پیشرفتی انقلابی در فناوری لیزر/ پر کردن شکاف سبز با میکرو لیزرهای کوچک

به گزارش خبرنگار گروه علم و فناوری خبرگزاری برنا؛ دانشمندان NIST در فناوری لیزر یک پیشرفت چشمگیر داشته‌اند و با استفاده از میکرو رزوناتور‌های جدید، شکاف "سبز" را پر کرده و یک طیف وسیع از نور سبز را تولید کرده‌اند.

- محققان با ایجاد لیزر‌های نارنجی، زرد و سبز کوچک که به راحتی بر روی یک تراشه جا می‌گیرند، یک شکاف مهم تکنولوژیکی را پر کرده‌اند. 

• لیزر‌های کم‌صدا و فشرده در این محدوده طول موج برای حسگر‌های کوانتومی، ارتباطات و پردازش اطلاعات بسیار اهمیت دارند.

پر کردن شکاف سبز: نوآوری‌ها در فناوری لیزر

ساخت نور سبز کار آسانی نیست. سال‌هاست که دانشمندان لیزر‌های کوچک و باکیفیتی تولید می‌کنند که نور قرمز و آبی را تولید می‌کنند. با این حال، روشی که معمولاً برای این کار استفاده می‌شود - تزریق جریان الکتریکی به نیمه‌رسانا‌ها - در ساخت لیزر‌های کوچک که نور در طول موج‌های زرد و سبز تولید می‌کنند، چندان مؤثر نبوده است.

دانشمندان به این کمبود لیزر‌های پایدار و مینیاتوری در این بخش از طیف نور مرئی، "شکاف سبز" می‌گویند. پر کردن این شکاف فرصت‌های جدیدی در ارتباطات زیرآبی، درمان‌های پزشکی و موارد دیگر ایجاد می‌کند. 

لیزر‌های سبز نشانگر (Laser pointer) برای ۲۵ سال وجود داشته‌اند، اما آن‌ها فقط نور را در یک طیف محدود سبز تولید می‌کنند و در تراشه‌ها یکپارچه نیستند تا بتوانند همراه با سایر دستگاه‌ها وظایف مفید انجام دهند. 

پیشرفت‌ها در اجزای نوری

اکنون دانشمندان در مؤسسه ملی استاندارد‌ها و فناوری (NIST) با اصلاح یک جزء نوری کوچک - یک میکرو رزوناتور حلقه‌ای شکل که به راحتی روی یک تراشه جا می‌گیرد، شکاف سبز را پر کرده‌اند.

یک منبع کوچک نور لیزر سبز می‌تواند ارتباطات زیرآبی را بهبود بخشد، زیرا آب در بیشتر محیط‌های آبی تقریباً نسبت به طول موج‌های آبی-سبز شفاف است. سایر کاربرد‌های بالقوه شامل نمایشگر‌های لیزری تمام‌رنگ و درمان‌های لیزری بیماری‌های پزشکی مانند رتینوپاتی دیابتی است که به تکثیر عروق خونی در چشم مربوط می‌شود.

بهبود محاسبات کوانتومی با لیزر‌های سبز

لیزر‌های فشرده در این محدوده طول موج نیز برای کاربرد‌های محاسبات کوانتومی و ارتباطات مهم هستند، زیرا می‌توانند اطلاعات را در کیوبیت‌ها (واحد اساسی اطلاعات کوانتومی) ذخیره کنند. در حال حاضر، این کاربرد‌های کوانتومی به لیزر‌هایی متکی هستند که از نظر اندازه، وزن و توان بزرگتر هستند و این موضوع محدودیت‌هایی برای استفاده خارج از آزمایشگاه ایجاد می‌کند.

