Ultra-sensitive Chalcogenide-based Photonic Crystal Fiber Sensor Enhanced by Optofluidic Reconfiguration and Engineered Dispersion for Broadband Supercontinuum Generation and Multi-functional Environmental Detection

ينتقل الضوء عبر الألياف الزجاجية بكفاءة ملحوكمة، وهو مبدأ ظل يدعم الإنترنت العالمي لعقود من الزمن. ومع ذلك، سعى العلماء منذ فترة طويلة لدفع هذه الألياف إلى ما هو أبعد من مجرد نقل البيانات، وتحويلها إلى أدوات يمكنها القيام بأكثر من مجرد حمل الإشارات. ومن خلال ترتيب ثقوب صغيرة في نمط دقيق داخل الزجاج، يمكن للباحثين إنشاء ألياف بلورية فوتونية، وهي هياكل توجه الضوء بطرق لا تستطيع الألياف الزجاجية التقليدية القيام بها. وتسمح هذه الألياف بالتحكم في كيفية انتشار الضوء عبر الزمن واللون، وهي خاصية تُعرف باسم التشتت. وعند دمجها مع مواد تتفاعل بقوة مع الضوء، مثل زجاج الكالكوجينيد، يمكن لهذه الألياف أن تمد نبضة ليزر قصيرة واحدة إلى قوس قزح مستمر ومبهر من الألوان يمتد من الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. هذه الظاهرة، التي تسمى توليد الطيف المستمر (supercontinuum generation)، حيوية للتصوير المتقدم والتحليل الكيميائي. وفي الوقت نفسه، يمكن هندسة هذه الألياف نفسها لتعمل ككواشف حساسة للغاية، قادرة على استشعار التغيرات الدقيقة في البيئة، مثل وجود مواد كيميائية معينة أو تغيرات في درجة الحرارة. وقد كان التحدي يكمن في بناء جهاز واحد يتفوق في كل من توليد هذا الطيف الواسع من الضوء واكتشاف التغيرات البيئية الطفيفة بدقة عالية.

اقترح فريق من الباحثين في جامعة إسلامي آزاد كازرون تصميماً جديداً يدمج هاتين القدرتين في ليف واحد مدمج. ويصف عملهم، المفصل في دراسة حديثة، ليفاً بلورياً فوتونياً مصنوعاً من زجاج زرنيخ السيلينيد، وهو مادة معروفة بقدرتها على التعامل مع الضوء المكثف ونقل أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء. بُني الهيكل حول شبكة مربعة من الثقوب الهوائية الصغيرة، ولكن مع إضافتين حاسمتين تميزانه؛ أولاً، يحتوي مركز الليف تماماً على جسيم نانوي ذهبي واحد، وهي ذرة معدنية صغيرة جداً لدرجة أنها تُقاس بأجزاء من الميكرومتر. ثانياً، هناك حلقة من الثقوب المحيطة بهذا اللب المركزي مملوءة بسائل، مما يسمح بتعديل الخصائص الداخلية لليف في الوقت الفعلي. هذا الجمع بين لب زجاجي صلب، ومركز معدني، وحلقة مملوءة بسائل، يخلق بيئة فريدة يتفاعل فيها الضوء مع المادة بطرق قوية.

استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة لنمذجة كيفية سلوك الضوء داخل هذا الليف. ووجدوا أنه من خلال ضبط حجم الثقوب الهوائية في الطبقة الثانية من الهيكل بعناية، يمكنهم ضبط الليف بحيث ينتقل الضوء عند طول موجي محدد قدره 1.80 ميكرومتر دون أن ينتشر بسرعة كبيرة أو ببطء شديد. هذا التحكم الدقيق ضروري لتوليد الطيف المستمر. وعندما قاموا بمحاكاة إرسال نبضة ليزر قصيرة ومكثفة عند هذا الطول الموجي إلى الليف، لم يكتفِ الضوء بالمرور عبره فحسب، بل انفجر إلى طيف واسع من الألوان. وأظهرت المحاكاة أن الضوء الناتج غطى نطاقاً من 1.2 إلى 3.0 ميكرومتر، وهو مدى واسع بما يكفي ليكون مفيداً للعديد من أنواع التحليل الطيفي المختلفة. حدث هذا التوسع لأن المادة الزجاجية نفسها غير خطية للغاية، مما يعني أنها تتفاعل بقوة مع الضوء المار عبرها، كما أن الحصر الضيق للضوء داخل اللب الصغير ضخّم هذا التأثير.

