A fully integrated dispersion-managed femtosecond mode-locked laser
تقدم هذه الورقة ليزرًا متوافق النمط بالفيمتو ثانية، مدارًا للتشتت، ذاتي التشغيل، ومتكاملًا بالكامل على منصة من نتريد السيليكون، يحقق نبضات ذات معدل تكرار منخفض (0.5-1.2 جيجاهرتز) وأقل من 300 فيمتو ثانية مع عتبات منخفضة للغاية واستقرار فائق، مما يتيح تطبيقات قياس بصري ومستشعرات دقيقة مدمجة وقابلة للنشر في الميدان.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل عالم الضوء كأنه أوركسترا ضخمة وصاخبة. في هذه الأوركسترا، يكون "الليزر" بمثابة قائد الأوركسترا الذي يجعل جميع الموسيقيين يعزفون النوتة ذاتها تماماً في الوقت ذاته، مما يخلق شعاعاً من الصوت النقي والمركز. ولكن في بعض الأحيان، لا نريد مجرد نوتة ثابتة؛ بل نريد إيقاع طبول سريع للغاية، إيقاعاً فائق السرعة ينبض آلاف المرات في طرفة عين. تُسمى هذه "ليزرات الفيمتو ثانية"، وهي الأسلحة السرية وراء كل شيء، بدءاً من إصلاح البصر وصولاً إلى قياس المسافة إلى النجوم بدقة مذهلة.
ولجعل هذه الليزرات أكثر فائدة، يستخدمها العلماء لإنشاء "أمشاط التردد البصري". فكر في المشط ليس كأداة تصفف بها شعرك، بل كمسطرة مصنوعة من الضوء. وبدلاً من أن تكون أسنان هذه المسطرة متباعدة بإنشات أو سنتيمترات، فإن هذه المسطرة تمتلك آلاف "الأسنان" الصغيرة والمتباعدة بدقة من الضوء. تسمح هذه المسطرة للعلماء بقياس الوقت والمسافة بدقة تجعلها تُحدث ثورة في كيفية ملاحتنا، وتواصلنا، وفهمنا للكون. لفترة طويلة، كانت أفضل المساطر مصنوعة من ألياف زجاجية ضخمة وهشة تملأ طاولات المختبرات بأكملها. لقد كانت تعمل بشكل رائع، لكنها كانت ثقيلة، ومكلفة، وحساسة لأدنى هزة. والسؤال الكبير في العلم الآن هو: هل يمكننا تقليص هذه المسطرة الضخمة والحساسة لتصبح بحجم شريحة كمبيوتر دون أن تفقد قواها الخارقة؟
هذا هو بالضبط ما نجح فريق من الباحثين في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL) في تحقيقه. فقد صنعوا ليزراً متكاملاً بالكامل وذاتي التشغيل على شريحة صغيرة تعمل مثل آلة طبول عالية السرعة. كان سر نجاحهم هو خدعة ذكية تسمى "إدارة التشتت". تخيل أنك تحاول الركض في سباق وأنت تحمل حقيبة ظهر ثقيلة ومتمايلة؛ إذا ركضت بسرعة كبيرة، فقد تتأرجح الحقيبة وتطرحك أرضاً. في عالم الليزرات الصغيرة، "حقيبة الظهر" هي الطاقة المكثفة لنبضة الضوء، و"التمايل" هو تأثير فوضوي يكسر الليزر عادةً قبل أن يتمكن من الركض بسرعة كافية. لقد حل الباحثون هذه المشكلة من خلال تصميم مسار للضوء يعمل مثل الأفعوانية (القطار السريع): جعلوا نبضة الضوء تتمدد (مثل السيارة وهي تصعد التل) لتهدأ، ثم ضغطوها مرة أخرى (مثل السيارة وهي تنحدر بسرعة) لتخلق ضربة قوية. يحدث هذا التمدد والضغط مراراً وتكراراً داخل الشريحة، مما يحافظ على استقرار النبضة حتى في السرعات العالية جداً.
النتيجة هي شريحة ليزر صغيرة تولد نبضات ضوئية بسرعة مذهلة، تتراوح بين 0.5 و1.2 مليار مرة في الثانية (0.5 إلى 1.2 جيجاهرتز). هذه النبضات قصيرة جداً بحيث لا تستغرق سوى 300 فيمتو ثانية (الفيمتو ثانية هو جزء من كوادريليون من الثانية). وما يجعل هذا مميزاً حقاً هو أنه لا يحتاج إلى مصدر طاقة خارجي ضخم ومكلف ليبدأ. يمكنه البدء بنفسه بكمية قليلة جداً من الطاقة، تصل إلى 27.3 ميلي واط فقط. ولأنها فعالة للغاية، تمكن الفريق من دمج شريحة الليزر ومصدر طاقتها (ديود ضخ صغير) معاً في وحدة واحدة مدمجة يمكن توصيلها بمقبس الحائط. الأمر يشبه أخذ مولد ضخم بحجم غرفة وتصغيره ليصبح بحجم صندوق حذاء، ومع ذلك لا يزال يعمل بنفس السلاسة.
عندما اختبروا هذا الليزر الجديد، وجدوا أنه مستقر بشكل مفاجئ. "المسطرة" التي يصنعها (مشط التردد) لا تتذبذب تقريباً. في الواقع، كانت أكثر استقراراً بمائتي مرة من أفضل أنظمة الليزر التجارية المعروضة حالياً في المتاجر، والتي عادة ما تكون بحجم حقيبة سفر صغيرة. لم يكن هذا الاستقرار مجرد ضربة حظ؛ فقد قاس الباحثون ذلك على مدار ساعتين ووجدوا أن الانحراف كان أقل من 1% من معدل النبضة. كما أظهروا أن هذه الشريحة يمكن إنتاجها بكميات كبيرة باستخدام طرق المصانع القياسية، مما يعني أن هذه الليزرات الصغيرة فائقة الاستقرار يمكن وضعها في كل شيء، من الأجهزة الطبية المحمولة إلى المستشعرات الميدانية التي تتبع التغيرات الكيميائية في الهواء. ومن خلال إثبات أنه يمكنك امتلاك ليزر قوي فائق السرعة على شريحة صغيرة يبدأ من تلقاء نفسه ويظل مستقراً، يفتح هذا البحث الباب أمام مستقبل تكون فيه أدوات الضوء عالية الدقة والقدرة على التنقل شائعة بقدر الهواتف الذكية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.