ليدار بحجم شريحة: أصغر وأرخص عبر ليزر بوكيلز على ليبيدوم نيونوبات

كيف تُقوّي الليزرات الدقيقة الليدار الحديث

الليزرات هي تقنية أساسية غير مُقدَّرة بما يكفي تدعم العالم الحديث. تُستَخدم في تصنيع أشباه الموصلات، اتصالات الألياف الضوئية، النقش والطباعة، الأقراص الضوئية، الجراحة، القياسات، الأنظمة العسكرية، الفضاء الجوي، وغيرها.

إحدى التطبيقات المتزايدة للليزر مؤخرًا هي الليدار (الكشف والقياس الضوئي)، أو “رادار الليزر”، وهي طريقة تستخدم الليزر لتحديد المسافة إلى جسم بدقة متناهية.

تُستخدم الليدارات من قبل تقريبًا جميع شركات السيارات ذاتية القيادة لتزويد مركباتها المستقلة بالطاقة، حيث تُركّب كأجهزة كبيرة على أسطح السيارات.

المصدر: SFGate

المشكلة في الليدار هي أنه كبير الحجم ومكلف، مما يجعل النشر على نطاق واسع غير اقتصادي. كما أنه هش جدًا، مما يزيد من التكاليف على المدى الطويل.

قد يكون هذا قد تغير الآن، بفضل تصميم ليزر جديد من باحثين بجامعة روتشستر (الولايات المتحدة) وجامعة كاليفورنيا (الولايات المتحدة). لقد انحرفوا عن الفوتونيات السيليكونية التقليدية، مستخدمين الليبيدوم نيونوبات بدلاً منها.

نشروا اكتشافهم في مجلة Light Science & Applications¹ تحت عنوان “Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology”.

فهم الليدار: المبادئ والتقنيات

أساسيات قياس مسافة الليدار

المبدأ الأساسي للليدار مشابه لكيفية عمل الرادار: يُرسل إشارة وتعود بعد ارتدادها من جسم نحو المصدر. الوقت بين الإرسال والعودة يُخبرنا بالمسافة.

الفرق أن الليدار يستخدم أشعة غير مرئية من الأشعة تحت الحمراء أو أحيانًا الأشعة فوق البنفسجية، بدلاً من الموجات الراديوية (حرف “R” في RADAR – راديو كشف وتحديد النطاق).

المصدر: Synopsis

نظرًا لأن الضوء سريع جدًا، تحتاج الليدارات إلى تحكم دقيق للغاية في موجة الليزر، ما يؤدي إلى تعقيد عالي وتكاليف مرتفعة وهشاشة.

تأثير بوكيلز: تمكين ضبط الليزر الفائق السرعة

سعى الباحثون إلى تحسين تقنية الليدار بالاعتماد على تأثير بوكيلز. هذه الظاهرة تغير معامل الانكسار لمادة ما (كيفية انحناء الضوء) عندما يُفعَّل حقل كهربائي.

يظهر تأثير بوكيلز في بلورات خاصة مثل فوسفات البوتاسيوم الأحادي أو الليبيدوم نيونوبات المستخدمة في هذه الدراسة، وهو ملح صناعي مكوّن من الليثيوم والنيوبوم والأكسجين.

المصدر: Sumimoto

مكّن ذلك الباحثين من إنشاء ليزر يمكنه تغيير لونه بدقة عبر طيف واسع من الضوء بمعدلات سريعة جدًا—حوالي 10 كوينتيليون مرة في الثانية.

تطبيق شائع للليبيدوم نيونوبات هو في موجات الصوت السطحية (SAW) في الهواتف الذكية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية لإنشاء مرشحات تمنع الضوضاء والتداخل، لذا يمكن لهذه التقنية الاستفادة من سلاسل إمداد موجودة.

بناء ليزر بوكيلز ليدار بحجم شريحة

الليبيدوم نيونوبات رقيقة الطبقة: هندسة على مقياس النانومتر

استخدم العلماء طبقة رقيقة من الليبيدوم نيونوبات، رُصِفت على ركيزة من ثاني أكسيد السيليكون والسيليكون، وحُمِيت بطبقة من أكسيد السيليكون.

المصدر: Light Science & Applications

بعد ذلك اختبروا تنوعات طبقة الحماية السيليكونية، مكتشفين السماكة المثلى التي يمكنها توليد نطاق تردد يمكن التحكم فيه بأعلى دقة.