وبعيداً عن توليد الضوء، أثبت الليف أنه كاشف حساس للغاية. يعمل جسيم الذهب النانوي في المركز كنقطة تركيز للضوء، مما يخلق منطقة مركزة من الطاقة الكهرومغناطيسية تُعرف باسم "البقعة الساخنة البلازمونية" (plasmonic hotspot). وعندما تتغير خصائص السائل في الحلقة المحيطة — نتيجة لتغير في درجة الحرارة أو الضغط أو وجود مادة كيميائية — يتغير مسار انتقال الضوء عبر الليف بشكل ملحوظ. وأشارت عمليات المحاكاة إلى أن هذا التصميم يمكنه اكتشاف التغيرات في معامل الانكسار، وهو مقي�اس لمدى انحناء المادة للضوء، بحساسية تبلغ حوالي 3000 نانومتر لكل وحدة من التغير في معامل الانكسار. وهذا المستوى من الحساسية أعلى بكثير من العديد من التصاميم الموجودة، مما يسمح للمستشعر باكتشاف التباينات الطفيفة للغاية في البيئة. كما لاحظ الباحثون أن الليف يمكنه الاستجابة في آن واحد لعدة عوامل، بما في ذلك درجة الحرارة والتركيب الكيميائي، مما يؤكد قدرته على العمل كمستشعر متعدد المعايير.

تسلط الدراسة الضوء على توازن دقيق في التصميم. فحجم جسيم الذهب النانوي ومعامل انكسار السائل كلاهما يؤثران على كيفية سلوك الضوء. إذا تم جعل الجسيم النانوي أكبر قليلاً، فإن التأثير البلازموني يتقوى، وهو أمر جيد للاستشعار، ولكنه قد يؤدي أيضاً إلى إزاحة نطاق الألوان المتولدة من الطيف المستمر. ووجد الباحثون أنه من خلال تعديل خصائص السائل، يمكنهم تعويض هذه الإزاحات، والحفاظ على طيف واسع من الضوء مع إبقاء المستشعر عالي الاستجابة. وأشارت عمليات المحاكاة إلى أن طول ليف يتراوح بين 10 إلى 15 ملم فقط سيكون كافياً لتحقيق هذه النتائج، مما يجعل الجهاز مدمجاً وعملياً للاستخدام في العالم الحقيقي.

لا تدعي هذه الدراسة بناء نموذج أولي مادي بعد؛ فالنتائج تستند بالكامل إلى عمليات محاكاة عددية صارمة. ومع ذلك، تشير النتائج إلى مسار واضح نحو إنشاء فئة جديدة من الأجهزة الفوتونية. ومن خلال دمج جسيم ذهب نانوي وحلقة مملوءة بسائل في ليف من زجاج الكالكوجينيد، أثبت الباحثون وجود منصة نظرية يمكنها توليد طيف واسع من الضوء وفي الوقت نفسه العمل كمراقب بيئي عالي الحساسية. ويمكن استخدام مثل هذا الجهاز في النهاية في مجالات تتراوح من المراقبة البيئية والسلامة الكيميائية إلى التشخيص الطبي الحيوي، حيث تكون القدرة على إضاءة عينة بطيف واسع من الضوء واكتشاف بصمتها الكيميائية بدقة متناهية أمراً لا يقدر بثمن. وتؤكد الدراسة أنه من خلال هندسة هندسة المواد في ليف واحد، يمكن تحقيق مستوى من تعدد الوظائف كان من الصعب تحقيقه سابقاً في نظام واحد متكامل.