Compact Fully Integrated Alignment-Free and Linearly Polarized Ho$^{3+}$ Single-Frequency Waveguide Laser

غالبًا ما يُعامل الضوء كأداة بسيطة، شعاع يحمل المعلومات أو يقطع المواد. ولكن بالنسبة لأكثر الأعمال العلمية دقة، من الاستماع إلى أضعف التموجات في الزمكان إلى إرسال البيانات عبر العالم، يجب أن يكون الضوء بمثابة نغمة واحدة ثابتة تمامًا. يطلق العلماء على هذا "ليزر أحادي التردد". وخلافًا للمزيج الفوضوي من الألوان الذي ينتجه المصباح اليدوي، فإن هذا الضوء يهتز عند طبقة صوتية واحدة دقيقة، ويظل مستقرًا وغير متغير. لعقود من الزمن، تطلب إنشاء مثل هذا الشعاع النقي معدات ضخمة، ومرايا دقيقة، وإعدادات معقدة يجب ضبطها يدويًا بدقة مجهرية. إذا اهتزت الطاولة أو تغيرت درجة الحرارة، يفشل الضبط ويصبح الضوء عديم الفائدة. كان التحدي يكمن في تصغير هذه الآلات الدقيقة إلى حزمة صغيرة ومتينة يمكنها البقاء في العالم الحقيقي دون الحاجة إلى ضبط مستمر، لا سيما لنطاق معين من الضوء يُعرف بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وهو أمر حيوي لاستشعار المواد الكيميائية والاتصال الآمن.

لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من بناء أول ليزر متكامل بالكامل من هذا النوع يعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء الصعب هذا دون الحاجة إلى أي ضبط يدوي. لقد صنعوا شريحة صغيرة، طولها ما يزيد قليلاً عن سنتيمتر واحد، تعمل كمصنع كامل لليزر. داخل هذه الشريحة، نحتوا مسارًا ليسلكه الضوء ثم نقشوا سلسلة من الأخاديد المجهرية في الزجاج نفسه. تعمل هذه الأخاديد كمرآة، حيث تحبس الضوء وتجبره على الاهتزاز عند تردد واحد نقي. الجهاز بأكمله مصنوع من نوع خاص من الزجاج المطعّم بالهولميوم، وهو عنصر أرضي نادر يتوهج عندما يتم تنشيطه. ومن خلال استخدام ليزر قوي فائق السرعة لكتابة مسار الضوء والمرايا مباشرة داخل الزجاج، ألغى الفريق الحاجة إلى مكونات منفصلة. والنتيجة هي جهاز ليس صغير الحجم بشكل مذهل فحسب، بل هو أيضًا مستقر للغاية، حيث ينتج شعاعًا ثابتًا من الضوء يمكن إرساله مباشرة إلى كابل ألياف ضوئية قياسي.

بدأت الرحلة بكتلة من زجاج الفلوريد، وهي مادة اختيرت لأنها تستطيع نقل الضوء عند الطول الموجي المحدد للأشعة تحت الحمراء المطلوب لهذا العمل. استخدم الباحثون ليزر "الفيمتو ثانية"، وهو أداة تطلق نبضات ضوئية قصيرة جدًا لدرجة أنها تستمر لواحد من كوادريليون من الثانية، لتعديل الزجاج. لم يكتفوا بنحت نفق واحد؛ بل بنوا هيكلًا معقدًا داخل المادة. أولًا، كتبوا "موجه موجي"، وهو قناة توجه الضوء، من خلال تركيز الليزر في عمق الزجاج. ثم، دون تحريك العينة أو إعادة ضبط المعدات، نقشوا "شبكة براغ للموجه الموجي". هذه الشبكة عبارة عن سلسلة من التغييرات الدورية في الزجاج تعمل كمرآة للون محدد من الضوء. أنشأ الفريق هذه المرايا عند أعماق وأطوال مختلفة لاختبار مدى كفاءتها، واستقروا في النهاية على تصميم يعكس الضوء عند طول موجي قدره 2062.21 نانومتر.