المصدر: Light Science & Applications

كان الناتج ليزرًا مصغرًا بحجم رقاقة حاسوب، مع معلمات يمكن التحكم فيها بدقة شديدة لتطبيقات الليدار.

“إنها عملية مهمة جدًا يمكن استخدامها في الساعات الضوئية التي تقيس الوقت بدقة هائلة، لكنك تحتاج إلى الكثير من المعدات للقيام بذلك. قد يتطلب الإعداد النموذجي أدوات بحجم حاسوب مكتبي مثل ليزر داخلي، وعازل، ومُعدِّل صوتي بصري، ومُعدِّل طور.

ليزرنا يمكنه دمج كل هذه المكونات في شريحة صغيرة جدًا يمكن ضبطها كهربائيًا.”

Shixin Xue – Shixin Xue, a PhD student at Rochester University 

مقاييس الأداء: تردد التشويش والسرعة القياسية

عند القياس، أظهر الشريحة أداءً فاق جميع الليزرات الحالية.

وبشكل ملحوظ، حقق “معدل تشويش التردد” حتى 20 EHz/s، مع عرض نطاق تعديل يتجاوز 10 GHz. للمقارنة، هذه الأرقام أكبر بمرتبة أضعاف من أرقام الليزرات الحالية.

يمكن لشريحة الليزر تحقيق قياس سرعة 40 م/ث على مسافة قصيرة تبلغ 0.4 م، وكانت الدقة البصرية أقل من 2 سم. من الممكن أن يكون قياس السرعة أعلى من 40 م/ث، لكن الإعداد التجريبي لم يسمح باختبارات أسرع.

هذه الأداءات على المدى القصير مهمة، لأنها ما زالت تشكل تحديًا للأنظمة التقليدية للليدار، خاصةً مع الأجسام المتحركة بسرعة، وهي مشكلة كبيرة لتقنية السيارات الذاتية القيادة التي تحتاج إلى رؤية واضحة للأجسام القريبة والسريعة.

المصدر: Light Science & Applications

لماذا يهم الليدار المصغر: الفوائد وحالات الاستخدام

حتى الآن، ظل تطوير التحكم في تردد الليزر محدودًا نسبيًا. وقد أدى ذلك إلى قيود شديدة على النشر العملي للقياسات الليزرية بسبب الحجم والوزن واستهلاك الطاقة لهذه الأنظمة.

لذلك تُعد السيارات الذاتية القيادة والمركبات المستقلة الأخرى (مثل الطائرات بدون طيار) والأجهزة (الروبوتات) هي الاحتمالات الواضحة الأولى لهذه التقنية. كان المجال مقيدًا بمشكلتين: الحصول على ذكاء اصطناعي ذكي بما يكفي لقيادة السيارات بأمان، وتكلفة وحجم الليدار لتزويد الذكاء الاصطناعي برؤية دقيقة لبيئته. يمكن للفوتونيات القائمة على الليبيدوم نيونوبات حل المشكلة الثانية في الوقت المناسب عندما يصبح الذكاء الاصطناعي كافيًا للمهمة.

هذه ليست الاستخدام الوحيد للقياسات الليزرية فائقة الدقة. تستخدم التصنيع المتقدم الليدار للقياسات والت calibrations المستمرة. يمكن للاتصالات، الاتصالات الكمومية، إنتاج الموجات الدقيقة، وأجهزة الاستشعار أن تستفيد أيضًا من قياسات ليزرية بحجم الجيب، منخفضة التكلفة، ومنخفضة استهلاك الطاقة.

يستخدم العلماء الليزر أيضًا لقياس موجات الجاذبية، مراقبة المادة المظلمة، وحسابات فيزياء متقدمة أخرى. قد تكون مقاييس السرعة فائقة الدقة مهمة لتطوير اندماج نووي بالاحتجاز الحراري، وبالتالي قد تساعد في التقدم العلمي العام.

الاستثمار في تكنولوجيا الليزر

الليزر موجود في عدد لا يحصى من أجزاء التكنولوجيا الحديثة، من الأقراص الضوئية إلى أدوات الجراحة، الطباعة ثلاثية الأبعاد، أشباه الموصلات، التصنيع، ومُسلسلات الجينوم، مع سوق بقيمة 17.8 مليار دولار يُتوقع أن ينمو بمعدل 7.8% CAGR حتى 2030.

