التوليد التوافقي الثاني

التوليد التوافقي الثاني (SHG/Second Harmonic Generation) أو مضاعفة التردد، هو عملية بصرية لاخطية يتفاعل فيها فوتونان لهما نفس التردد مع مادة لاخطية، ويندمجان معا ليكونا فوتونا جديدا يملك ضعف طاقة الفوتونين الابتدائيين (ضعف التردد ونصف الطول الموجي). فهذه العملية حالة خاصة من توليد الجمع الترددي (Sum-frequency generation).
تحدد القابلية الكهربية اللاخطية من الدرجة الثانية ما إذا كان وسط ما قادرا على إحداث التوليد التوافقي الثاني. فالتوليد التوافقي الثاني، مثلما هو الحال مع الظواهر البصرية اللاخطية من الدرجة الثانية الأخرى، لا يتولد في وسط ذي تماثل انعكاسي.
في بعض الحالات، يمكن أن يتحول ما يقرب من 100% من طاقة الضوء إلى تردد توليد توافقي ثانٍ. تتضمن هذه الحالات عادة استخدام أشعة ليزر نابضة مكثفة تمر عبر بلورات كبيرة، وذلك بشكل منتظم يحرص على إنتاج أطوار متماثلة. وفي حالات أخرى، مثل التصوير المجهري التوافقي الثاني، يتحول جزء صغير فقط من الطاقة إلى تردد توافقي ثان، ومع ذلك يمكننا الكشف عن هذا الضوء باستخدام المرشحات الضوئية.
طبقت عملية التوليد التوافقي الثاني في الاتصالات الراديوية منذ تطويرها في بدايات القرن العشرين، وتم استخدامها عند ترددات في نطاق الميغاهيرتز. فهذه العملية حالة خاصة من مضاعفة الترددات.

التاريخ

أثبت وجود التوليد التوافقي الثاني لأول مرة بواسطة بيتر فرانكن، أ. إي. هيل، س. بيترز، و ج. واينريش بجامعة ميشيغان بآن آربر عام 1961. كان الإثبات ممكنا بفضل اختراع الليزر الذي أوجد الكثافة العالية المطلوبة من الضوء المترابط. حيث قام الباحثون بتركيز ليزر ياقوتي بطول موجي يساوي 694 نانومتر ووجهوه نحو عينة من الكوارتز. ومن ثم، تم توجيه الضوء النافذ نحو مطياف لتسجيل الطيف على ورقة فوتوغرافية، واتضح أن الضوء النافذ له طول موجي يساوي 347 نانومتر. يشتهر عن الورقة البحثية لهذه التجربة أنها عندما كانت ستنشر في مجلة فيزيكال ريفيو ليترز، ظن محرر النسخة أن البقعة الباهتة (ذات الـ 347 نانومترا) الموجودة في الورقة الفوتوغرافية بقعة من الأوساخ، وقام بإزالتها من النسخة. تم وصف صياغة التوليد التوافقي الثاني في البداية من قبل ن. بلويمبيرغن وب. س. بيرشان بجامعة هارفارد، عام 1962. فباستخدامهم معادلات ماكسويل على السطح الفاصل المستوي بين الوسط الخطي واللاخطي، تم تفسير العديد من القوانين الخاصة بتداخل الضوء في الأوساط اللاخطية.

أنواعه في البللورات

للتوليد التوافقي الثاني ثلاثة أنواع يرمز لها بـ 0،  I، و II. في النوع 0 يكون للفوتونين استقطاب استثنائي بالنسبة إلى البلورة، ويندمج الفوتونان ليكونا فوتونا واحدا له ضعف التردد (الطاقة) وباستقطاب استثنائي. في النوع I يكون للفوتونين استقطاب عادي بالنسبة إلى البلورة، ويندمج الفوتونان ليكونا فوتونا له ضعف التردد وباستقطاب استثنائي. وفي النوع II يكون للفوتونين استقطاب متعامد، ويندمج الفوتونان ليكونا فوتونا له ضعف التردد وباستقطاب استثنائي. ولأي بلورة ذات اتجاه محدد، لا يحدث إلا نوع واحد فقط من هذه الأنواع الثلاثة. وبشكل عام، يتطلب الحصول على النوع 0 وجود بلورة ذات تماثل طوري ظاهري، كبلورات نيوبات الليثيوم المستقطبة دوريا.

