الليزر الذي كان يملأ المختبر ذات يوم أصبح الآن ملائمًا لشريحة صغيرة

قام العلماء أخيرًا بتعبئة ليزر فائق السرعة من الدرجة المختبرية على شريحة ضوئية صغيرة.

تولد أشعة الليزر فائقة السرعة دفقات من الضوء لا تدوم سوى بضع مئات من الفيمتو ثانية، ويبلغ طول كل منها جزءًا من كوادريليون من الثانية فقط. تُستخدم هذه النبضات القصيرة للغاية في مجموعة واسعة من التقنيات، بما في ذلك التصنيع الدقيق وجراحة العيون وأمشاط التردد الضوئي، وهو الابتكار الحائز على جائزة نوبل والذي يعمل على تشغيل الساعات الذرية الضوئية الأكثر دقة في العالم.

على الرغم من أهميتها، ظلت أجهزة الليزر فائقة السرعة بشكل عام أنظمة كبيرة ومكلفة تشغل طاولات بصرية كاملة في مختبرات الأبحاث. وبعد أكثر من عقدين من العمل الذي قام به العلماء في جميع أنحاء العالم، ظل تقليص هذه الأجهزة إلى شريحة ضوئية هدفًا بعيد المنال.

والآن حقق الباحثون بقيادة البروفيسور توبياس جيه كيبينبيرج في EPFL هذا الإنجاز. كتب الفريق في مجلة Nature، عن أول ليزر متكامل فائق السرعة قادر على مطابقة أداء ليزر الفيمتو ثانية التقليدي، مما ينتج نبضات قصيرة تصل إلى 147 فيمتوثانية مع طاقات تصل إلى 1.05 نانوجول.

جلب الليزر فائق السرعة إلى الرقائق الضوئية

تتعامل الرقائق الضوئية مع الضوء باستخدام هياكل مجهرية تسمى أدلة الموجات التي تم تصميمها على رقاقة. وفي كثير من النواحي، تعمل مثل الرقائق الإلكترونية، إلا أنها توجه الضوء بدلاً من التيارات الكهربائية. تُستخدم هذه الرقائق بالفعل على نطاق واسع في الاتصالات، وقد ساعدت في تقليص العديد من التقنيات البصرية التي كانت تتطلب في السابق معدات أكبر بكثير.

يقول كيبينبيرج: “على مدار أكثر من عشرين عامًا، كان يُنظر إلى ليزر الفيمتو ثانية عالي الطاقة الموجود على الرقاقة على نطاق واسع على أنه الكأس المقدسة للضوئيات المتكاملة”. “تُظهر نتائجنا أن ذلك ليس ممكنًا فحسب، بل يمكن تحقيقه من خلال هندسة معمارية أنيقة بشكل مدهش، والتي تجاهلها مجتمع الضوئيات المتكاملة.”

تصميم ليزر تم التغاضي عنه

وللوصول إلى هذا الهدف، اعتمد الباحثون بنية ليزر قليلة الاستخدام تُعرف باسم مذبذب ماميشيف.

داخل تجويف الليزر، يتم وضع دليل موجي غير خطي بين مرشحين بصريين، يمرر كل منهما جزءًا مختلفًا من طيف الضوء. عندما تنتقل نبضة قوية عبر الدليل الموجي، يتسع طيفها، مما يسمح لبعض هذا الضوء بالمرور عبر كلا المرشحين ومواصلة الدوران داخل التجويف. الضوء الأضعف لا يتسع بدرجة كافية ويتم ترشيحه.

“هذا التصميم جذاب بشكل خاص لأنه لا يتطلب أي مكون يصعب تصنيعه على شريحة نيتريد السيليكون المشبعة بالإربيوم”، يوضح Zheru Qiu، المؤلف الرئيسي المشارك لهذه الورقة البحثية.

ووفقا لتشيو، فإن التصميم يقدم ميزة رئيسية أخرى. تحصر الرقائق الضوئية الضوء في أدلة موجية صغيرة جدًا، مما يزيد من التفاعلات غير الخطية بين موجات الضوء. في العديد من تصميمات الليزر التقليدية، يمكن لهذه التفاعلات أن تؤدي إلى زعزعة استقرار نبضات الليزر. ومع ذلك، فإن مذبذب Mamyshev أقل حساسية بكثير لتلك التأثيرات، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للأجهزة الضوئية المدمجة.

جهاز صغير، إمكانات كبيرة

يبلغ طول تجويف الليزر 42 سنتيمترًا، ومع ذلك يمكن طيه على شريحة تشغل مساحة رأس عود الثقاب تقريبًا. وهذا يجعلها أصغر بشكل كبير من أنظمة الليزر فائقة السرعة التقليدية القائمة على الألياف.

نظرًا لأنه يمكن تصنيع الرقائق الضوئية على مستوى الرقاقة باستخدام تقنيات تصنيع مشابهة لتلك المستخدمة في رقائق الكمبيوتر، فمن المحتمل إنتاج أكثر من 1000 تجويف ليزر في دفعة واحدة. يمكن لهذه القدرة أن تقلل التكاليف بشكل كبير مع توسيع الوصول إلى تكنولوجيا الليزر فائقة السرعة لتطبيقات الاستشعار والتحليل الطيفي والقياس الدقيق.

يقول تشيو: “بفضل طاقات ذروة تصل إلى مستوى كيلووات، يمكن للرقاقة تشغيل التطبيقات الصعبة التي اعتمدت منذ فترة طويلة على أجهزة الليزر المختبرية الكبيرة والمكلفة”.

وقد يؤدي هذا التقدم في نهاية المطاف إلى أجهزة مدمجة وبأسعار معقولة للكشف عن الملوثات البيئية، وتحديد العيوب المادية الخفية، وإجراء التشخيص الطبي. وقد يساعد أيضًا في تمهيد الطريق لساعات ذرية بصرية محمولة يمكن أن تدعم تقنيات الاتصالات والملاحة المستقبلية.

المرجع: “ليزر مقفل الوضع متكامل عالي النبض باستخدام مذبذب Mamyshev” بقلم Zheru Qiu، وXuan Yang، وXurong Li، وJianqi Hu، وZhongshu Liu، وYichi Zhang، وXinru Ji، وJiale Sun، وGrigory Lihachev، وZihan Li، وUlrich Kentsch، وTobias J. Kippenberg، 3 يونيو 2026، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-026-10517-4

المساهمين الآخرين

• معهد EPFL للهندسة الكهربائية والصغرى
• مركز هيلمهولتز دريسدن روسيندورف (هزدر)

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.