ثورة في مجال الليزر: تقنية حلقات أشباه الموصلات القابلة للتعديل

طوّر باحثون من جامعة فيينا التقنية وهارفارد ليزرًا شبه موصل قابلًا لضبط التردد يمكن دمجه على رقاقة. وتعرض دراستهم المنشورة في مجلة Optica عام 2025 مصفوفة من ليزرات الشلال الكمي الحلقية تتيح ضبط الضوء على نطاق واسع من دون قفزات مفاجئة بين أنماط التشغيل. الجهاز نموذج مختبري، وليس منتجًا تجاريًا.

ما فائدة الليزر القابل للضبط؟

يحدد طول موجة الليزر المواد التي يمكن فحصها والأنظمة التي يمكن تشغيلها به. ففي التحليل الطيفي، تُعرَف بعض الجزيئات من ترددات الضوء التي تمتصها. وقد تُستخدم مصادر الضوء القابلة للضبط أيضًا في الاتصالات البصرية. لكن الجمع بين نطاق ضبط واسع وانبعاث مستقر وحجم صغير يظل تحديًا هندسيًا.

تعتمد بعض التصاميم التقليدية على محزوز حيود داخل الليزر، أو تجويف خارجي، أو عدة ليزرات منفصلة لتغطية ترددات مختلفة. ولكل طريقة مزاياها وحدودها من حيث الحجم والأجزاء المتحركة واحتمال القفز بين الأنماط. وتسعى الدراسة الجديدة إلى جمع نطاقات ترددية متعددة على رقاقة واحدة.

كيف تعمل مصفوفة الحلقات؟

صنع الفريق خمس حلقات ليزر من نوع الشلال الكمي، لكل منها تحكم كهربائي مستقل. وتراوحت أنصاف أقطارها بين 220 و260 ميكرومتر. ينتج اختلاف الحجم ترددات ليزر مختلفة، وتتصل الحلقات بدليل موجي بصري مشترك يخرج الضوء عبره من الرقاقة. ويساعد دوران الضوء باتجاه مفضل داخل الحلقة على استقرار الانبعاث عند وجود تغذية راجعة بصرية قوية.

حققت مجموعة من ثلاث حلقات، وفقًا للورقة البحثية، تغطية إجمالية مقدارها 33 سم⁻¹. وأمكن ضبط كل حلقة تدريجيًا من دون قفزات بين الأنماط، بينما وسّع استخدام حلقات مختلفة المجال الطيفي الإجمالي. وتشير قيم 266 إلى 395 غيغاهرتز المذكورة في الدراسة إلى نطاقات مسح حلقات مختلفة، ولا تعني مسحًا متصلًا واحدًا لكل هذه الترددات.

أنتجت إحدى الحلقات قدرة ضوئية وصلت إلى نحو 0.5 ملي واط في التشغيل المستمر عند درجة حرارة الغرفة. كما أظهر النموذج استقرارًا في ظل تغذية راجعة بصرية مرتفعة. هذه قياسات لرَقاقة مختبرية محددة؛ ولا تثبت تكلفة الإنتاج واسع النطاق أو أداء كل جهاز سيُبنى لاحقًا.

التطبيقات المحتملة وما لم يُثبت بعد

قد يفيد مصدر صغير وقابل للضبط في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة في أجهزة التحليل الطيفي واستشعار الغازات. ويرى الباحثون أن البنية قد تصلح أساسًا لمصادر ضوء متكاملة أخرى. لكن الدراسة لم تختبر علاجًا طبيًا أو ماسحًا أمنيًا أو منتج اتصالات جاهزًا.

ما زالت هناك حاجة إلى اختبار التحكم في عدد أكبر من الحلقات، والاعتمادية في ظروف تشغيل مختلفة، وإمكان التصنيع على نطاق واسع. ولا تتضمن النتائج موعدًا موثوقًا لطرح المنتج أو دليلًا على أن تكلفته أقل بالفعل من البدائل الحالية.

الخلاصة

يجمع نموذج الليزر الحلقي من جامعة فيينا التقنية وهارفارد ليزرات قابلة للتحكم المستقل في دليل موجي مشترك، ويبرهن على ضبط طيفي واسع ومستقر في رقاقة صغيرة. وتبدو النتيجة واعدة للتحليل الطيفي، فيما تتطلب قدرة الأجهزة العملية وعمرها وتكلفتها مزيدًا من الدراسة.