التحليل الطيفي باستخدام التوليد التوافقي الثاني

في العلوم البيولوجية والطبية، يتم استخدام التوليد التوافقي الثاني في إجراء فحوص تصويرية مجهرية عالية الدقة. فبسبب معامل التوليد التوافقي الثاني اللاصفري، فإن المركبات ذات التناظر اللامركزي فقط هي من يمكنها إشعاع ضوء توليد توافقي ثان. من أمثلة هذه المركبات، الكولاجين، والذي يتواجد في معظم الأنسجة الحاملة. باستخدام ليزر ذي نبض قصير مثل ليزر الفيمتوثانية وبضبط المرشحات الضوئية، يمكن بسهولة فصل ضوء الإثارة عن ضوء التردد المضاعف لإشارة التوليد التوافقي الثاني. يسمح ذلك بإنتاج دقة محورية وجانبية كبيرة للغاية، مقارنة بتلك الخاصة بالمجهر البؤري، وذلك دون الحاجة إلى استخدام الثقوب. استخدم التوليد التوافقي الثاني في دراسات أجريت على القرنية وعلى الصفيحة المصفوية للصلبة، حيث يعد الكولاجين مكونا رئيسيا بهما. يمكن إحداث توليد توافقي ثان باستخدام العديد من الصبغات العضوية ذات التماثل اللامركزي، ومع ذلك، فمعظم الصبغات العضوية تولد فلوريسينا جانبيا بجوار إشارات التوليد التوافقي الثاني. وحتى الآن، لم نجد سوى فئتين من الصبغات العضوية التي لا تنتج أي فلوريسين جانبي، وتنتج إشارات توافق ثان بشكل نقي.  وقد أظهر مجموعة من الباحثين من جامعة أكسفورد في تجربة، استخدموا فيها ضوءا مثارا من  الفلوريسين ثنائي الفوتون وتوليدا توافقيا ثانيا للتحليل الطيفي، أن الجزيئات العضوية من نوع بوفيرين تستطيع أن تمتلك عزوما ثنائية القطب مختلفة للفلوريسين والتوليد التوافقي الثاني، وهو عكس ما كان يعتقد سابقا عن تساوي العزوم.
يطبّق التحليل الطيفي باستخدام التوليد التوافقي الثاني أيضا في العلوم علوم المواد من أجل الحصول على وصف فوري للمواد النانوية.

الاستخدامات التجارية

يستخدم التوليد التوافقي الثاني في صناعات الليزر لصنع ليزر أخضر (ذي طول موجي يساوي 532 نانومتر) من مصدر ذي 1064 نانومتر. يتم ضخ المصدر ذي الـ 1064 نانومتر عبر بلورات فوسفات البوتاسيوم ثنائي الهيدروجين (KDP). وفي حالة ليزر الدايود عالي الدقة، تغطى البلورات عند المخرج بمرشح أشعة تحت حمراء لمنع تسريب الضوء ذي الـ 1064 نانومتر أو ضوء الأشعة تحت الحمراء ذي الـ 808 نانومتر إلى داخل الحزمة الضوئية. فهذان الترددان ليسا مرئيين، ولا يتسببان في إحداث رد فعل دفاعي من قبل العين (مُنعكَس الطّرف)، ولذلك فبإمكانهما أن يشكلا خطرا على العيون. وعلاوة على ذلك، فإن بعض نظارات الحماية من الليزر تصنع للّيزر الأخضر أو ليزر الأرجون، وبذلك فقد ترشح المكون الأخضر خارجا، مما يعطي إحساسا خاطئا بالأمان، ويتسبب في انبعاث الأشعة تحت الحمراء. ورغم ذلك، أصبحت بعض مؤشرات الليزر الخضراء متاحة في السوق دون مرشح الأشعة تحت الحمراء باهظ الثمن، وفي الغالب لا يتم التحذير من ذلك. يستخدم التوليد التوافقي الثاني أيضا في قياس نطاق النبض فائق القصر بواسطة الترابط التلقائي للكثافة.