ساخت لیزر قدرتمند در ابعاد یک تراشه؛ گامی نو برای تصویربرداری از جهان نامرئی

پژوهشگران دانشگاه هاروارد موفق به توسعه نوعی لیزر جدید و فوق‌العاده قدرتمند در ابعاد یک تراشه شده‌اند که قادر است پالس‌های نوری بسیار روشن در ناحیه مادون قرمز میانی (Mid-Infrared) از طیف الکترومغناطیسی تولید کند؛ محدوده‌ای که اگرچه از نظر علمی بسیار ارزشمند است، اما به دلیل چالش‌های فناورانه، تاکنون به‌سختی قابل دستیابی بوده است.

به گزارش ساینس دیلی، این لیزر جدید، تمام کارایی و قابلیت‌های سامانه‌های نوری بزرگ را در یک تراشه کوچک جای داده و بدون نیاز به هیچ‌گونه قطعه یا مولفه‌ی خارجی عمل می‌کند. این فناوری نوآورانه با تلفیق طراحی فوتونیکی پیشرفته و فناوری لیزر‌های کوانتومی پله‌ای (Quantum Cascade Lasers - QCLs) توسعه یافته و می‌تواند تحولی بزرگ در حوزه‌های پایش زیست‌محیطی و تشخیص‌های پزشکی ایجاد کند؛ به‌طوری‌که امکان شناسایی هزاران فرکانس نوری مختلف تنها با یک دستگاه فراهم خواهد شد.

نخستین لیزر پالس‌دهنده‌ی مادون قرمز میانی روی تراشه

بر پایه مقاله‌ای که روز ۱۶ آوریل ۲۰۲۵ در نشریه معتبر Nature منتشر شده، این دستاورد نخستین نمونه لیزر مادون قرمز میانی مبتنی بر تراشه است که قادر به تولید پالس‌های نوری در مقیاس پیکوثانیه بوده و برای عملکرد خود به هیچ قطعه‌ی خارجی نیاز ندارد. این لیزر می‌تواند شانه‌ی فرکانسی نوری (Optical Frequency Comb) ایجاد کند؛ طیفی متشکل از فرکانس‌های نوری با فاصله منظم که کاربرد‌های گسترده‌ای در اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق دارد.

این نوآوری می‌تواند راه را برای توسعه نسل جدیدی از حسگر‌های گازی گسترده‌طیف و ابزار‌های پیشرفته‌ی طیف‌سنجی باز کند؛ ابزار‌هایی که می‌توانند همزمان چندین نوع گاز یا ساختار مولکولی را شناسایی کنند.

هدایت این پروژه را فدریکو کاپاسو (Federico Capasso)، استاد فیزیک کاربردی در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان‌ای. پالسون در دانشگاه هاروارد (SEAS) برعهده داشته است. این پژوهش با حمایت مالی بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) و وزارت دفاع این کشور انجام شده و با همکاری گروه شوارتز از دانشگاه فناوری وین (TU Wien)، تیمی از پژوهشگران ایتالیایی به رهبری لوئیجی لوگیاتو و همچنین شرکت Leonardo DRS Daylight Solutions به مدیریت تیموتی دی (Timothy Day) پیش برده شده است.

کاپاسو درباره این فناوری گفت: «این یک فناوری کاملاً نوین است که با تلفیق فوتونیک غیرخطی روی تراشه، امکان تولید پالس‌های فوق‌کوتاه نوری در ناحیه مادون قرمز میانی را فراهم کرده است؛ نمونه‌ای از این دستگاه‌ها تاکنون وجود نداشته. نکته مهم‌تر اینکه این نوع لیزر‌ها به‌راحتی در کارخانه‌های صنعتی ساخت نیمه‌هادی قابل تولید هستند.»

مزایای کاربردی مادون قرمز میانی در شناسایی گاز‌ها

بخش مادون قرمز میانی طیف الکترومغناطیسی در حال حاضر در کاربرد‌های زیست‌محیطی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. بسیاری از مولکول‌های گازی مانند دی‌اکسیدکربن و متان به‌طور مؤثر نور این محدوده را جذب می‌کنند، بنابراین این طیف به ابزاری کلیدی در شناسایی گاز‌ها و پایش‌های زیست‌محیطی تبدیل شده است. لیزر‌های پله‌ای کوانتومی که در دهه ۱۹۹۰ توسط کاپاسو معرفی شدند، از جمله فناوری‌های موفق در این زمینه بوده‌اند.

دستگاه جدید امکان ایجاد منبع نوری باند وسیعی را فراهم می‌آورد که قادر است در یک مرحله، اثر انگشت جذبی چندین نوع گاز مختلف را شناسایی کند.

دمیتری کازاکوف، پژوهشگر گروه کاپاسو و نویسنده همکار مقاله می‌گوید: «این گام مهمی در جهت توسعه منابع نوری موسوم به “ابرپیوسته‌پیوسته‌ها” (Supercontinuum Sources) است که می‌توانند هزاران فرکانس مختلف را تولید کنند، آن هم فقط در یک تراشه. این هدف در آینده کاملاً در دسترس خواهد بود.»

