كان فريق من الباحثين بقيادة يلينا فوكوفيتش، أستاذة الهندسة الكهربائية في جامعة ستانفورد، رائداً في دمج ليزر الأحجار الكريمة من التيتانيوم (Ti:sapphire) على شريحة (والتي يمكن ضخها بمؤشر ليزر أخضر). بالمقارنة مع أي ليزر آخر للأحجار الكريمة من التيتانيوم متوفر حاليًا، فإن هذا النموذج الأولي أصغر بأربعة أوامر من حيث الحجم (أي واحد على عشرة آلاف من الأصل) وثلاثة أوامر من حيث التكلفة أقل (أي واحد من الألف من الأصل).
لا غنى عن ليزر الأحجار الكريمة من التيتانيوم، نظرًا لعرض النطاق الترددي العالي الكسب وإخراج النبض فائق السرعة، في مجالات مثل البصريات الكمومية المتطورة والتحليل الطيفي وعلم الأعصاب. ومع ذلك، فإن حجمها الكبير وسعرها المرتفع (مئات الآلاف من الدولارات لكل منها)، بالإضافة إلى الحاجة إلى أجهزة عالية الطاقة (تباع كل منها بحوالي 30 دولارًا،000) لضخها، قد حد من استخدامها على نطاق واسع.
"في مختبر ستانفورد للضوئيات النانوية والكمية، أجرينا العديد من التجارب الكمومية المعتمدة على البتات الكمومية ذات الحالة الصلبة في مواد مثل الماس وكربيد السيليكون. وتعتمد هذه التجربة بشكل كبير على ليزر الأحجار الكريمة التجارية من التيتانيوم." يشرح جوشوا يانغ، طالب الدكتوراه في فريق فوكوفيتش.
بالإضافة إلى كونها باهظة الثمن، فإن أجهزة ليزر الأحجار الكريمة المصنوعة من التيتانيوم معقدة وغالبًا ما تتطلب صيانة دورية للحفاظ على عملها بشكل جيد. يجري فريق بحث فوكوفيتش عددًا كبيرًا من التجارب التي لا يتوفر فيها وقت كافٍ لأشعة ليزر الأحجار الكريمة المصنوعة من التيتانيوم، وبالتالي يتعين عليه مشاركة المعدات وإدارة الجدول التجريبي. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن الطاقة المطلوبة للتجارب أقل بكثير من طاقة الخرج لأشعة ليزر الأحجار الكريمة التجارية المصنوعة من التيتانيوم، فلا يمكن تخفيف خرج الليزر إلا ببضعة أوامر من الحجم، مما يؤدي إلى إهدار جزء كبير من طاقة الليزر.
قال يانغ: "يمكن لأشعة ليزر صفير التيتانيوم على نطاق الرقاقة، نظرًا لتكلفتها المنخفضة وتماسكها وثباتها، أن تحل محل أنظمة ليزر الأحجار الكريمة التجارية المصنوعة من التيتانيوم المستخدمة حاليًا في تجاربنا الدقيقة."
الشكل 1: ليزر الأحجار الكريمة من التيتانيوم على نطاق الرقاقة الذي طوره فريق بحث البروفيسور يلينا فوكوفيتش. يرتكز الليزر قطريًا على حجر كريم من التيتانيوم، وكلاهما يستقر على ربع.
تصميم ليزر ذكي
يتكون الليزر على نطاق الرقاقة الذي طوره الفريق من جزأين رئيسيين: دليل موجي ومرنان حلقي.
يتم وضع طبقة من الأحجار الكريمة من التيتانيوم على ركيزة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، والتي يتم وضعها بعد ذلك على بلورة الياقوت. طبقة الأحجار الكريمة من التيتانيوم مطحونة ومحفورة ومصقولة بسمك لا يتجاوز بضع مئات من النانومترات. ثم تم تصميمها باستخدام دليل موجي، والذي يعمل بمثابة دوامة من التلال الصغيرة التي توجه الضوء أثناء انتقاله عبره.
يتم استخدام سخان مصغر لتسخين الدليل الموجي، والذي يغير مؤشر الانكسار للدليل الموجي والسرعة التي ينتقل بها الضوء عبر الدليل الموجي، بحيث يمكن تعديل الطول الموجي الناتج على نطاق من الأطوال الموجية، من الأحمر إلى الأشعة تحت الحمراء (قابل للتعديل حاليًا) إلى 60 نانومتر).
"إن الدليل الموجي ذو الشكل الحلزوني يعادل مضخم الليزر، وتزداد الطاقة مع مرور الليزر." يشرح يانغ: "يعمل المرنان الحلقي كمرشح لتعديل الطول الموجي لليزر عبر أجهزة التسخين الدقيقة، ولتجويف رنين لليزر - حيث يعمل كمسار إعادة تدوير لنقل الليزر."
