ساخت لیزر قدرتمند در ابعاد یک تراشه؛ گامی نو برای تصویربرداری از جهان نامرئی

پژوهشگران دانشگاه هاروارد موفق به توسعه نوعی لیزر جدید و فوق العاده قدرتمند در ابعاد یک تراشه شده اند که قادر است پالس های نوری بسیار روشن در ناحیه مادون قرمز میانی (Mid-Infrared) از طیف الکترومغناطیسی تولید کند؛ محدوده ای که اگرچه از نظر علمی بسیار ارزشمند است اما به دلیل چالش های فناورانه تاکنون به سختی قابل دستیابی بوده است.

به گزارش ساینس دیلی این لیزر جدید تمام کارایی و قابلیت های سامانه های نوری بزرگ را در یک تراشه کوچک جای داده و بدون نیاز به هیچ گونه قطعه یا مولفه ی خارجی عمل می کند. این فناوری نوآورانه با تلفیق طراحی فوتونیکی پیشرفته و فناوری لیزر های کوانتومی پله ای (Quantum Cascade Lasers – QCLs) توسعه یافته و می تواند تحولی بزرگ در حوزه های پایش زیست محیطی و تشخیص های پزشکی ایجاد کند؛ به طوری که امکان شناسایی هزاران فرکانس نوری مختلف تنها با یک دستگاه فراهم خواهد شد.

نخستین لیزر پالس دهنده ی مادون قرمز میانی روی تراشه

بر پایه مقاله ای که روز ۱۶ آوریل ۲۰۲۵ در نشریه معتبر Nature منتشر شده این دستاورد نخستین نمونه لیزر مادون قرمز میانی مبتنی بر تراشه است که قادر به تولید پالس های نوری در مقیاس پیکوثانیه بوده و برای عملکرد خود به هیچ قطعه ی خارجی نیاز ندارد. این لیزر می تواند شانه ی فرکانسی نوری (Optical Frequency Comb) ایجاد کند؛ طیفی متشکل از فرکانس های نوری با فاصله منظم که کاربرد های گسترده ای در اندازه گیری های بسیار دقیق دارد.

این نوآوری می تواند راه را برای توسعه نسل جدیدی از حسگر های گازی گسترده طیف و ابزار های پیشرفته ی طیف سنجی باز کند؛ ابزار هایی که می توانند همزمان چندین نوع گاز یا ساختار مولکولی را شناسایی کنند.

هدایت این پروژه را فدریکو کاپاسو (Federico Capasso) استاد فیزیک کاربردی در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان ای. پالسون در دانشگاه هاروارد (SEAS) برعهده داشته است. این پژوهش با حمایت مالی بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) و وزارت دفاع این کشور انجام شده و با همکاری گروه شوارتز از دانشگاه فناوری وین (TU Wien) تیمی از پژوهشگران ایتالیایی به رهبری لوئیجی لوگیاتو و همچنین شرکت Leonardo DRS Daylight Solutions به مدیریت تیموتی دی (Timothy Day) پیش برده شده است.

کاپاسو درباره این فناوری گفت: «این یک فناوری کاملاً نوین است که با تلفیق فوتونیک غیرخطی روی تراشه امکان تولید پالس های فوق کوتاه نوری در ناحیه مادون قرمز میانی را فراهم کرده است؛ نمونه ای از این دستگاه ها تاکنون وجود نداشته. نکته مهم تر اینکه این نوع لیزر ها به راحتی در کارخانه های صنعتی ساخت نیمه هادی قابل تولید هستند.»

مزایای کاربردی مادون قرمز میانی در شناسایی گاز ها

بخش مادون قرمز میانی طیف الکترومغناطیسی در حال حاضر در کاربرد های زیست محیطی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. بسیاری از مولکول های گازی مانند دی اکسیدکربن و متان به طور مؤثر نور این محدوده را جذب می کنند بنابراین این طیف به ابزاری کلیدی در شناسایی گاز ها و پایش های زیست محیطی تبدیل شده است. لیزر های پله ای کوانتومی که در دهه ۱۹۹۰ توسط کاپاسو معرفی شدند از جمله فناوری های موفق در این زمینه بوده اند.

دستگاه جدید امکان ایجاد منبع نوری باند وسیعی را فراهم می آورد که قادر است در یک مرحله اثر انگشت جذبی چندین نوع گاز مختلف را شناسایی کند.

