الائتمان: CC0 المجال العام
إن الليزر المصنوع من التيتانيوم والياقوت يعتبر من الأجهزة التي تتمتع بأداء “لا مثيل له”. فهو لا غنى عنه في العديد من المجالات، بما في ذلك البصريات الكمية المتطورة، والتحليل الطيفي، وعلم الأعصاب. ولكن هذا الأداء يأتي بثمن باهظ. إن ليزر التيتانيوم والياقوت كبير الحجم، حيث يبلغ حجمه حوالي قدم مكعب. وهو باهظ الثمن، حيث يكلف كل واحد منه مئات الآلاف من الدولارات. وهو يتطلب ليزرات أخرى عالية الطاقة، والتي تكلف كل منها 30 ألف دولار، لتزويده بالطاقة الكافية للعمل.
ونتيجة لذلك، فإن ليزر Ti:sapphire لم يحقق مطلقًا الاعتماد الواسع النطاق في العالم الحقيقي الذي يستحقه، حتى الآن. في قفزة هائلة إلى الأمام من حيث الحجم والكفاءة والتكلفة، قام الباحثون في جامعة ستانفورد ببناء ليزر Ti:sapphire على شريحة. النموذج الأولي أصغر بأربع مرات (10000x) وأقل تكلفة بثلاث مرات (1000x) من أي ليزر Ti:sapphire تم إنتاجه على الإطلاق.
قالت يلينا فوكوفيتش، أستاذة جنسن هوانغ في القيادة العالمية، وأستاذة الهندسة الكهربائية، وكبيرة مؤلفي الورقة البحثية التي تقدم ليزر Ti:sapphire على نطاق الرقاقة المنشورة في مجلة Nature: “هذا خروج كامل عن النموذج القديم”. .
“بدلاً من ليزر واحد كبير وباهظ الثمن، قد يمتلك أي مختبر قريبًا مئات من أجهزة الليزر القيمة هذه على شريحة واحدة. ويمكنك تغذية كل ذلك باستخدام مؤشر ليزر أخضر.”
فوائد عميقة
قال جوشوا يانغ، طالب الدكتوراه في مختبر فوكوفيتش والشريك الأول في الدراسة: “عندما تقفز من حجم سطح الطاولة وتصنع شيئًا قابلاً للإنتاج على شريحة بهذه التكلفة المنخفضة، فإن ذلك يضع أشعة الليزر القوية هذه في متناول الكثير من التطبيقات المهمة المختلفة”. مؤلف الدراسة مع زملاء فوكوفيتش في مختبر النانو والضوئيات الكمومية، ومهندس الأبحاث كاسبر فان غاسي، وباحث ما بعد الدكتوراه دانييل إم لوكين.
من الناحية الفنية، يعتبر ليزر Ti:sapphire ذو قيمة كبيرة لأنه يحتوي على أكبر “نطاق ترددي” من أي بلورة ليزر، كما أوضح يانغ. بعبارات بسيطة، يُترجم عرض النطاق الترددي المكتسب إلى نطاق أوسع من الألوان التي يمكن أن ينتجها الليزر مقارنةً بأجهزة الليزر الأخرى. وقال يانغ إنه فائق السرعة أيضًا. تصدر نبضات من الضوء كل كوادريليون من الثانية.
ولكن من الصعب أيضاً الحصول على ليزرات التيتانيوم والياقوت. وحتى مختبر فوكوفيتش، الذي يجري تجارب على البصريات الكمومية المتطورة، لا يملك سوى عدد قليل من هذه الليزرات الثمينة ليشاركها مع الآخرين. ويلائم ليزر التيتانيوم والياقوت الجديد شريحة تقاس بالملليمتر المربع. وإذا تمكن الباحثون من إنتاجها بكميات كبيرة على رقائق، فقد يكون من الممكن ضغط الآلاف، وربما عشرات الآلاف من ليزرات التيتانيوم والياقوت على قرص يتناسب مع راحة اليد البشرية.
وقال يانغ: “الشريحة خفيفة. وهي قابلة للحمل. وهي غير مكلفة وفعالة. ولا توجد أجزاء متحركة. ويمكن إنتاجها بكميات كبيرة”. “ما الذي لا يعجبك؟ هذا يضفي طابعًا ديمقراطيًا على ليزر Ti:sapphire.”
