Monolithic Multifocal Diamond Metalens for High-Power Laser Systems

تخيل أنك تحاول طهي بيتزا عملاقة لحفلة ما. يمكنك استخدام فرن صغير واحد، لكن الأمر سيستغرق وقتاً طويلاً جداً. لذا، تقرر استخدام أسطول من الأفران الصغيرة فائقة السرعة لطهي البيتزا بأكملها في وقت واحد. هذا هو حلم "أنظمة الليزر عالية القدرة" في عالم التصنيع والعلوم: فبدلاً من حفر ثقب واحد في مادة ما، يريدون قطع أو ثقب أو لحام العديد من النقاط في آن واحد لإنجاز العمل بشكل أسرع. لكن هناك مشكلة: هذه الأفران الليزرية تصبح ساخنة للغاية. إذا حاولت استخدام عدسة زجاجية عادية لتركيز كل تلك الطاقة، فإن الزجاج سيعمل مثل الإسفنجة، حيث يمتص الحرارة، ويتشوه، وينتهي به الأمر بالانصهار في النهاية. الأمر يشبه محاولة الإمساك بشعلة لحام باستخدام مكعبات من الثلج؛ فهي ببساطة لا تستطيع تحمل درجة الحرارة. لقد كان العلماء يبحثون عن مادة تكون بصلابة الألماس (حرفياً) وجيدة في توزيع الحرارة مثل المعدن، حتى يتمكنوا من بناء عدسات لا تنصهر تحت ضغط الضوء الشديد.

هنا يأتي دور فريق من الباحثين من جامعة ويستليك وشركائهم. لقد قرروا بناء عدسة من أقسى مادة على وجه الأرض: بلورة أحادية من الألماس. لكنهم لم يصنعوا مجرد عدسة مكبرة بسيطة؛ بل هندسوا "عدسة معدنية" (metalens)، وهي سطح مسطح فائق الرقة مغطى بأعمدة مجهرية تعمل مثل فريق من رجال المرور الصغار، يوجهون حزم الضوء بدقة إلى حيث يجب أن تذهب. صنع الفريق عدسة ألماس "متجانسة" (أي أنها قطعة واحدة صلبة) يمكنها تقسيم الليزر القوي إلى شعاعين في نفس الوقت. واختبروها مقابل عدسة تجارية قياسية ووجدوا أنه بينما سخنت العدسة الزجاجية وتشوهت وفقدت تركيزها، ظلت عدسة الألماس باردة وثابتة وحادة. حتى أنهم قصفوها بليزر قوي جداً (8.25 كيلو واط) كان من شأنه أن يصهر عدسة زجاجية في ثانية واحدة، ولم يتزحزح الألماس حتى. يشير هذا العمل إلى أننا قد نجد أخيراً طريقة لبناء أدوات ليزر صغيرة وبسيطة وقوية بما يكفي للتعامل مع الحرارة الشديدة للتصنيع الصناعي دون أن تتفكك.

قصة العدسة غير القابلة للانصهار

المشكلة: الزجاج المنصهر
فكر في ليزرات القدرة العالية كأنها نهر من الطاقة الصافية. عندما تريد القطع عبر مواد صلبة مثل كربيد السيليكون (وهو سيراميك فائق الصلابة يستخدم في الإلكترونيات)، فأنت بحم إلى الكثير من الماء — أو بالأحرى، الكثير من الطاقة. ولكن عندما تصطدم هذه الطاقة بعدسة ما، فإن جزءاً منها يُمتص كحرارة. في العدسة الزجاجية العادية، تتراكم هذه الحرارة مثل البخس في غلاية مغلقة. يتمدد الزجاج، ويتشوه، وينزاح نقطة التركيز بعيداً، مثل محاولة توجيه خرطوم مياه بينما الفوهة تلتوي في يدك. ولإصلاح ذلك، يقوم المهندسون عادةً بتكديس مرايا ضخمة وقطع زجاجية خاصة معاً، لكن هذه القطع تكون ثقيلة، وصعبة المحاذاة، ولا تزال تعاني عندما تصبح القدرة عالية جداً.

الحل: عدسة الألماس الخارقة
تساءل الباحثون: "ماذا لو صنعنا العدسة من الألماس؟" الألماس مشهور بصلابته، لكنه أيضاً نجم في التوصيل الحراري. فهو يوصل الحرارة بشكل أفضل بخمس مرات من كربيد السيليكون، ويوزعها بسرعة كبيرة لدرجة أنها لا تجد فرصة للتراكم والتشوه. نحت الفريق قرصاً من الألماس بعرض 7.2 ملم (حوالي حجم عملة معدنية كبيرة) ونقشوا آلاف الأعمدة الصغيرة ذات الشكل المخروطي المقطوع على سطحه. هذه الأعمدة صغيرة جداً (بعرض 500 نانومتر) لدرجة أنك تحتاج إلى مجهر لرؤيتها، لكنها تعمل مثل عجلة قيادة متطورة للضوء.

