لیزرهای فوقسریع روی یک تراشه جا گرفتند
لیزرهای فوقسریع (Ultrafast Lasers) از پیشرفتهترین ابزارهای فناوری نور به شمار میروند و به دلیل تولید پالسهای بسیار کوتاه و پرانرژی در حوزههایی مانند جراحی چشم، ساخت قطعات فوقدقیق، تصویربرداری پزشکی، پژوهشهای علمی و ساخت دقیقترین ساعتهای اتمی کاربرد گستردهای دارند.
به گزارش SciTechDaily، با این حال این سامانهها تاکنون به دلیل ابعاد بزرگ، هزینه بالا و نیاز به تجهیزات آزمایشگاهی گسترده امکان استفاده در بسیاری از کاربردهای قابلحمل را نداشتند.
اکنون گروهی از پژوهشگران موسسه فناوری فدرال لوزان (EPFL) در سوئیس موفق شدهاند بخش عمدهای از توان یک لیزر فوقسریع را روی یک تراشه فوتونیکی کوچک پیادهسازی کنند؛ پیشرفتی که میتواند آغازگر نسل جدیدی از لیزرهای فوقسریع قابلحمل باشد.
بر اساس نتایج این پژوهش لیزر ساختهشده روی تراشه قادر است پالسهایی با انرژی ۱٫۰۵ نانوژول تولید کند که تا ۱۴۷ فمتوثانیه قابل فشردهسازی هستند. هر فمتوثانیه برابر با یک میلیون میلیاردم ثانیه (۱۰ به توان منفی ۱۵ ثانیه) است. این عملکرد بیش از دو مرتبه بزرگی بهتر از نمونههای پیشین لیزرهای فوقسریع مبتنی بر تراشه بوده و از نظر کارایی به سامانههای آزمایشگاهی مبتنی بر فیبر نوری نزدیک شده است.
احیای یک ایده قدیمی برای حل یک چالش بزرگ
پژوهشگران در این پروژه فناوری کاملا جدیدی ابداع نکردند بلکه از معماری شناختهشدهای به نام نوسانساز مامیشف (Mamyshev Oscillator) استفاده کردند؛ طراحیای که سالها در لیزرهای فیبری شناخته شده بود، اما تاکنون در فوتونیک مجتمع کمتر مورد توجه قرار گرفته بود.
توبیاس کیپنبرگ، استاد فوتونیک در EPFL در این باره گفت: بیش از دو دهه دستیابی به یک لیزر فمتوثانیهای با انرژی پالس بالا روی تراشه، یکی از آرزوهای بزرگ فوتونیک مجتمع محسوب میشد. نتایج ما نشان میدهد این هدف نهتنها امکانپذیر است بلکه میتوان با معماریای نسبتا ساده که تاکنون نادیده گرفته شده بود، به آن دست یافت.
در تراشههای فوتونیکی نور از طریق کانالهای بسیار باریکی به نام موجبر (Waveguide) هدایت میشود اما عبور پالسهای پرقدرت از این مسیرهای باریک معمولا باعث ناپایداری نور میشود. طراحی مامیشف این مشکل را با استفاده از دو فیلتر نوری برطرف میکند؛ به این صورت که پالسهای قوی هنگام عبور طیف رنگی گستردهتری ایجاد کرده و از فیلترها عبور میکنند اما نورهای ضعیف و ناپایدار حذف میشوند و در نتیجه عملکرد لیزر پایدار باقی میماند.
ژرو چیو از نویسندگان اصلی مقاله نیز اظهار کرد: این طراحی بسیار جذاب است، زیرا برای پیادهسازی آن روی تراشه نیترید سیلیکون آلاییده به اربیوم به هیچ قطعه پیچیده یا دشوار در فرایند ساخت نیاز نیست.
۴۲ سانتیمتر مسیر نوری در تراشهای دو سانتیمتری
حفره لیزر در این سامانه طولی برابر با ۴۲ سانتیمتر دارد اما پژوهشگران آن را به صورت مارپیچی در تراشهای با ابعاد تنها ۲ در ۱.۱ سانتیمتر جای دادهاند.
