.در سال 2012 Z برای پیشنهاد، اجرا و توسعه ی روش ساده و موثر روبش R.W Wood منصور شیخ بهایی - متولد 1355 شمسی برنده جایزه

Sheik-Bahae, Mansoor, Ali A. Said, and Eric W. Van .روزنه بسته Z چیدمان آزمایش روبش Stryland. "High-sensitivity, single-beam n2 measurements." Optics letters 14.17 (1989).

با ظهور و توسعه ی لیزرها، به عنوان منابع نوری با شدت بالا، اپتیک غیرخطی نیز پدید آمد. اپتیک غیرخطی اولین بار در سال 1961 میلادی (1340 شمسی) توسط فرانکن (Franken) و همکارانش زمانی متولد شد که آن ها توانستند با تاباندن نور لیزر قرمز به ماده، نوری با فرکانس دوبرابر در ناحیه ماورابنفش تولید کنند. به طور کلی اپتیک غیرخطی به مطالعه برهم کنش نورهای پرشدت با ماده می پردازد. پاسخ نوری مواد معمولا با دامنه ی میدان الکتریکی به صورت خطی متناسب است( \(\propto E\) ).اما در شدت های بالا پاسخ نوری مواد به سرعت قابل تغییر است. در این حالت ویژگی های ماده با توان-های بالاتر دامنه ی میدان الکتریکی نیز متناسب خواهد بود( \(\propto E. E^2.E^3\) ). حال از آنجایی که تغییر رفتار ماده نسبت به شدت پرتو، غیرخطی است، ویژگی های ماده نظیر ضریب جذب و شکست را در این شرایط غیرخطی می نامند. اپتیک غیرخطی علاوه بر فراهم آوردن شرایطی برای تغییر رنگ پرتوی نوری (برای مثال از قرمز به آبی)، امکان ایجاد پدیده های دیگر مانند تغییر شکل پرتو در فضا و زمان و همچنین تولید کوتاه ترین رویدادهایی که تاکنون بشر به آن دست یافته است (مانند پالس های آتو ثانیه) را فراهم آورده است. از این رو مواد غیرخطی کاربردهای فراوانی در سوئیچ های نوری ، پردازش نوری ، ارتباطات و تشخیص و درمان بیماری ها دارند. بنابراین بررسی ویژگی های غیرخطی آنها نظیر ضریب جذب و شکست همواره مورد توجه و علاقه بوده است. به علاوه با توجه به منحصربه فرد بودن ضریب جذب و شکست غیرخطی مواد (مانند حالت خطی)، اندازه گیری این مقادیر روشی جالب توجه برای تشخیص ترکیبات مواد ارگانیک نیز می باشد.

برای اندازه گیری ضریب جذب و شکست غیرخطی می توان به روش های گوناگونی نظیر تداخل سنجی غیرخطی (Nonlinear interferometry)، اندازه گیری تغییر شکل باریکه (Beam distortion measurement)، جابه جایی سنج ماره (Moire’ deflectometry) و روش روبش Z اشاره کرد. در این میان روش روبش Z علاوه بر دقت و سرعت در اندازه گیری ضرایب غیرخطی جذب و شکست مواد جامد، مایع، محلول های مایع و لایه های نازک به دلیل سهولت در برپایی و اندازه گیری همواره مورد توجه بوده است.

