ثورة في الليزر: تقنية حلقات أشباه الموصلات القابلة للضبط

كشف فريق من العلماء من جامعة فيينا للتكنولوجيا (TU Wien) وكلية جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد (SEAS) عن طريقة جديدة لتصنيع ليزرات حلقية شبه موصلة قابلة للضبط. تتمتع هذه الليزرات المتطورة بإمكانية توفير اتصالات عالية الطاقة، وأنظمة أمان أكثر تطورًا، وغير ذلك الكثير. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

أنواع الليزر القابل للضبط ومزاياه

بعد ست سنوات فقط من عرض ثيودور هـ. مايمان أول ليزر باستخدام قضيب ياقوت صناعي، بدأ الباحثون العمل على الليزرات القابلة للضبط. وخلافًا لسابقاتها ذات الطول الموجي الثابت، يمكن ضبطها لإصدار الضوء عبر أطوال موجية مختلفة، مما يجعلها مثالية للاستخدام في التطبيقات الدقيقة مثل الاتصالات البصرية والمجهر. وهكذا، أصبحت الليزرات القابلة للضبط جزءًا أساسيًا من مجالات التكنولوجيا المتقدمة والطب اليوم.

فئات الليزر القابلة للضبط: الغاز، والألياف، ومركبات الأكسجين، وأشباه الموصلات

تتوفر اليوم أنواع عديدة من الليزرات القابلة للضبط، بما في ذلك ليزرات الغاز، وليزرات الألياف، والمذبذبات البارامترية البصرية (OPOs)، وليزرات أشباه الموصلات. ويرى الكثيرون أن ليزرات أشباه الموصلات القابلة للضبط هي الخيار الأكثر تطورًا، فهي تتميز بحجمها الصغير، وتدعم نطاقًا موجيًا واسعًا، وتوفر طاقة كافية.

عيوب الليزر القابل للضبط

شهدت تقنية الليزر القابل للضبط قفزات هائلة في إمكانياتها. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من القيود التي أعاقت هذه التقنية عن بلوغ أقصى إمكاناتها. على سبيل المثال، غالبًا ما توفر أجهزة الليزر القابلة للضبط ذات نطاقات الموجات الواسعة دقة أقل. بالإضافة إلى ذلك، تُعتبر تكاليف تصنيع هذه الأجهزة وهشاشتها العامة عقبات أمام تطويرها.

كيفية ضبط ليزر أشباه الموصلات

هناك طريقتان رئيسيتان لإنشاء وضبط ليزرات أشباه الموصلات. تتطلب الطريقة الأولى إضافة شبكة دقيقة إلى حافة الليزر. تُقطع هذه الشبكة بزوايا دقيقة على مقياس نانوي لإنشاء تغذية راجعة بصرية انتقائية التردد. يتيح هذا الإعداد للمهندسين تضخيم طول موجي معين وتقليل التداخل من الموجات الأخرى عن طريق تغيير تيار الليزر.

المصدر - الفضاء العسكري

الطريقة الثانية لضبط ليزرات أشباه الموصلات تعتمد على تجويف خارجي. في هذا التركيب، يعكس محزوز حيود دوار الطول الموجي الدقيق إلى التجويف. يمكن ضبط التجويف، الذي يُثير الطول الموجي إلى ليزر، بتدويره.

مشاكل ليزر أشباه الموصلات اليوم

يعاني مجال ليزر أشباه الموصلات من بعض العيوب التي بذل المهندسون سنوات طويلة في محاولة التغلب عليها. أولًا، لا يزال هناك توازن بين الدقة وقدرات المدى. حتى الآن، كان من الممكن الحصول على جهاز دقيق للغاية أو جهاز يغطي أطوالًا موجية مختلفة بكفاءة.

من المشكلات الأخرى المتعلقة بليزرات أشباه الموصلات انخفاض أدائها بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجات الحرارة. فعندما يسخن ليزر أشباه الموصلات، يفقد طاقته وكفاءته، وقد يتلف. ولذلك، أصبح من المستحيل تحقيق ضبط مستمر طويل الأمد وخالٍ من التداخل عبر طيف واسع.

دراسة ليزرات حلقات أشباه الموصلات

إدراكًا لهذه القيود، شرع مهندسو هارفارد وعلماء من مؤسسات مرموقة أخرى في ابتكار أول ليزر شبه موصل واسع النطاق وعالي الدقة. وثّقوا رحلتهم في دراسة بعنوان "ليزرات حلقات أشباه الموصلات القابلة للضبط بشكل مستمر وعلى نطاق واسع"نُشر في المجلة العلمية Optica.