كيف يتم ذلك
ولتصميم الليزر الجديد، بدأ الباحثون بطبقة كبيرة من ياقوت التيتانيوم على منصة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، وكلها فوق بلورة الياقوت الحقيقية.
ثم يقومون بطحن ونقش وتلميع الياقوت المصنوع من التيتانيوم إلى طبقة رقيقة للغاية، يبلغ سمكها بضع مئات من النانومترات فقط. ثم يقومون بتشكيل دوامة من التلال الصغيرة في تلك الطبقة الرقيقة. وتشبه هذه التلال كابلات الألياف الضوئية، حيث توجه الضوء في كل مكان، وتتزايد شدته. والواقع أن هذا النمط يُعرف باسم موجه الموجات.
يقول يانغ: “من الناحية الرياضية، الشدة هي القوة مقسمة على المساحة. لذلك، إذا حافظت على نفس قوة الليزر واسع النطاق، ولكن قللت المساحة التي يتركز فيها، فإن الشدة ستصل إلى أعلى المستويات”. “إن الحجم الصغير لليزر الخاص بنا يساعدنا في الواقع على جعله أكثر كفاءة.”
الجزء المتبقي من اللغز عبارة عن سخان مجهري يعمل على تسخين الضوء الذي ينتقل عبر أدلة الموجات، مما يسمح لفريق فوكوفيتش بتغيير الطول الموجي للضوء المنبعث لضبط لون الضوء في أي مكان بين 700 و1000 نانومتر – باللون الأحمر إلى الأشعة تحت الحمراء. .
تسليط الضوء على التطبيقات
إن فوكوفيتش ويانج وزملاؤه متحمسون للغاية لمجموعة المجالات التي قد يؤثر عليها مثل هذا الليزر. ففي الفيزياء الكمومية، يوفر الليزر الجديد حلاً غير مكلف وعمليًا يمكن أن يقلل بشكل كبير من حجم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحديثة.
في علم الأعصاب، يمكن للباحثين توقع تطبيق فوري في علم البصريات الوراثي، وهو مجال يسمح للعلماء بالتحكم في الخلايا العصبية بالضوء الموجه داخل الدماغ بواسطة ألياف بصرية ضخمة نسبيًا. ويقولون إن أشعة الليزر صغيرة الحجم قد يتم دمجها في مجسات أكثر إحكاما مما يفتح آفاقًا تجريبية جديدة.
في طب العيون، قد تجد استخدامًا جديدًا مع تضخيم النبض المغرد الحائز على جائزة نوبل في جراحة الليزر أو تقديم تقنيات التصوير المقطعي التوافقي البصري الأقل تكلفة والأكثر إحكاما المستخدمة لتقييم صحة الشبكية.
بعد ذلك، يعمل الفريق على تحسين ليزر Ti:sapphire على نطاق الرقائق وعلى طرق إنتاجه بكميات كبيرة، بالآلاف في المرة الواحدة، على الرقائق. سيحصل يانغ على درجة الدكتوراه هذا الصيف بناءً على هذا البحث ويعمل على جلب هذه التكنولوجيا إلى السوق.
يقول يانغ: “يمكننا وضع آلاف من أشعة الليزر على رقاقة واحدة بحجم 4 بوصات”. “وعندها تبدأ تكلفة الليزر في الانخفاض تقريبًا إلى الصفر. وهذا أمر مثير للغاية.”
معلومات اكثر:
جيلينا فوكوفيتش، التيتانيوم: أجهزة ليزر ومكبرات صوت متكاملة من الياقوت على عازل، طبيعة (2024). دوى: 10.1038/s41586-024-07457-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07457-2
مقدمة من جامعة ستانفورد
الاقتباس: ينتج المهندسون أول ليزر عملي من التيتانيوم والياقوت في العالم على شريحة (2024، 26 يونيو) تم استرجاعه في 26 يونيو 2024 من https://phys.org/news/2024-06-world-titanium-sapphire-laser-chip.html
يخضع هذا المستند لحقوق الطبع والنشر. وبصرف النظر عن أي تعامل عادل لغرض الدراسة أو البحث الخاص، لا يجوز إعادة إنتاج أي جزء منه دون إذن كتابي. يتم توفير المحتوى لأغراض إعلامية فقط.