دمیتری کازاکوف پژوهشگر گروه کاپاسو و نویسنده همکار مقاله می گوید: «این گام مهمی در جهت توسعه منابع نوری موسوم به “ابرپیوسته پیوسته ها” (Supercontinuum Sources) است که می توانند هزاران فرکانس مختلف را تولید کنند آن هم فقط در یک تراشه. این هدف در آینده کاملاً در دسترس خواهد بود.»

حل چالش تولید پالس در لیزر های پله ای کوانتومی

نکته بنیادین در این نوآوری استفاده از لیزر های پله ای کوانتومی است که از طریق لایه چینی دقیق مواد نیمه رسانا پرتوی همدوس در ناحیه مادون قرمز میانی ایجاد می کنند. برخلاف لیزر های سنتی که دهه هاست از تکنیک تثبیت مد (Mode-Locking) برای تولید پالس های نوری بهره می برند لیزر های پله ای کوانتومی به دلیل دینامیک بسیار سریع ذاتی به سختی قادر به ایجاد پالس هستند.

دستگاه های موجود برای تولید پالس در این لیزر ها نیازمند سامانه های پیچیده با اجزای متعددی هستند و معمولاً در توان خروجی و پهنای باند طیفی نیز محدودیت دارند.

ترکیب سولیترون ها و میکرورزوناتور ها روی یک تراشه

محققان برای حل این مشکل مفاهیم مختلفی از فوتونیک یکپارچه غیرخطی و لیزر های مجتمع را با هم تلفیق کردند تا نوع خاصی از پالس های نوری در مقیاس پیکوثانیه موسوم به «سولیتون های روشن» (Bright Solitons) ایجاد کنند. آنها با الهام گرفتن از رزوناتور های کر غیرخطی (Kerr Microresonators) توانستند از روش های سنتی مانند مدلاکینگ عبور کرده و معماری تازه ای طراحی کنند.

تئودور لتسو دانشجوی دکتری در MIT و همکار اول مقاله می گوید: «ما روش های معمول در تحقیقات لیزر های پله ای کوانتومی را کنار گذاشتیم و رویکرد جامعه تحقیقاتی رزوناتور های کر را به سامانه خود آوردیم. این فرآیند بسیار هیجان انگیز بود.»

بندیکت شوارتز از TU Wien نیز افزود: «آنچه برای من از همه مهم تر بود اعتمادبه نفسی است که این پروژه به ما برای طراحی معماری های پیچیده ی فوتونیک مادون قرمز میانی داده است. این کاری بود که تا پیش از این امکان پذیر نبود.»

از نظریه دهه ۱۹۸۰ تا فناوری روز دنیا

جالب آن که این پژوهش بر پایه نظریه ای بنا شده که در دهه ۱۹۸۰ توسط لوئیجی لوگیاتو (Luigi Lugiato) توسعه یافته بود؛ نظریه ای که رفتار رزوناتور های غیرخطی کر را در حالت غیرفعال توصیف می کرد. اکنون لوگیاتو با بازنگری در این مدل آن را برای توصیف دینامیک سامانه های جدید لیزر های پله ای کوانتومی تطبیق داده است.

لوگیاتو استاد بازنشسته دانشگاه اینسوبریا در ایتالیا می گوید: «مسیر این دستاورد از معادله لوگیاتو-لفور آغاز شد و اکنون به مدلی یکپارچه برای سولیتون های نوری در انواع مختلف کاویتور ها انجامیده است. امروز با این آزمایش آن پیش بینی ها در مورد لیزر های نوری کوانتومی تأیید شده اند.»

آماده برای تولید صنعتی و مقیاس پذیری گسترده

لیزر جدید قادر است برای ساعت ها بدون وقفه پالس های نوری تولید کند و مهم تر اینکه می توان آن را با فرآیند های رایج صنعتی ساخت نیمه هادی ها در مقیاس انبوه تولید کرد. این دستگاه از یک رزوناتور حلقوی تشکیل شده که به طور خارجی تحریک می شود؛ یک لیزر یکپارچه روی تراشه که رزوناتور را به کار می اندازد؛ و یک رزوناتور حلقوی دوم به عنوان فیلتر نوری. ساخت این تراشه ها در دانشگاه فناوری وین انجام شده است.

تیموتی دی از مدیران ارشد شرکت Leonardo DRS می گوید: «این فناوری می تواند واقعاً در حوزه طیف سنجی مادون قرمز میانی تحول آفرین باشد. استفاده از فرآیند های موجود برای تولید انبوه راه را برای کاربرد های آینده در حوزه هایی مانند پایش محیط زیست کنترل صنعتی علوم زیستی و تشخیص های پزشکی هموار می کند.»

انتهای پیام/