چیدمان اندازه گیری ضریب جذب و شکست غیرخطی به روش روبش Z

شکل 1 طرح واره ی چیدمان اندازه گیری ضریب شکست و جذب غیرخطی به روش روبش Z (روزنه باز و بسته) را نشان می دهد. تمام ابزار اپتیکی و اپتومکانیکی استفاده شده در این چیدمان شامل لیزر پرتوان، توان سنج نیمه هادی سه عدد، عدسی همگراکننده دو عدد، باریکه شکن دو عدد، نمونه، کووت، نگهدارنده کووت و جابه جاگر خطی موتوردار، توسط شرکت نمایه پرتو آشا تولید و به فروش می رسند. همانطور که در شکل نمایان است، پرتوی لیزر (تابش پیوشته) بعد از ورود به باریکه شکن به دو بخش تقسیم می شود. بخش عبوری پرتو جهت مرجع گیری از توانِ لیزر وارد توان سنج 1 می شود. باتوجه به نوسانات توان و جهت نرمالایز کردن توان های ثبت شده توسط توان سنج 2 و 3 توان پرتوی لیزر قبل از ورود به بخش اصلی چیدمان در طول زمان آزمایش اندازه گیری و ثبت می شود. پایدارساز و راه انداز دیود لیزر شرکت نمایه پرتو آشا با کنترل شرایط محیطی و تنظیم جریان ورودی، امکان تنظیم توان خروجی دیود را فراهم می کنند. در ادامه، بخش بازتابی از باریکه شکن 1 بعد از عبور از عدسی همگراکننده وارد نمونه می شود. پرتوی خروجی از نمونه بعد از عبور از باریکه شکن 2، دو بخش می شود. پرتوی عبوری وارد شاخه ای می شود که علاوه بر توان سنج، روزنه ای درمقابل آن نیز حضور دارد. این شاخه درواقع بخش چیدمان روبش Z روزنه بسته جهت اندازه گیری ضریب شکت غیرخطی است. بخش بازتابی از باریکه شکن نیز وارد شاخه ی اندازه گیری روبش Z روزنه باز می شود. جهت ورود تمام پرتوی لیزر به توان سنج در مقابل آن یک عدسی همگراکننده قرار داده می شود. با رصد توان ثبت شده توسط این توان سنج می توان ضریب جذب غیرخطی را به دست آورد.

اندازه گیری ضریب شکست غیرخطی با استفاده از آزمایش روبش Z روزنه بسته

با رسم توان بهنجار شده ی توان سنج 2 برحسب موقعیت مکانی نمونه روی محور Z که به عبارت دیگر توان ثبت شده در حالت روزنه بسته را به دست می دهد، نموداری مانند شکل 2 حاصل خواهد شد.

باتوجه به ویژگی های ماده ی مورد آزمایش درصورت مثبت بودن ضریب شکست غیرخطی ابتدا دره و سپس قله (نمودار قرمز) و درصورت منفی بودن مقدار ضریب شکست غیرخطی ابتدا قله و سپس دره (نمودار آبی خط چین) ثبت خواهد شد. ذکر این نکته ضروری است که باتوجه به وجود جذب دو و یا چند فوتونی و همچنین اشباع جذب، تقارن ارتفاع قله و دره از بین می رود. جذب چند فوتونی موجب پایین آمدن قله و عمیق شدن دره خواهد شد. در حالی که پدیده اشباع جذب موجب افزایش ارتفاع قله و کاهش عمق دره می شود.

با داشتن اختلاف توان قله و دره می توان مقدار ضریب شکست غیرخطی با رابطه ی تجربی 1 به دست می‌آید.

$$n_2=\frac{\lambda}{2\pi I_{0}L_{eff}} \frac{(T_{P} - T_{V})}{0.406(1-S)^{0.27}}$$

که در آن \(\lambda\) طول موج لیزر، \(I_{0}\) شدت پرتوی لیزر روی محور و در نقطه ی کانونی (Z=0) درون نمونه و \(T_{P}\) و \(T_{V}\) به ترتیب توان بهنجار شده قله و دره است. در این رابطه S توان تراگسیل خطی روزنه و \(L_{eff}\) طول موثر نمونه هستند که با روابط 2 و 3 به دست می آیند. توجه شود که واحد ضریب شکست غیرخطی \(\frac{Cm^2}{W}\) خواهد بود.

$$S = 1 - exp(-\frac{2r_{a}}{w_{a}})$$

که در آن \(r_{a}\) و \(w_{a}\) به ترتیب شعاع روزنه و شعاع باریکه ی لیزر در محل روزنه (در غیاب نمونه) است. در حالتی که روزنه نباشد در واقع S=1 خواهد بود. طول موثر نمونه نیز با رابطه 3 به دست می آید.

$$L_{eff}=\frac{(1-e^{αL})}{\alpha}$$

که در آن L ضخامت نمونه و α ضریب جذب خطی نمونه می باشد.