يكشف البحث عن عملهم على نوع جديد من ليزر أشباه الموصلات القابل للضبط، والذي يستخدم بنية ليزر الكم المتتالي ذي المصفوفة الحلقية (QCL) لتوفير ضبط سلس مع دعم نطاق طيفي موسع. والجدير بالذكر أن ليزرات الكم المتتالية هي ليزرات أشباه موصلات تُصدر أشعة في طيف الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

تصميم Ring QCL: مصفوفات مستقلة وقابلة للعنونة

بدأ الفريق عمله بإنشاء ليزرات حلقية متعددة صغيرة، قابلة للتوجيه بشكل مستقل. ومن الجدير بالذكر أن ليزرات الحلقة تتميز بشعاعين من الضوء بنفس الاستقطاب. يُوجَّه هذان الشعاعان في اتجاهين متعاكسين حول حلقة مغلقة تُنشئها المرايا. يسمح هذا النهج بقياسات دقيقة لأدنى حركة. ولذلك، تُستخدم ليزرات الحلقة بشكل شائع في أنظمة الملاحة كجيروسكوبات.

في هذه الحالة، ابتكر العالم ليزرات الحلقات باستخدام مادة فعالة من ليزر الشلال الكمومي وعملية حفر جاف. بالإضافة إلى ذلك، أُضيفت إلى كل حلقة نقاط تلامس كهربائية وموجّه موجي للحافلة. وقد لاحظ المهندسون أن هذا النهج حسّن الأداء، مما قلل من الفقد البصري للموجة الموجي للحافلة.

طُوِّرت كل حلقة بحيث يكون لها نصف قطر مُميز. وقد أدى استخدام حلقات بأحجام مُختلفة إلى توليد ترددات ليزر مُختلفة لكل مساحة. وقد سمح هذا النهج للمهندسين بضبط كل حلقة على حدة دون أي انخفاض في تردد الليزر.

تحقيق انبعاث أحادي الوضع باستخدام مقرنات حلقية

مكّن هذا النهج الفريد المهندسين من استخدام حلقات متعددة معًا لتوليد طاقة وأطوال موجية محددة. سمح النظام للمهندسين بدمج أشعة كل حلقة في موجه موجي واحد عبر مُقرنات اتجاهية متلاشية على طول المقاطع المستقيمة من الليزر. وبشكل ملحوظ، منعت هذه المُقرنات تذبذبات الكسب من خلال ضمان انتقال الضوء في اتجاه واحد فقط.

انبعاث الموجات من خلال التصميم القائم على الأوجه

أشار الفريق إلى أن ليزرهم يستخدم طريقة فريدة لإصدار الضوء. يعتمد هذا النظام على نهج إصدار الأوجه الذي يمر عبر موجه موجي ناقل. يمكن استخدام هذا الموجه لضبط ترددات الليزر وتضخيمها حسب الحاجة في درجة حرارة الغرفة.

تصميم الليزر الحلقي المعياري يتيح إمكانية التوسع

يتيح التصميم المعياري لهذا النظام الليزري للمهندسين تعديله ليناسب جميع الاحتياجات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تشغيل ليزرات الحلقة في وقت واحد أو في وضع الحلقة الواحدة. وبالتالي، يُنتج دمج الليزرات شعاعًا أقوى وأكثر كثافة، مما يجعله مثاليًا لبعض التطبيقات عالية التقنية.

اختبار ليزرات حلقات أشباه الموصلات

انطلق المهندسون لاختبار نظرياتهم في منشآت الغرف النظيفة بمركز البنى الدقيقة والنانوية التابع لجامعة فيينا التقنية. وهناك، ابتكروا جهاز ليزر بخمس حلقات، لكل منها نصف قطر مميز. تراوحت أحجام الحلقات تحديدًا بين 5 و220 ميكرومتر.

بعد إنشاء النظام، اختبر الفريق إعدادات ليزر وأطوال موجية مختلفة. في إحدى الحالات، جمعوا نطاق ضبط ثلاث حلقات مختلفة لاختبار ضبط بدون قفزات نمطية عبر نطاقات تردد واسعة.

نتائج اختبار ليزرات حلقات أشباه الموصلات

أكدت نتائج الاختبار نماذج المهندسين. ولاحظ الفريق أن جهاز QCL أحادي الحلقة يمكنه إصدار شعاع يصل إلى 0.5 ميلي واط في وضع الموجة المستمرة في درجة حرارة الغرفة. وكشف الاختبار أيضًا أن رقاقة الليزر حافظت على خرج ثابت للطول الموجي، على الرغم من الحقن الضوئي المكثف على سطح الليزر. وأظهرت هذه الاختبارات أن تصميم الليزر الجديد يتميز بالمرونة في ظل مستويات عالية من التغذية الراجعة الضوئية.

