دیگر تعداد طول موج‌ها را به عدد یک نزدیک کنیم. در حالت کلی، بهترین لیزرها پهنای خطی به باریکی چند کیلوهرتز دارند، اما برای ابزارهای دقیق نظیر ساعت‌های اتمی نوری لازم است این پهنا کمتر شود. کیفیت پرتو لیزر به پایداری فرکانسی نور آن نیز بستگی دارد. بعد از گذشت زمان مشخصی ارتعاش امواج نوری از هماهنگی (سینک) خارج می‌شود؛ بنابراین، هرچه لیزر بتواند مدت طولانی‌تری پایداری خود را حفظ کند بهتر است.
اکنون گروهی از محققان موفق شده‌اند باریک‌ترین لیزری که تاکنون ساخته شده است ارائه کنند؛ لیزری با پهنای خط 10 میلی‌هرتز (یا یک صدم هرتز). لیزر جدیدی که گروه متشکل از محققان آلمانی از انستیتوی ملی مترولوژی آلمان (PTB) و امریکایی (از JILA ) (1) توسعه داده‌اند، در هر دو زمینه عالی عمل می‌کند. این لیزر علاوه بر پهنای خط منحصر به فرد 10 میلی‌هرتز، امواج نوری با مدت پایداری 11 ثانیه ارائه می‌کند. محققان می‌گویند امواج نوری این لیزر که حدود 200 تریلیون بار در ثانیه نوسان می‌کند، برای 11 ثانیه پایدار می‌ماند. یعنی 11 ثانیه طول می‌کشد تا از سینک خارج شود. در این مدت زمان، پرتو نور لیزر 3.3 میلیون کیلومتر را طی خواهد کرد؛ یعنی مسافتی در حدود 10 برابر فاصله بین زمین تا ماه. به بیان دیگر، این لیزر می‌تواند 5 بار بین زمین و ماه رفت و آمد کند بدون اینکه پایداری خود را از دست داده باشد.

یک لیزر خوب و ایده‌آل باید نور را در یک طول موج (یا فرکانس) مشخص و ثابت منتشر کند و این چیزی است که فناوری تا به امروز به آن دست نیافته است.

ساختار
بعد از حدود 10 سال تلاش، این محققان موفق به ساخت این لیزر با کمک ابزاری به‌نام «نوسانگر سیلیکونی فابری-پرو»(Fabry-Pérot Silicon Resonator) شده‌اند. (شکل 1) این ابزاری است که برای کنترل طول موج نور استفاده می‌شود و از دو آینه ثابت با قابلیت انعکاسی زیاد تشکیل شده است که در فاصله ثابتی از هم مقابل یکدیگر و بین دو مخروط قرار گفته‌اند. فاصله بین این دو آینه و به‌ویژه پایداری آن‌ها پهنای خط لیزر درون آن را کنترل می‌کند. بنابراین، چالشی که محققان با آن مواجه بودند این بود که تا جای ممکن آینه‌ها را پایدار نگه دارند و این به معنای مصون نگه داشتن سامانه از تداخلات مزاحم محیطی نظیر تغییرات فشار، لرزش‌های ناشی از صدا و امواج لرزه‌ای زمین و نواسانات حرارتی بود. مورد دیگری که دانشمندان باید آن را به حداقل می‌رساندند، نویز حرارتی مربوط به حرکات براونی در نوسانگر بود. برای دستیابی به این هدف آن‌ها نوسانگر را از سیلیکونی تک کریستالی که تا دمای منفی 150 درجه سلسیوس سرد شده بود ساختند. درست همان طور که در یک ارگ سنتی طول لوله‌ها تعیین‌کننده فرکانس امواج صدا است، در اینجا هم طول نوسانگر تعیین‌کننده فرکانس امواج نوری است. برای به دست آوردن پرتو لیزر مورد نظر، طول نوسانگر 21 سانتی‌متر در نظر گرفته شد. پایدارکننده‌های الکترونیکی ویژه‌ای نیز به‌منظور اطمینان از اینکه فرکانس نور لیزر از فرکانس طبیعی نوسانگر پیروی می‌کند، کار گذاشته شد. پایداری فرکانسی لیزر و همین طور پهنای خط آن فقط به پایداری طول (ثابت بودن طول) نوسانگر فابری-پرو وابسته است.

کاربردها
محققان یکی از کاربردهای مهم چنین لیزری را تعیین زمان استاندارد می‌دانند. توماس لگرو از محققان این پروژه می‌گوید: «پهنای خط باریک‌تر یک لیزر دقت اندازه‌گیری فرکانس اتم را در یک ساعت نوری افزایش می‌دهد. این لیزر جدید ما را قادر خواهد ساخت تا به ‌طور مطمئن کیفیت ساعت‌هایمان را بهبود دهیم.» (2)
اگر بخواهیم از لیزر برای بهبود ارتباطات رادیویی در تحقیقات فضایی استفاده کنیم، باید کاری کنیم تا لیزر در مسافت بیشتری خود را پایدار نگه دارد. گروه  PTB معتقدند که می‌توان پهنای خط این لیزر را کمتر کرد. این محققان اعتقاد دارند که با تغییر در ترکیب آینه‌ها و یافتن راه‌هایی برای کاهش دمای درونی نوسانگر، پهنای خط را می‌توان باز هم کاهش داد و حتی آن را به کمتر از 1 میلی‌هرتز رساند.
در حال حاضر، از لیزرها برای بهبود عملکرد ساعت‌های اتمی نوری و اندازه‌گیری دقیق اتم‌های فوق سرد استفاده می‌شود. در آینده می‌توان از لیزرها با دقت بالاتری برای اندازه‌گیری تشعشعات الکترومغناطیسی استفاده کرد و حتی برای آزمودن نظریه نسبیت از آن‌ها کمک گرفت.

پی‌نوشت‌ها:
1- مؤسسه‌ای تحقیقاتی با همکاری مؤسسه ملی فناوری و استاندارد و دانشگاه کلرادو است.
2- ساعت‌هایی با این میزان از دقت برای اعلام زمان محلی یا کاربردهایی مشابه این استفاده نمی‌شوند، بلکه برای نگهداری زمان استاندارد کاربرد دارند. با کمک آن‌ها می‌توانیم ساعت‌های معمول خود را تنظیم کنیم و دقت زمان‌سنجی آن‌ها را مورد ارزیابی قرار دهیم. این ساعت‌های دقیق ناوبری سفرهای بین سیاره‌ای را دقیق‌تر خواهند کرد و به ما کمک می‌کنند تا درک بهتری از رازهای عالم به دست آوریم و حتی در ارسال ایمن اطلاعات روی اینترنت از آن‌ها کمک بگیریم.