نمونه اولیه این فناوری شامل ۲۶ لیزر قفلشده مد (Mode-Locked Laser) روی یک تراشه است و پژوهشگران اعلام کردهاند که امکان ساخت بیش از ۳۰۰ حفره لیزری روی هر ویفر نیز وجود دارد؛ موضوعی که ظرفیت بالای این فناوری برای تولید انبوه را نشان میدهد.
کاربردهای گسترده از پزشکی تا ارتباطات و اندازهگیری دقیق
لیزرهای فوقسریع تنها به دلیل سرعت بالای تولید پالس اهمیت ندارند. اگر این پالسها با نظم بسیار دقیق تکرار شوند مجموعهای موسوم به شانه فرکانسی نوری (Optical Frequency Comb) ایجاد میکنند که مانند خطکشی بسیار دقیق برای اندازهگیری فرکانس نور عمل میکند. این فناوری در ساعتهای اتمی، سامانههای مخابراتی، پردازش اطلاعات و اندازهگیریهای فوقدقیق کاربرد دارد و توسعه آن در سال ۲۰۰۵ جایزه نوبل فیزیک را برای پژوهشگران این حوزه به همراه داشت.
این تراشه همچنین موفق به تولید ابرپیوستار نوری (Supercontinuum) با گستره طول موج ۷۳۶ تا ۲۳۳۱ نانومتر بدون نیاز به تقویتکننده خارجی شد. چنین منابع نوری پهنباندی در طیفسنجی، بررسی ترکیب مواد و تصویربرداری پزشکی از جمله توموگرافی انسجام نوری (OCT) که در تصویربرداری از شبکیه چشم استفاده میشود، کاربرد فراوان دارند.
تشخیص مواد و بررسی عیوب بدون تماس
پژوهشگران در ادامه از این لیزر تراشهای برای راهاندازی سامانه طیفسنجی حوزه زمانی تراهرتز (Terahertz Time-Domain Spectroscopy) استفاده کردند.
امواج تراهرتز در بازهای میان امواج مایکروویو و فروسرخ قرار دارند از بسیاری از مواد عبور میکنند خاصیت یونیزهکنندگی ندارند و میتوانند ویژگیهای مولکولی مواد مختلف را آشکار کنند.
در آزمایش انجامشده سامانه به پهنای باند ۵ تراهرتز و دامنه دینامیکی ۹۰ دسیبل دست یافت. این سامانه توانست ضخامت یک ویفر سیلیکونی را با دقت اندازهگیری کرده و همچنین با شناسایی یک ویژگی جذبی در حدود ۰.۵۳ تراهرتز پودر لاکتوز را از آرد تشخیص دهد.
به گفته پژوهشگران این فناوری میتواند در آینده برای شناسایی عیوب پنهان در مواد، تشخیص بدون تماس ترکیبات شیمیایی، پایش آلایندههای محیطی و توسعه ابزارهای دقیق علمی و پزشکی با ابعاد بسیار کوچک مورد استفاده قرار گیرد.
هنوز تا ساخت لیزر جیبی فاصله وجود دارد
با وجود این موفقیت پژوهشگران تاکید میکنند که این فناوری هنوز به مرحله تولید یک لیزر کاملا قابلحمل نرسیده است. نمونه آزمایشگاهی همچنان از لیزرهای پمپ خارجی و تجهیزات جانبی برای آزمایش استفاده میکند و در نسخههای آینده باید یکپارچهسازی بیشتر اجزا، کاهش هزینه بستهبندی و افزایش مقاومت دستگاه در شرایط واقعی انجام شود.
با این حال مهمترین مانع فنی یعنی تولید پالسهای فمتوثانیهای پرانرژی روی یک بستر فوتونیک مجتمع اکنون برطرف شده است.
ژرو چیو در پایان گفت: این تراشه با دستیابی به توانهای اوج در مقیاس کیلووات میتواند کاربردهایی را ممکن سازد که تاکنون تنها با لیزرهای بزرگ و گرانقیمت آزمایشگاهی قابل انجام بودند.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature منتشر شده است.
انتهای پیام/