بالإضافة إلى ذلك، لاحظ المهندسون أن الأداء يُضاهي أداء ليزرات DFB متعددة المقاطع. ويُمثل هذا الاكتشاف إنجازًا هائلًا، إذ يعني إمكانية تصنيع هذه الليزرات دون الحاجة إلى تصنيع شبكة فريدة على طول المنطقة النشطة لكل ليزر.

على وجه التحديد، تمكن الفريق من استخدام حلقات الليزر الثلاث لمسح نطاقات تردد ضوئية تتراوح بين ٢٦٦ و٣٩٥ جيجاهرتز بسلاسة. كان المسح سلسًا، وكان التداخل الطيفي بين كل حلقة ضئيلًا. والجدير بالذكر أن الجهاز أنتج شعاعًا مستقرًا بشكل ملحوظ تحت كميات كبيرة من الحقن الضوئي.

فوائد ليزرات حلقات أشباه الموصلات

ستعود هذه الدراسة بفوائد جمة على سوق الليزر. أولًا، هذا التصميم لا يحتوي على أجزاء متحركة، وهو أسهل تصنيعًا وأكثر توفيرًا. ومن خلال خفض تكاليف إنتاج الليزر عالي الجودة، يفتح هذا المجال أمام المزيد من سيناريوهات الاستخدام واعتماد المزيد من التقنيات.

صغير الحجم

يتميز الجهاز بتصميم صغير الحجم، ويستخدم ليزرات حلقية قابلة للزيادة أو النقصان لتلبية احتياجات محددة. تتيح هذه الاستراتيجية ضبطًا دقيقًا لطول الموجة وانبعاثًا مستقرًا. وستساهم الليزرات الأصغر حجمًا في دفع عجلة التقنيات المستقبلية والأجهزة القابلة للارتداء.

يُذكر أن الليزرات التقليدية القابلة للضبط تُصدر طولًا موجيًا واحدًا في كل مرة. في المقابل، تُمكّن وحدات ليزرات مصفوفة الحلقات من تشغيل حلقات متعددة في وقت واحد واستهداف أطوال موجية فردية باستخدام نصف قطر حلقة مختلف.

تقليل ردود الفعل وتحسين استقرار الشعاع

يُساعد استخدام ليزرات حلقية متعددة ومُقارنات أحادية الاتجاه على تقليل الانعكاس الخلفي، الذي كان يُعاني منه تصميمات الليزر السابقة. وبالتالي، يُمكن لهذا الهيكل دعم ليزرات قوية قادرة على تحمل طاقة أكبر لإنتاج أشعة أقوى من تلك التي كانت تُنتجها سابقاتها.

تطبيقات الليزر الحلقي شبه الموصل في العالم الحقيقي

هناك العديد من التطبيقات العملية لهذه التقنية. أولًا، تُعدّ أشعة الليزر منافسًا حاسمًا في العديد من مجالات التكنولوجيا المتقدمة اليوم. سيساعد تطوير أجهزة أكثر قوةً وفائدةً على خفض تكلفة التقنيات الحالية، مع تعزيز طرح المنتجات المبتكرة. فيما يلي بعض حالات الاستخدام الأخرى لهذه التقنية.

مجال الاتصالات

يسعى قطاع الاتصالات دومًا إلى تطوير ليزرات أقوى. قد يُسهم هذا التطور الأخير في إنشاء شبكات فائقة قادرة على نقل البيانات بسرعة فائقة، بمستوى لم يكن من الممكن تصوره سابقًا. ويمكن استخدام هذه الأجهزة لنقل البيانات عبر الكون يومًا ما، مما يُبقي رواد الفضاء على اتصال بالأرض من على بُعد ملايين الأميال.

خدمات الطبية

يستخدم المجال الطبي الليزر لأغراض عديدة. من فحص الأمراض إلى تصحيح البصر، هناك طرق عديدة ستساعد بها هذه الليزرات على تحسين صحة ملايين الأشخاص في المستقبل. سيساعد الحجم الأصغر والمرونة والدقة المتزايدة في دعم جيل جديد من الخدمات والإجراءات الطبية الآلية.

سلامة

تُعد أجهزة المسح الضوئي الليزرية عالية الطاقة مكونًا أساسيًا في العديد من الصناعات، بما في ذلك قطاعي الغاز والكيماويات. تفحص هذه الأجهزة أدنى المشاكل لمنع الأعطال الكارثية. يمكن أن تساعد هذه التقنية في الكشف عن التسريبات في أنابيب الغاز، وتدهور البنية التحتية، وغيرها من المهام الحيوية التي تحافظ على سلامة السكان.

