لیزر‌های فوق سریع به اندازه نوک انگشت کوچک شدند

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا، لیزر‌ها ابزار‌های ضروری برای مشاهده، تشخیص و اندازه گیری چیز‌هایی در دنیای طبیعی هستند که با چشم غیر مسلح نمی‌توانیم آن‌ها را ببینیم. با این حال، توانایی انجام این وظایف اغلب با نیاز به استفاده از ابزار‌های گران قیمت و بزرگ محدود می‌شود.

نوآوری در فناوری لیزر فوق سریع

در مقاله‌ای که به تازگی در مجله «ساینس» (Science) منتشر شده، محققی به نام «کیوشی گو» (Qiushi Guo) روش جدیدی را برای ایجاد لیزر‌های فوق سریع با کارایی بالا روی تراشه‌های نانوفوتونیک نشان می‌دهد. کار او بر روی لیزر‌های «قفل مُدی» یا «حالت قفل شده» (Mode-locking) مینیاتوری متمرکز است - یک لیزر منحصر به فرد که قطاری از پالس‌های نوری فوق سریع و منسجم را در فواصل فمتوثانیه (Femtosecond یک واحد اس‌آی برابر با ۱۰ به توان منفی ۱۵ ثانیه؛ یعنی یک میلیون میلیاردم ثانیه) ساطع می‌کند.

باز کردن سریع‌ترین مقیاس‌های زمانی طبیعت

لیزر‌های حالت قفل شده فوق سریع برای باز کردن اسرار سریعترین مقیاس‌های زمانی در طبیعت، مانند ایجاد یا شکستن پیوند‌های مولکولی در طی واکنش‌های شیمیایی، یا انتشار نور در یک محیط متلاطم، ضروری هستند.

سرعت بالا، شدت پیک پالس و پوشش طیف گسترده لیزر‌های مود قفل شده، فناوری‌های فوتونیک متعددی از جمله ساعت‌های اتمی نوری، تصویربرداری بیولوژیکی و کامپیوتر‌هایی که از نور برای محاسبه و پردازش داده‌ها استفاده می‌کنند را نیز ممکن ساخته است.

متأسفانه، لیزر‌های پیشرفته با حالت قفل شده در حال حاضر سیستم‌هایی گران قیمت و پرقدرت هستند که محدود به استفاده آزمایشگاهی هستند.

پیش به سوی فوتونیک‌های کوچک‌تر و کارآمد

گو، استاد فیزیک و عضو هیئت علمی طرح فوتونیک مرکز تحقیقات علوم پیشرفته دانشگاه شهری نیویورک (CUNY) می‌گوید: هدف ما این است که با تبدیل سیستم‌های بزرگ آزمایشگاهی به سیستم‌هایی در اندازه تراشه که می‌توانند به صورت انبوه تولید و به کار گرفته شوند، انقلابی در حوزه فوتونیک فوق سریع ایجاد کنیم. ما نه تنها می‌خواهیم همه چیز را کوچک‌تر کنیم، بلکه می‌خواهیم اطمینان حاصل کنیم که این لیزر‌های فوق سریع در اندازه تراشه عملکرد رضایت بخشی دارند.

مفاهیم و چالش‌های آینده

با این حال، ایجاد یک لیزر حالت قفل شده به شکل یک تراشه کوچک فرآیند ساده‌ای نیست. در ایت تحقیقات، گو از یک پلتفرم ماده در حال ظهور به نام لیتیوم نیوبات لایه نازک (TFLN) استفاده می‌کند. این ماده با استفاده از یک سیگنال الکتریکی فرکانس رادیویی خارجی، شکل دهی بسیار کارآمد و کنترل دقیق پالس‌های لیزر را ممکن می‌سازد.

لیزر حالت قفل شده علاوه بر اندازه فشرده خود، ویژگی‌های جذاب بسیاری را نیز از خود نشان می‌دهد که فراتر از حد تصور است و مفاهیم عمیقی را برای کاربرد‌های آینده ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، گو با تنظیم جریان پمپ لیزر توانست فرکانس تکرار پالس‌های خروجی را در محدوده بسیار گسترده ۲۰۰ مگاهرتز تنظیم کند.

تیم گو باید چالش‌های بیشتری را برای تحقق سیستم‌های فوتونیک مقیاس پذیر، یکپارچه و فوق سریع که می‌توانند برای استفاده در دستگاه‌های قابل حمل و دستی ترجمه شوند، حل کند، اما آزمایشگاه او با این نمایش فعلی بر مانع بزرگی غلبه کرده است.

کاربرد‌های بالقوه دنیای واقعی

گو گفت: «این دستاورد راه را برای استفاده از تلفن‌های همراه برای تشخیص بیماری‌های چشمی یا تجزیه و تحلیل غذا و محیط برای مواردی مانند باکتری «ای.کلای» (E. coli) و ویروس‌های خطرناک هموار می‌کند. همچنین می‌تواند ساعت‌های اتمی را در مقیاس تراشه‌ای آینده‌نگر فعال کند، که ناوبری را در مواقعی که «جی‌پی‌اس» به خطر افتاده یا در دسترس نیست، ممکن می‌کند.