حل چالش تولید پالس در لیزر‌های پله‌ای کوانتومی

نکته بنیادین در این نوآوری، استفاده از لیزر‌های پله‌ای کوانتومی است که از طریق لایه‌چینی دقیق مواد نیمه‌رسانا، پرتوی همدوس در ناحیه مادون قرمز میانی ایجاد می‌کنند. برخلاف لیزر‌های سنتی که دهه‌هاست از تکنیک تثبیت مد (Mode-Locking) برای تولید پالس‌های نوری بهره می‌برند، لیزر‌های پله‌ای کوانتومی به دلیل دینامیک بسیار سریع ذاتی، به‌سختی قادر به ایجاد پالس هستند.

دستگاه‌های موجود برای تولید پالس در این لیزر‌ها نیازمند سامانه‌های پیچیده با اجزای متعددی هستند و معمولاً در توان خروجی و پهنای باند طیفی نیز محدودیت دارند.

ترکیب سولیترون‌ها و میکرورزوناتور‌ها روی یک تراشه

محققان برای حل این مشکل، مفاهیم مختلفی از فوتونیک یکپارچه غیرخطی و لیزر‌های مجتمع را با هم تلفیق کردند تا نوع خاصی از پالس‌های نوری در مقیاس پیکوثانیه موسوم به «سولیتون‌های روشن» (Bright Solitons) ایجاد کنند. آنها با الهام گرفتن از رزوناتور‌های کر غیرخطی (Kerr Microresonators) توانستند از روش‌های سنتی مانند مدلاکینگ عبور کرده و معماری تازه‌ای طراحی کنند.

تئودور لتسو، دانشجوی دکتری در MIT و همکار اول مقاله می‌گوید: «ما روش‌های معمول در تحقیقات لیزر‌های پله‌ای کوانتومی را کنار گذاشتیم و رویکرد جامعه تحقیقاتی رزوناتور‌های کر را به سامانه خود آوردیم. این فرآیند بسیار هیجان‌انگیز بود.»

بندیکت شوارتز از TU Wien نیز افزود: «آنچه برای من از همه مهم‌تر بود، اعتمادبه‌نفسی است که این پروژه به ما برای طراحی معماری‌های پیچیده‌ی فوتونیک مادون قرمز میانی داده است. این کاری بود که تا پیش از این امکان‌پذیر نبود.»

از نظریه دهه ۱۹۸۰ تا فناوری روز دنیا

جالب آن‌که این پژوهش بر پایه نظریه‌ای بنا شده که در دهه ۱۹۸۰ توسط لوئیجی لوگیاتو (Luigi Lugiato) توسعه یافته بود؛ نظریه‌ای که رفتار رزوناتور‌های غیرخطی کر را در حالت غیرفعال توصیف می‌کرد. اکنون، لوگیاتو با بازنگری در این مدل، آن را برای توصیف دینامیک سامانه‌های جدید لیزر‌های پله‌ای کوانتومی تطبیق داده است.

لوگیاتو، استاد بازنشسته دانشگاه اینسوبریا در ایتالیا می‌گوید: «مسیر این دستاورد از معادله لوگیاتو-لفور آغاز شد و اکنون به مدلی یکپارچه برای سولیتون‌های نوری در انواع مختلف کاویتور‌ها انجامیده است. امروز با این آزمایش، آن پیش‌بینی‌ها در مورد لیزر‌های نوری کوانتومی تأیید شده‌اند.»

آماده برای تولید صنعتی و مقیاس‌پذیری گسترده

لیزر جدید قادر است برای ساعت‌ها بدون وقفه پالس‌های نوری تولید کند و مهم‌تر اینکه می‌توان آن را با فرآیند‌های رایج صنعتی ساخت نیمه‌هادی‌ها در مقیاس انبوه تولید کرد. این دستگاه از یک رزوناتور حلقوی تشکیل شده که به‌طور خارجی تحریک می‌شود؛ یک لیزر یکپارچه روی تراشه که رزوناتور را به کار می‌اندازد؛ و یک رزوناتور حلقوی دوم به‌عنوان فیلتر نوری. ساخت این تراشه‌ها در دانشگاه فناوری وین انجام شده است.

تیموتی دی، از مدیران ارشد شرکت Leonardo DRS می‌گوید: «این فناوری می‌تواند واقعاً در حوزه طیف‌سنجی مادون قرمز میانی تحول‌آفرین باشد. استفاده از فرآیند‌های موجود برای تولید انبوه، راه را برای کاربرد‌های آینده در حوزه‌هایی مانند پایش محیط‌زیست، کنترل صنعتی، علوم زیستی و تشخیص‌های پزشکی هموار می‌کند.»

انتهای پیام/