حقق العلماء في جامعة نانيانغ التكنولوجية (NTU) في سنغافورة انفراجًا كبيرًا في الضوئيات عن طريق تطوير طاقة - ليزر فائق الكفاءة فعال الذي يعد بتحويل التواصل اللاسلكي المتكامل والتواصل اللاسلكي. أصغر من حبة من الرمال ، يعالج هذا الليزر تحديًا مستمرًا في تصميم الليزر المصغر: فقدان الضوء.
مع تقلص الليزر ، تميل الطاقة إلى الهروب من التجويف والعيوب في الهياكل البلورية الضوئية تؤدي إلى تفاقم الانتثار ، مما يقلل من الكفاءة والحد من التطبيقات العملية. يوفر هذا الابتكار حلاً من خلال تقليل هذه الخسائر إلى الحد الأدنى مع الحفاظ على انبعاثات الضوء الكافية للاستخدام في تقنيات العالم الحقيقية - ، مما قد يمكّن مجموعة واسعة من التطبيقات التي كانت غير عملية سابقًا.
اقترب فريق أبحاث NTU ، بقيادة البروفيسور وانغ تشيجي والدكتور كوي جيوان ، من هذا التحدي من خلال إعادة تخيل تصميم تجويف الليزر. يجمع حلهم بين مفهومين متقدمين في الضوئيات: النطاقات المسطحة والحالات المتعددة- في الاستمرارية (BIC).
النطاقات المسطحة عبارة عن نطاقات طاقة تختبر فيها موجات الضوء بالقرب من سرعة المجموعة - ، وحصر الطاقة داخل المستوى الأفقي للتجويف. يضمن هذا النهج أن الضوء لا ينتشر بشكل لا يمكن السيطرة عليه عبر الهيكل ، مما يساعد على الحفاظ على الشدة والتركيز.
Multi - bics ، من ناحية أخرى ، تقلل من فقدان الضوء في الاتجاه العمودي ، مما يؤدي بشكل فعال إلى إنشاء الحبس الأبعاد ثلاثة- الذي يسمح للليزر بإبعاد الضوء الكافي دون إهدار الطاقة.
من خلال دمج هذين المفهومين ، طور الباحثون تجويفًا بالليزر يقلل من تسرب الطاقة في جميع الاتجاهات ، مما يمثل تحسناً كبيرًا على تصميمات الليزر المصغرة التقليدية ووضع معيار جديد للأجهزة الضوئية المدمجة.
الهيكل المادي للليزر مبتكر مثل أساسه المفاهيمي. أنشأ فريق NTU ترتيبًا دوريًا لـ Daisy - فتحات الهواء على شكل أشباه أشباه الموصلات ، والتي تقع بين طبقتين من الذهب.
يعمل هذا التكوين كمصيرة فعالة للغاية للضوء ، مما يقلل من الانتثار والتسرب. يعد التصميم الدقيق لأشكال الثقب وترتيب الشبكة أمرًا أساسيًا لكفاءة الليزر العالية ، مما يضمن تركيز الطاقة عند الحاجة إليها وتقلل الخسائر.
تمثل هذه الهندسة الدقيقة تتويجا للنمذجة النظرية وعلوم المواد والتقنيات النانوية ، مما يدل على كيفية تعاون متعدد التخصصات يمكن أن ينتج عنه اختراقات في التقنيات المتقدمة. يعتقد الباحثون أن هذه التقنيات يمكن أن تلهم أيضًا التطورات المستقبلية في الدوائر البصرية المصغرة وأجهزة الاستشعار الضوئية.
واحدة من أكثر الجوانب الواعدة لهذا الليزر الفائق هو النطاق التشغيلي. يعمل في منطقة Terahertz ، بين 30 ميكرومتر و 3 ملليمترات ، ويتوافق مع طيف التردد المتوقع لأنظمة الاتصالات 6G. إن حجمها المضغوط واستهلاك الطاقة المنخفضة يجعله مرشحًا مثاليًا للتكامل في الشبكات اللاسلكية- التالية ، والأجهزة القابلة للارتداء ، ومنصات الحوسبة البصرية وغيرها من التقنيات الناشئة التي تتطلب مصادر ضوئية صغيرة وفعالة.
علاوة على ذلك ، التصميم متعدد الاستخدامات. عن طريق ضبط حجم الثقوب الهوائية وثابتة الشبكة ، يمكن تكييف الليزر لإبعاد الضوء في أطوال موجية أخرى ، بما في ذلك القريب - الضوء بالأشعة تحت الحمراء والمرئية.
تفتح هذه المرونة إمكانيات جديدة للبحث والتطوير في الضوئيات المتكاملة ويمكن أن تؤدي إلى فئة جديدة من الليزر القابل للتخصيص ، العالي {}} ، مما يجعلها مناسبة للتصوير الطبي والاستشعار البيئي والتطبيقات الصناعية.
تم النشر في Nature Photonics في وقت سابق من هذا العام ، ويمثل هذا التطور معلمًا رئيسيًا في السعي لتحقيق الطاقة - مصادر ضوئية مصغرة فعالة. مع نمو الطلب على التواصل اللاسلكي بشكل أسرع وأكثر موثوقية والتقنيات البصرية الأكثر تطوراً ، يمكن أن تصبح حلول مثل ليزر NTU Ultracompact مكونات أساسية للبنية التحتية الرقمية.
من خلال معالجة القضية الأساسية المتمثلة في فقدان الضوء في أنظمة الليزر المصغرة ، قام الباحثون في NTU بتمهيد الأجهزة الفوتونية العملية والقابلة للتطوير والعالية - التي قد تعيد تعريف إمكانيات تقنيات التواصل والحساب في الجيل التالي-.