بدلاً من مجرد تركيز الليزر في نقطة واحدة، تقوم هذه العدسة المعدنية "متعددة البؤر" بتقسيم الشعاع إلى نقطتين منفصلتين، تفصل بينهما مسافة 200 ميكرومتر. وهذا يسمح لليزر بقطع خطين في آن واحد، مما يضاعف سرعة العمل. شكل الأعمدة مستدق (أعرض عند القاعدة وأضيق عند القمة) للسماح للضوء بالمرور بكفاءة دون الارتداد، محققاً معدل انتقال بنسبة 90%.

الاختبار: معركة الحرارة
لمعرفة ما إذا كانت عدسة الألماس هذه قوية حقاً، وضعها الفريق في "مباراة موت" ضد عدسة تجارية قياسية مزودة بمقسم شعاع. قاموا بقصف كلتا العدستين بليزر قدرته 25 واط لمدة ساعة واحدة.

• العدسة التجارية: بدأت تسخن، حيث ارتفعت درجة حرارتها بمقدار 34.7 درجة مئوية. ومع ارتفاع حرارتها، انزاح التركيز بشكل جامح، متحركاً بمقدار 121.9 ميكرومتر. وعندما حاولوا استخدامها لقطع أخدود في عينة من كربيد السيليكون، تغير عمق القطع بشكل جذري، من 130.8 ميكرومتر إلى 449.9 ميكرومتر. كان الأمر أشبه بالكتابة بقلم يغير تدفق حبره باستمرار.
• عدسة الألماس: لم تسخن إلا قليلاً، حيث ارتفعت درجة حرارتها بمقدار 9.0 درجات مئوية فقط. ولأنها ظلت باردة، انزاح تركيزها بمقدار 25.5 ميكرومتر فقط. وعند قطع نفس المادة، ظل عمق القطع ثابتاً بشكل مذهل، حيث تباين بمقدار 33.2 ميكرومتر فقط. كان الأمر مثل مشرط ليزر لا يفقد قبضته أبداً.

اختبار الإجهاد الشديد
لكن الفريق لم يتوقف عند هذا الحد؛ فقد أرادوا معرفة ما إذا كان الألماس يمكنه تحمل حرارة بمستوى "نووي". عرضوا العدسة لليزر مستمر الموجة بقدرة 8.25 كيلو واط. وللمقارنة، اختبروا عدسة زجاجية قياسية مغطاة بثاني أكسيد التيتانيوم. انصهرت العدسة الزجاجية وفشلت في أقل من ثانية واحدة. أما عدسة الألماس؟ فقد صمدت طوال الـ 30 ثانية كاملة دون أي ضرر مرئي، أو انصهار، أو انهيار هيكلي.

كما قاموا بقياس مقدار الطاقة اللازمة لإتلاف المادة (عتبة الضرر الناجم عن الليزر، أو LIDT). صمد الألماس أمام 2.45 جول لكل سنتيمتر مربع، وهو ما يعادل أربعة أضعاف كربيد السيليكون المرجعي (0.65 جول/سم²) وأفضل بكثير من العدسة التجارية (0.2 جول/سم²).

ماذا يعني هذا
هذه الورقة البحثية لا تظهر فقط عدسة ألماس رائعة؛ بل تثبت أنه يمكننا صنع عدسات مسطحة ونافذة من الألماس يمكنها التعامل مع الحرارة الشديدة لليزرات الصناعية. من خلال الجمع بين صلابة الألماس والتصميم الذكي للعدسة المعدنية، ابتكر الباحثون أداة أصغر، وأبسط، وأكثر استقراراً من أي شيء متاح حالياً. وبينما لا يزال هناك عمل يتعين القيام به — مثل إضافة طلاءات خاصة للجهة الخلفية من العدسة لمنع انعكاس الضوء من الجانب الآخر — فإن هذه الدراسة تفتح الباب أمام جيل جديد من أنظمة الليزر التي يمكنها العمل بشكل أسرع، وأكثر حرارة، وأكثر موثوقية من أي وقت مضى. إنها تشير إلى أن مستقبل التصنيع عالي القدرة قد يُكتب بالألماس.