أصبح استخدام الليزر في الحياة اليومية شائعًا نسبيًا، ويمكن أيضًا أن يكون أداة مهمة لمراقبة وتحليل وقياس الأشياء في الطبيعة غير المرئية بالعين المجردة - وهي المهام التي، لسوء الحظ، كانت محدودة في الماضي الحاجة إلى استخدام أدوات كبيرة ومكلفة.
أظهر فريق من العلماء من جامعة مدينة نيويورك وفريق معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بشكل تجريبي طريقة جديدة لتصنيع أشعة ليزر عالية الأداء وفائقة السرعة على رقائق نانوية ضوئية - لقد أظهروا أول ليزر في العالم مقفل النمط يتم ضخه كهربائيًا بمستويات عالية من الطاقة. ذروة قوة النبض مدمجة في رقائق صور نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة. تم نشر البحث مؤخرًا كقصة غلاف في مجلة Science.
وقال قائد الفريق تشيوشي جو، إن البحث يعتمد على ليزر مصغر مقفل النمط، والذي ينبعث من ليزر فريد يصدر قطارًا من نبضات ضوئية متماسكة فائقة القصر على فترات فيمتوثانية.
تلعب أشعة الليزر فائقة السرعة دورًا مركزيًا في كشف أسرار المقاييس الزمنية الأسرع في الطبيعة، والتي تشمل دراسة تكوين وكسر الروابط الجزيئية في التفاعلات الكيميائية واستكشاف ديناميكيات انتشار الضوء في الوسائط المضطربة.
إن تطوير أجهزة الليزر ذات النمط المقفل، نظرًا لشدة ذروة نبضها السريعة وتغطيتها الطيفية الواسعة، هو الذي أدى أيضًا إلى تطوير مجموعة متنوعة من تقنيات الضوئيات، بما في ذلك الساعات الذرية البصرية، والتصوير الحيوي، وحساب البيانات المستندة إلى الضوء. في أجهزة الكمبيوتر.
لسوء الحظ، حتى أحدث أجهزة الليزر ذات الوضع المقفل لا تزال باهظة الثمن ومتعطشة للطاقة، مما أدى إلى اقتصار استخدامها إلى حد كبير على البيئات المختبرية.
هدف الفريق المذكور: هو إحداث ثورة في مجال الضوئيات فائقة السرعة من خلال تحويل أنظمة المختبرات الكبيرة إلى أنظمة بحجم الرقائق يمكن إنتاجها ونشرها على نطاق واسع في الميدان. إنهم يريدون فقط جعل الأشياء أصغر حجمًا، لكنهم يريدون أيضًا التأكد من أن أجهزة الليزر فائقة السرعة بحجم الشريحة توفر أداءً مُرضيًا. على سبيل المثال، يحتاجون إلى شدة نبض ذروة كافية، ويفضل أن تكون أكثر من 1 واط، لبناء أنظمة ذات معنى على نطاق الرقائق.
ومع ذلك، فإن إنشاء ودمج أجهزة الليزر ذات الوضع المقفل الفعال على الشريحة يمثل مهمة صعبة. يستخدم هذا البحث نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة (TFLN)، وهي منصة مواد مبتكرة. باستخدام هذه المادة، من الممكن التحكم بدقة وتكوين نبضات الليزر بكفاءة عن طريق إضافة إشارة كهربائية RF خارجية.
في تجاربهم، جمع فريق Guo بمهارة بين خصائص اكتساب الليزر العالي لأشباه الموصلات III-V مع القدرة على تشكيل النبض عالية الكفاءة لأدلة الموجات الضوئية النانوية TFLN، مما أظهر في النهاية ليزرًا بقوة خرج قصوى تصل إلى 0.5 واط .
بالإضافة إلى حجمه الصغير، فإن الليزر المقفل بالوضع الذي عرضوه يحتوي على العديد من الميزات الجديدة المثيرة التي يمكن أن تحمل وعدًا كبيرًا للتطبيقات المستقبلية.
على سبيل المثال، من خلال الضبط الدقيق لتيار مضخة الليزر، أدرك Guo القدرة على ضبط تردد تكرار نبض الإخراج على نطاق واسع يبلغ 200 ميجاهرتز. باستخدام قابلية إعادة التشكيل القوية لليزر التوضيحي، يأمل الفريق في تسهيل مصادر المشط ذات التردد المستقر على نطاق الرقاقة والتي تعد ضرورية لتطبيقات الاستشعار الدقيقة.
في حين أن تحقيق أنظمة فوتونية قابلة للتطوير ومتكاملة وفائقة السرعة للأجهزة المحمولة والمحمولة يمثل تحديات إضافية لفريق كو، فإن العرض التوضيحي الحالي يمثل علامة فارقة مهمة في التغلب على العقبات الرئيسية.
ويمهد هذا الإنجاز الطريق أمام استخدام الهواتف المحمولة لتشخيص أمراض العيون أو تحليل الإشريكية القولونية والفيروسات الخطيرة في الغذاء والبيئة. ويمكن أن يساعد أيضًا في إنشاء ساعات ذرية للمستقبل على نطاق الرقائق، مما يتيح التنقل عند تلف نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو عدم توفره.
لقد تغلب العلماء على عقبة كبيرة من خلال هذا العرض الأخير. ومع ذلك، يتطلع العلماء إلى معالجة العقبات الإضافية التي تعترض تطوير أنظمة ضوئية متكاملة وقابلة للتطوير وفائقة السرعة يمكن استخدامها على الأجهزة المحمولة والمحمولة.