الجدول الزمني لليزرات الحلقية شبه الموصلة

من المتوقع طرح ليزرات أشباه الموصلات الحلقية في السوق خلال السنوات الخمس إلى السبع القادمة. هناك طلب فوري على هذه التقنية، وسيسعى المصنعون جاهدين لاستخدامها في تصنيع منتجات أصغر وأكثر تطورًا. سيكون هذا الإطار الزمني أقصر للتكامل العسكري، مما قد يؤدي إلى تطوير أسرع لتلبية المتطلبات المتزايدة لساحات القتال المستقبلية.

باحثون في مجال ليزرات حلقات أشباه الموصلات

كانت دراسة ليزر حلقات أشباه الموصلات ثمرة جهد مشترك بين كلية جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد وجامعة فيينا للتكنولوجيا. شارك في قيادة البحث فيديريكو كاباسو وفينتون هايز. كما تُدرج الدراسة يوهانس فوكسبرغر، وثيودور ب. ليتسو، وديمتري كازاكوف، ورولف سزيدلاك، وبينيديكت شوارتز كمساهمين أساسيين. والجدير بالذكر أن وزارة الدفاع والمؤسسة الوطنية للعلوم قد قدمتا تمويلًا للدراسة عبر منحة.

ما هو التالي في مجال الليزر الحلقي لأشباه الموصلات؟

يعمل الباحثون حاليًا على تسجيل براءة اختراع لعملهم. ومن ثم، سيبحثون عن شركات تصنيع للبدء في خفض تكاليف الإنتاج بشكل أكبر. بالإضافة إلى ذلك، سيبحث الفريق في آثار توسيع نطاق الجهاز بإضافة المزيد من الحلقات.

الاستثمار في قطاع الليزر

اكتسبت العديد من الشركات في قطاع الليزر سمعة طيبة بفضل جودتها وخدماتها الممتازة. أنفقت هذه الشركات ملايين الدولارات على مر العقود في البحث عن أفضل أجهزة الليزر كفاءةً في استهلاك الطاقة وأكثرها فائدة. إليكم إحدى الشركات التي ساهمت في تزويد السوق بأجهزة موثوقة.

شركة الليزر للضوئيات 

شركة الليزر للضوئيات

دخلت السوق عام ١٩٨١ لتوفير ليزرات صناعية عالية الجودة. تقع الشركة في أورلاندو، فلوريدا، وتقدم حاليًا مجموعة من المنتجات، بما في ذلك أنظمة التنظيف والقطع والحماية بالليزر. (LASE )

اكتسبت شركة ليزر فوتونيكس سمعة طيبة كشركة رائدة في هذا المجال بفضل ممارساتها التجارية المتينة وأجهزة الليزر الموثوقة. تقدم هذه الأجهزة حلولاً عالية الأداء لا تحتاج إلى صيانة في السوق. بالإضافة إلى ذلك، تركز الشركة على جعل منتجاتها آمنة بيئيًا ومستدامة.

في أكتوبر 2022، استضافت شركة ليزر فوتونيكس طرحًا عامًا أوليًا حصد تمويلًا بقيمة 55 مليون دولار أمريكي. ومنذ ذلك الحين، واصلت الشركة توسيع نطاق عروضها وقاعدة عملائها. واليوم، تقدم شركة ليزر فوتونيكس خدماتها للعديد من شركات فورتشن 500، وتُعتبر رائدة في هذا المجال.

ليزرات حلقات أشباه الموصلات | الخاتمة

هناك الكثير مما يدعو للحماس عند مناقشة دراسة ليزر أشباه الموصلات القابل للضبط. يمكن لهذه الأجهزة أن تُحدث نقلة نوعية في العديد من الصناعات، وأن تُسهم في خفض تكلفة وحجم الإلكترونيات المستقبلية. إن سهولة تصنيع جهازهم مقارنةً بالخيارات الحالية، وتوفيره ضبطًا دقيقًا وواسعًا للأطوال الموجية في حجم صغير بحجم الشريحة، يجعله خيارًا مثاليًا للصناعة بأكملها.

تعرف على المزيد من الاكتشافات الرائعة الأخرى اضغط هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. يوهانس فوكسبرجر، ثيودور ب. ليتسو، دميتري كازاكوف، رولف سزيدلاك، فيديريكو كاباسو، وبينيديكت شوارتز، "ليزر حلقي شبه موصل قابل للضبط باستمرار وعلى نطاق واسع"، مجلة أوبتيكا 12، 985-990 (2025)}