لیزر آزمایشگاهی روی یک تراشه جا شد

محققان برای نخستین بار موفق شدند یک لیزر فوق‌سریع (Ultrafast Laser) با عملکردی هم‌تراز با سامانه‌های آزمایشگاهی بزرگ را روی یک تراشه فوتونیکی کوچک پیاده‌سازی کنند؛ دستاوردی که می‌تواند مسیر توسعه ساعت‌های اتمی قابل‌حمل، حسگر‌های پیشرفته و تجهیزات پزشکی ارزان‌تر را هموار کند.

به گزارش ساینس دیلی، نتایج پژوهش منتشرشده در نشریه Nature گروهی از پژوهشگران به سرپرستی توبیاس جی. کیپنبرگ (Tobias J. Kippenberg)، استاد مدرسه پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL) موفق شده‌اند نخستین لیزر فوق‌سریع یکپارچه روی تراشه را توسعه دهند که از نظر عملکرد با لیزر‌های فمتوثانیه‌ای رومیزی قابل رقابت است.

لیزر‌های فوق‌سریع پالس‌هایی از نور تولید می‌کنند که تنها چند صد فمتوثانیه دوام دارند؛ هر فمتوثانیه برابر با یک میلیون میلیاردیم ثانیه است. این پالس‌های فوق‌کوتاه در طیف گسترده‌ای از فناوری‌ها از جمله تولید دقیق قطعات صنعتی، جراحی چشم، طیف‌سنجی و همچنین تولید شانه‌های فرکانسی نوری (Optical Frequency Combs) به کار می‌روند؛ فناوری برنده جایزه نوبل که زیربنای دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی نوری جهان محسوب می‌شود.

با وجود اهمیت بالای این لیزرها، سامانه‌های فوق‌سریع تاکنون تجهیزات بزرگ، پیچیده و گران‌قیمتی بودند که معمولا بخش قابل توجهی از فضای آزمایشگاه‌های تحقیقاتی را اشغال می‌کردند. در بیش از دو دهه گذشته کوچک‌سازی این فناوری و انتقال آن به تراشه‌های فوتونیکی یکی از اهداف مهم و در عین حال دست‌نیافتنی حوزه فوتونیک یکپارچه به شمار می‌رفت.

دستیابی به یک جام مقدس در فوتونیک

پژوهشگران EPFL در این پروژه موفق شدند پالس‌هایی با طول زمانی تنها ۱۴۷ فمتوثانیه و انرژی ۱.۰۵ نانوژول تولید کنند؛ عملکردی که تاکنون عمدتا در لیزر‌های آزمایشگاهی بزرگ مشاهده می‌شد.

کیپنبرگ در این باره گفت: بیش از ۲۰ سال بود که دستیابی به یک لیزر فمتوثانیه‌ای با انرژی پالس بالا روی تراشه به‌عنوان یکی از اهداف بزرگ فوتونیک یکپارچه شناخته می‌شد. نتایج ما نشان می‌دهد که این هدف نه‌تنها امکان‌پذیر است بلکه می‌توان آن را با معماری نسبتا ساده‌ای محقق کرد که تاکنون کمتر مورد توجه جامعه فوتونیک قرار گرفته بود.

استفاده از معماری کمتر شناخته‌شده مامیشف

برای تحقق این دستاورد پژوهشگران از معماری خاصی به نام اسیلاتور مامیشف (Mamyshev Oscillator) استفاده کردند؛ ساختاری که تاکنون کاربرد محدودی در سامانه‌های فوتونیکی یکپارچه داشته است.

در این طراحی یک موجبر غیرخطی در میان دو فیلتر نوری قرار می‌گیرد که هر یک بخش متفاوتی از طیف نوری را عبور می‌دهند. هنگامی که یک پالس نوری قوی از موجبر عبور می‌کند طیف آن گسترش یافته و بخشی از نور می‌تواند از هر دو فیلتر عبور کند و درون حفره لیزر به گردش ادامه دهد. در مقابل نور‌های ضعیف‌تر به اندازه کافی گسترش طیفی پیدا نمی‌کنند و توسط فیلتر‌ها حذف می‌شوند.

ژرو چیو از نویسندگان اصلی مقاله توضیح داد که این معماری مزیت مهم دیگری نیز دارد. به گفته او تراشه‌های فوتونیکی نور را در موجبر‌های بسیار کوچک هدایت می‌کنند و همین موضوع موجب افزایش برهم‌کنش‌های غیرخطی میان امواج نوری می‌شود؛ پدیده‌ای که در بسیاری از طراحی‌های متداول می‌تواند موجب ناپایداری پالس‌های لیزری شود. با این حال معماری مامیشف نسبت به این اثرات حساسیت کمتری دارد و به همین دلیل برای ادغام در تراشه‌های فوتونیکی گزینه‌ای ایده‌آل محسوب می‌شود.

۴۲ سانتی‌متر حفره لیزری در ابعاد یک سر کبریت

یکی از ویژگی‌های چشمگیر این فناوری ابعاد بسیار کوچک آن است. اگرچه طول حفره لیزری مورد استفاده به ۴۲ سانتی‌متر می‌رسد اما این ساختار به گونه‌ای روی تراشه تا شده که فضایی تقریبا هم‌اندازه سر یک کبریت را اشغال می‌کند.

این موضوع باعث می‌شود سامانه جدید در مقایسه با لیزر‌های فوق‌سریع مبتنی بر فیبر نوری به مراتب کوچک‌تر و فشرده‌تر باشد.

تولید انبوه و کاهش هزینه‌ها

محققان معتقدند مزیت اصلی این فناوری تنها کوچک‌سازی نیست. تراشه‌های فوتونیکی با استفاده از فرآیند‌های تولید مشابه تراشه‌های الکترونیکی ساخته می‌شوند و امکان تولید انبوه آنها در سطح ویفر وجود دارد.

بر اساس برآورد تیم تحقیقاتی در یک چرخه تولید می‌توان بیش از هزار حفره لیزری را به‌طور هم‌زمان روی یک ویفر ساخت. این قابلیت می‌تواند هزینه تولید لیزر‌های فوق‌سریع را به شکل قابل توجهی کاهش داده و دسترسی به این فناوری را در حوزه‌هایی مانند حسگری، طیف‌سنجی و اندازه‌گیری‌های دقیق گسترش دهد.

چیو در این زمینه گفت: این تراشه با توان اوج در سطح کیلووات قادر است کاربرد‌هایی را پشتیبانی کند که تاکنون به لیزر‌های بزرگ و گران‌قیمت آزمایشگاهی وابسته بودند.

به باور پژوهشگران این فناوری در آینده می‌تواند در ساخت دستگاه‌های فشرده و مقرون‌به‌صرفه برای شناسایی آلاینده‌های محیط‌زیستی، کشف عیوب پنهان در مواد، تشخیص‌های پزشکی پیشرفته و سامانه‌های اندازه‌گیری دقیق مورد استفاده قرار گیرد.

همچنین این پیشرفت می‌تواند زمینه توسعه ساعت‌های اتمی نوری قابل‌حمل را فراهم کند؛ فناوری‌ای که نقش مهمی در نسل آینده سامانه‌های ارتباطی، ناوبری و موقعیت‌یابی خواهد داشت.