برای چندین سال، تیمی به سرپرستی کارتیک سرینیواسان از NIST و مؤسسه مشترک کوانتوم (JQI)، یک همکاری تحقیقاتی بین NIST و دانشگاه مریلند، از میکرو رزوناتور‌هایی که از نیترید سیلیکون ساخته شده‌اند، برای تبدیل نور لیزر مادون قرمز به سایر رنگ‌ها استفاده کرده‌اند. هنگامی که نور مادون قرمز به داخل رزوناتور حلقه‌ای پمپاژ می‌شود، نور هزاران بار دایره می‌زند تا به شدت کافی برسد و با نیترید سیلیکون به شدت تعامل کند. این تعامل که به عنوان نوسان پارامتری نوری (OPO) شناخته می‌شود، دو طول موج جدید نور تولید می‌کند که به آنها *idler* و *signal* می‌گویند.

بهینه‌سازی تکنیک‌های تولید لیزر

در مطالعات قبلی، محققان چند رنگ جداگانه از نور لیزر مرئی تولید کردند. بسته به ابعاد میکرو رزوناتور، که رنگ‌های نوری تولید شده را تعیین می‌کند، دانشمندان طول موج‌های قرمز، نارنجی و زرد و همچنین طول موج ۵۶۰ نانومتر، درست در لبه بین نور زرد و سبز تولید کردند. اما تیم نتوانست کل مجموعه رنگ‌های زرد و سبز لازم برای پر کردن شکاف سبز را تولید کند.

یی سان، دانشمند NIST و یکی از همکاران در مطالعه جدید، گفت: ما نمی‌خواستیم فقط در چند طول موج خوب باشیم، ما می‌خواستیم به کل محدوده طول موج‌ها در این شکاف دسترسی پیدا کنیم.

برای پر کردن شکاف، تیم به دو روش میکرو رزوناتور را اصلاح کرد. اول، دانشمندان آن را کمی ضخیم‌تر کردند. با تغییر ابعاد آن، محققان به راحتی نوری تولید کردند که به عمق بیشتری در شکاف سبز نفوذ کرد و به طول موج‌هایی تا ۵۳۲ نانومتر رسید. با این دامنه گسترده‌تر، محققان کل شکاف را پوشش دادند.

علاوه بر این، تیم میکرو رزوناتور را بیشتر در معرض هوا قرار داد با حذف برخی از لایه سیلیسیم دی‌اکسید زیر آن. این کار باعث شد که رنگ‌های خروجی کمتر به ابعاد حلقه میکرو و طول موج پمپ مادون قرمز حساس باشند. حساسیت کمتر به محققان کنترل بیشتری در تولید طول موج‌های مختلف سبز، زرد، نارنجی و قرمز از دستگاه خود داد.

نتیجه این شد که محققان دریافتند که می‌توانند بیش از ۱۵۰ طول موج متمایز در سراسر شکاف سبز ایجاد کنند و آنها را تنظیم کنند. سرینیواسان اظهار داشت: قبلاً می‌توانستیم تغییرات بزرگ - قرمز به نارنجی به زرد به سبز - در رنگ‌های لیزری که می‌توانستیم با OPO تولید کنیم، ایجاد کنیم، اما سخت بود که تغییرات کوچکی در هر یک از این نوار‌های رنگی ایجاد کنیم.

دانشمندان اکنون در حال کار برای افزایش بازده انرژی تولید رنگ‌های لیزری در شکاف سبز هستند. در حال حاضر، توان خروجی تنها چند درصد از توان لیزر ورودی است. اتصال بهتر بین لیزر ورودی و موج‌بر که نور را به میکرو رزوناتور هدایت می‌کند، همراه با روش‌های بهتر برای استخراج نور تولید شده، می‌تواند به طور قابل توجهی بازده را بهبود بخشد.

محققان، که شامل جردن استون و شی‌یوان لو از JQI و همچنین ژیمین شی از آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی متا در ردموند، واشنگتن هستند، آنها یافته‌های خود را در تاریخ ۲۱ آگوست به صورت آنلاین در مجله Light: Science and Applications گزارش کردند.

انتهای پیام/