يمكنك الاستثمار في الشركات المرتبطة بالليزر عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من الدول الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات محددة، يمكنك أيضًا النظر في صناديق المؤشرات المتداولة (ETF) التقنية مثل iShares U.S. Technology ETF (IYW) أو ProShares Nanotechnology ETF (TINY) حتى وإن لم يتوفر صندوق ETF مخصص لليزر فقط، فستحصل على تعرض متنوع للاستفادة من أسهم التكنولوجيا والنانوتكنولوجيا.

أهم الشركات العامة في مجال الليزر والفوتونيات

Coherent (II-VI Marlow): رائد في ابتكار الليزر

Coherent هي مجموعة صناعية ضخمة تضم أكثر من 26,000 موظف وتُعد رائدة في تكنولوجيا الليزر. نتجت عن دمج شركة المواد المتقدمة II-VI Marlow مع صانع الليزر Coherent.

تتخصص الشركة في المواد المتقدمة المستخدمة في الليزر، البصريات، والفوتونيات، مثل الفسفوريد الإنديوم، الرقائق الوبائية، والزرنيخ الغاليوم.

نمت الشركة بشكل كبير بفضل عدة عمليات استحواذ خلال العقد الماضي، من إيرادات 600 مليون دولار في 2013 إلى 4.7 مليار دولار في 2024.

تستمد الشركة 29% من إيراداتها مباشرة من الليزر، بينما يرتبط الباقي بالمعدات المرتبطة مثل الألياف البصرية والإلكترونيات. فئة الأجهزة تشمل أساسًا علوم الحياة والتطبيقات الطبية.

المصدر: Coherent

وجود الشركة في مواد متقدمة مثل الخلايا الحرارية الضوئية (التي ناقشناها في مقال سابق)، كربيد السيليكون، الليزر، والإلكترونيات يساعدها على الاستفادة من اتجاهات هيكلية مثل نمو التصنيع الدقيق، التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد)، الكهربة، والطاقة المتجددة.

قامت الشركة مؤخرًا بفصل أعمال كربيد السيليكون إلى كيان جديد، تمتلكه Coherent بنسبة 75%، بينما يمتلك شركاؤها Mitsubishi Electric (الذي يجلب حقوق ملكية كربيد السيليكون) و Denso (الذي يجلب نشاطه كمورد للسيارات في مجال الكهربة وأشباه الموصلات القوية) النسبة المتبقية بالتساوي.

ذلك لأن كربيد السيليكون أصبح تقنية مستقلة تُستخدم أساسًا في التطبيقات عالية القدرة مثل السيارات الكهربائية، البطاريات، والطاقة المتجددة.

Coherent رائدة في مجال الليدار والاستشعار الرقمي ثلاثي الأبعاد، بما في ذلك تطبيقات السيارات الذاتية القيادة، والبيوتكنولوجيا خلايا تدفق التسلسل الجيني من الجيل التالي (NGS)، والليزر لتصنيع أشباه الموصلات. تتوقع أن تنمو أسواقها الرئيسية بمعدل 8-20%.

المصدر: Coherent

التطبيقات المحتملة الأخرى للليزر مثل الأسلحة ذات الطاقة المباشرة، الحوسبة الفوتونية، الاندماج النووي، وتكنولوجيا الفضاء قد تساعد جميعها في دعم النمو طويل الأجل للشركة.

بشكل عام، تُعد Coherent أقرب ما يكون إلى شركة ليزر “نقية” مدرجة في البورصة للمستثمرين المهتمين بالقطاع، مع تكامل عمودي قوي وأكثر من 3,100 براءة اختراع تحمي ابتكاراتها.

Coherent أيضًا ينتج الآن رقائق ليبيدوم نيونوبات على نطاق واسع، مما يجعلها واحدة من الشركات الأكثر استعدادًا لجلب الابتكار المذكور في هذه المقالة إلى مرحلة تجارية.

آخر أخبار وتطورات سهم Coherent (COHR)

الدراسة المرجعية

^{1. Xue, S., Li, M., Lopez-rios, R., et al. Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology. Light Sci Appl 14, 209 (2025). https&#58//doi.org/10.1038/s41377-025-01872-4}