اندازه گیری ضریب جذب غیرخطی با استفاده از آزمایش روبش Z روزنه باز

با رسم توان بهنجار شده توان سنج 3 برحسب موقعیت مکانی نمونه روی محور Z که به عبارت دیگر توان ثبت شده در حالت روزنه باز را به دست می دهد، نموداری مانند شکل 3 حاصل خواهد شد.

در صورت غالب بودن پدیده اشباع جذب نمودار ثبت شده مانند نمودار 1 (نمودار خط چین) و در صورت غالب بودن پدیده جذب دوفوتونی مانند نمودار 2 (نمودار خط پر) خواهد شد. در شرایط اشباع جذب، جذب نور عبوری از ماده با افزایش شدت آن کاهش می یابد. با داشتن توان قله و یا دره می توان مقدار ضریب جذب غیرخطی را با رابطه ی تجربی 4 به دست آورد.

$$\beta =\frac{2\sqrt{2}}{I_{0}L_{eff}} \Delta T(Z) (1+\frac{Z^{2}}{Z^{2}_{0}})$$

که در آن \(\Delta T(Z)=T(Z)-1\) و \(Z_{0}\) طول رایلی پرتوی لیزر است. توجه شود واحد ضریب جذب غیرخطی برابر است با \(\frac{Cm}{W}\).

ضریب جذب و شکست غیرخطی برخی مواد

جذب چند فوتونی

جذب دو و یا چندفوتونی به فرآیندی گفته می شود که در آن اتم و یا ملکول با جذب انرژی دو و یا چند فوتون بین دو حالت مُجاز انرژی گذار انجام می دهد. شکل 4 به روشنی اختلاف بین جذب تک و دو فوتونی را نشان می دهد. همانطور که در شکل نمایان است در حالت جذب تک فوتون اتم و یا ملکول با جذب یک فوتون از حالت پایه به حالت برانگیخته گذار می کند. اما در جذب دو فوتونی که در شدت های بالا اتفاق می افتد، اتم و یا ملکول با جذب فوتونی با انرژی کمتر از اختلاف بین ترازهای انرژی مُجاز، ابتدا به حالت مَجازی (Virtual State) رفته و دوباره با جذب فوتونی دیگر با همان انرژی به تراز برانگیخته گذار (تراز مُجاز) می کند.

اشباع جذب (Saturable Absorption)

جذب قابل اشباع یا همان اشباع جذب به آن ویژگی از ماده گفته می شود که در آن جذب نور با افزایش شدت، کاهش می یابد. به عبارت دیگر در شدت های بالا مواد غیرخطی در اثر اشباع جذب نسبت به عبور پرتو شفاف می شوند.

جایزه R.W. Wood جایزه علمی معتبر در زمینه فیزیک است که توسط Optical Society of America اعطا می‌شود. این جایزه به نام Robert Williams Wood در سال 1975 تاسیس و به افرادی اعطا می‌شود که مشارکت برجسته‌ای در تحقیقات و توسعه فیزیک نور و نورشناسی داشته‌اند. رابرت ویلیامز وود فیزیکدان آمریکایی متولد 1868 میلادی – 1285 خورشیدی بیشتر به دلیل توضیح اثر نور سیاه شناخته شده است. او کارهای زیادی روی نور فرابنفش و همچنین فلورسانس انجام داد و اولین فیلتر را برای نور فرابنفش اختراع کرد. فیلتری که تمام نور مرئی را حذف می کرد. او عکاسی مادون قرمز و فرابنفش را توسعه داد. او همچنین به مطالعه مسائل مربوط به پراش و تداخل پرداخت و توانست توری های echelette blazed را برای تشعشعات فروسرخ تولید کند. او در سال 1955 میلادی – 1374 خورشیدی درگذشت.