لتحويل هذا الهيكل إلى ليزر، قام الباحثون بتوصيل أحد طرفي الشريحة بكابل ألياف ضوئية يوفر الطاقة اللازمة لجعل الزجاج يتوهج. وفي الطرف الآخر، قاموا بتثبيت مرآة عالية الانعكاس. خلق هذا الإعداد "تجويفًا"، وهو غرفة صغيرة يمكن للضوء أن يرتد فيها ذهابًا وإيابًا. عملت شبكة براغ للموجه الموجي داخل الزجاج كمرآة أخرى، مما سمح بقدر كافٍ فقط من الضതെل ليتسرب ويشكل شعاعًا. وعندما ضخوا الطاقة في النظام، بدأ الليزر في العمل على الفور. لقد أنتج شعاعًا واحدًا ثابتًا عند 2062.21 نانومتر. كان الشعاع نقيًا جدًا لدرجة أن عرضه، وهو مقياس لمدى تباين التردد، كان أقل من 5 ملايين دورة في الثانية. هذا المستوى من الاستقرار نادر بالنسبة لجهاز بهذا الصغر.

كان أحد أكثر الاكتشافات إثارة للدهشة هو سلوك استقطاب الضوء. يمكن لموجات الضوء أن تهتز في اتجاهات مختلفة، وفي العديد من أنظمة الليزر، يكون هذا الاتجاه عشوائيًا أو يصعب التحكم فيه. في هذا الجهاز الجديد، خرج الضوء وهو يهتز في خط مستقيم واحد. وجد الباحثون أن اتجاه هذا الاهتزاز يعتمد على كيفية بناء الهيكل الداخلي. فعندما اختبروا شريحة مماثلة بدون المرايا الداخلية، اهتز الضوء في اتجاه مختلف. إن عملية كتابة المرايا داخل الزجاج غيرت طريقة حركة الضوء عبر المادة، مما أجبره على الاصطفاف في اتجاه محدد. حدث هذا لأن الهياكل المجهرية التي أنشأتها عملية كتابة الليزر تفاعلت بشكل مختلف مع الضوء المهتز في اتجاهات مختلفة، مما أدى فعليًا إلى تصفية التوجهات غير المرغوب فيها.

أمضى الفريق وقتًا طويلاً في ضمان متانة الجهاز. فقد قاموا بتشغيل الليزر لأكثر من خمس عشرة ساعة في بيئة مختبرية عادية، دون ضوابط خاصة لدرجة الحرارة أو تبريد نشط. وبالرغم من الظروف المتغيرة، انزاح لون الليزر بمقدار ضئيل جدًا، مما أثبت أن الجهاز مستقر ميكانيكيًا وحراريًا. كان طول تجويف الليزر بالكامل 12.4 مليمترًا فقط، وهو جزء ضئيل من حجم الإعدادات التقليدية. ولأن المرايا ومسار الضوء كلها مكتوبة في قطعة واحدة من الزجاج، فلا توجد أجزاء سائبة يمكن أن تتحرك أو تفقد دقة الضبط. يخرج الضوء من الشريحة ويدخل إلى كابل ألياف ضوئية قياسي بكفاءة عالية، ليكون جاهزًا للاستخدام في التطبيقات الواقعية.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن بناء أنظمة بصرية معقدة وعالية الأداء مباشرة داخل قطعة صلبة من الزجاج. ومن خلال دمج مصدر الضوء، والمرايا، وموصل المخرج في هيكل أحادي متكامل، أزال الباحثون الحاجة إلى الضبط الدقيق الذي لطالما عانى منه تقني الليزر. ينتج الجهاز شعاعًا مستقرًا أحادي التردد في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وهو منطقة من الطيف يصعب الوصول إليها ولكنها ضرورية للاستشعار والاتصالات المتقدمة. إن القدرة على إنشاء مثل هذا الليزر في حزمة مدمجة وخالية من الحاجة للضبط توحي بمستقبل يمكن فيه نشر هذه الأدوات القوية في أجهزة محمولة، لتنتقل من البيئة المحكومة للمختبر إلى الميدان. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال هندسة الزجاج نفسه بعناية، يمكنهم التحكم في الضوء بدقة كانت مستحيلة سابقًا في مثل هذا الحيز الصغير.