الشكل 2: صورة بصرية لمضخم الدليل الموجي للأحجار الكريمة من التيتانيوم بقياس 0.5 مم × 0.5 مم.
التحديات التي تواجه ليزر الأحجار الكريمة من التيتانيوم على نطاق واسع
أكبر صعوبة في استخدام ليزر الأحجار الكريمة المصنوعة من التيتانيوم هي أنها تتطلب ضخًا عالي الكثافة للعمل. من خلال تحقيق تكنولوجيا ليزر الأحجار الكريمة المصنوعة من التيتانيوم من خلال دليل موجي عالي الدقة، حقق فريق البحث إنجازين مهمين:
أولاً، نظرًا لأن كثافة الضخ هي الطاقة مقسومة على المساحة، فإن استخدام أدلة الموجات الضوئية للأحجار الكريمة من التيتانيوم يقلل بشكل كبير من مساحة الضخ. "وهذا يعني أن هناك حاجة إلى طاقة أقل (حوالي 1000 مرة أقل) لتحقيق كثافة ضخ مماثلة لتلك الخاصة بأنظمة الأحجار الكريمة التجارية من التيتانيوم." يشرح يانغ: "لذلك، حتى ليزر أشباه الموصلات ذو الضوء الأخضر الرخيص يكون قويًا بما يكفي لضخ هذا الليزر على نطاق الرقاقة."
ثانيًا، يتم دمج ليزر الأحجار الكريمة المصنوعة من التيتانيوم في الشريحة. "يتميز ليزر الياقوت على نطاق الرقاقة (بدون المزيد من الأجزاء المتحركة) بالتصغير وقابلية التوسع والمتانة التي لا مثيل لها من قبل أجهزة الليزر التجارية لتصنيع أشباه الموصلات على مستوى الرقاقة على نطاق واسع." وأضاف يانغ.
بالنسبة ليانغ، فإن أهم ما يميز هذا العمل هو استخدام ليزر الأحجار الكريمة المصنوع من التيتانيوم على نطاق رقاقة لإجراء تجارب كمية. وقال: "لقد كانت مفاجأة كبيرة أن نرى هذا الجهاز الصغير يحل محل نظام ليزر تجاري ضخم في تجربة معقدة للديناميكا الكهربائية الكمومية (QED). لأن الليزر على نطاق الرقاقة الذي قمنا بتطويره استثنائي حقًا."
أحد التحديات التي كان على فريق بحث فوكوفيتش التغلب عليها لجعل ليزر الأحجار الكريمة المصنوعة من التيتانيوم على نطاق الرقاقة قابلاً للاستخدام حقًا في التجارب الكمومية هو تحسين اقتران مصدر المضخة. يقول يانغ: "للتجارب، يتم ضخ الليزر من خلال مسار ضوئي في الفضاء الحر، ولكن باستخدام تقنية التعبئة الضوئية، من الممكن دمج ليزر أشباه الموصلات ذو الضوء الأخضر الذي يعمل كمصدر مضخة لأحجار التيتانيوم الكريمة على نطاق الرقاقة". الليزر من خلال تحسين اقتران نظام التغليف ومصدر المضخة، يمكن تحقيق إنتاج ليزر أعلى طاقة، ويكون الليزر محمولًا ومتينًا.
التطبيقات المحتملة
تتمتع أشعة ليزر الأحجار الكريمة المصنوعة من التيتانيوم على نطاق واسع بمجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من التقنيات الكمومية مثل الحوسبة الكمومية والساعات الذرية إلى التطبيقات الطبية مثل التصوير المقطعي التوافقي البصري والمجهر ثنائي الفوتون.
وقال يانغ "نأمل أن تنضج هذه التكنولوجيا وتستخدم في هذه المجالات في السنوات القليلة المقبلة". وبعد تخرجه هذا الصيف، سيعمل في شركة Brightlight Photonics، وهي شركة ستعمل على تسهيل تسويق أجهزة ليزر الأحجار الكريمة المصنوعة من التيتانيوم على نطاق واسع.
حاليًا، تعمل يلينا فوكوفيتش وفريقها البحثي على ليزر تيتانيوم على نطاق رقاقة قابل للضبط ومقفل.
وقال البروفيسور فوكوفيتش إن الليزر النبضي "سيفتح فرصًا جديدة لتطبيقات الليزر في تكنولوجيا الكم ومعالجة المعلومات الكلاسيكية والطب الحيوي".
