لسنوات، صنع العلماء ليزرات صغيرة حمراء وزرقاء، ولكن تطوير ليزرات بأطوال موجية أخرى لطالما واجهته تحديات تقنية. في السنوات الأخيرة، صنع الباحثون ليزرات برتقالية وصفراء وخضراء صغيرة بما يكفي لوضعها على شريحة، مما سدّ فجوة تقنية مهمة. تُعد ليزرات صغيرة منخفضة الضوضاء في هذا النطاق الموجي مهمة للاستشعار الكمي والاتصالات ومعالجة المعلومات.

1 سد الفجوة الخضراء: الابتكارات في تكنولوجيا الليزر

حاليًا، طوّر العلماء ليزرات صغيرة عالية الجودة قادرة على إنتاج ضوء أحمر وأزرق. إلا أن طريقتهم المعتادة في حقن التيار الكهربائي في أشباه الموصلات لم تكن فعّالة جدًا في إنتاج ليزرات صغيرة قادرة على إصدار أطوال موجية صفراء وخضراء.

يُطلق الباحثون على نقص الليزرات الدقيقة المستقرة في هذا المجال من طيف الضوء المرئي اسم "الفجوة الخضراء". يُتيح سدّ هذه الفجوة فرصًا جديدة في مجال الاتصالات تحت الماء، والعلاجات الطبية، وغيرها من المجالات. مؤشرات الليزر الأخضر موجودة منذ 25 عامًا، لكنها لا تُنتج سوى طيف ضيق من الضوء الأخضر، ولا تُدمج في الرقاقات لأداء مهام مهمة مع أجهزة أخرى.

2 التطورات في مجال البصريات

الآن، نجح العلماء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في تضييق الفجوة في مصادر الضوء الأخضر من خلال تكييف مكون بصري صغير: مرنان دقيق على شكل حلقة صغير بما يكفي لوضعه على شريحة.

يمكن لمصادر الليزر الأخضر الصغيرة تحسين الاتصالات تحت الماء، لأن الماء شبه شفاف لأطوال الموجات الزرقاء-الخضراء في معظم البيئات المائية. تشمل التطبيقات المحتملة الأخرى شاشات عرض ليزر ملونة بالكامل، وعلاجات الليزر لأمراض مثل اعتلال الشبكية السكري، وهو نوع من نمو الأوعية الدموية في العين.

3 تعزيز الحوسبة الكمومية باستخدام الليزر الأخضر

تُعد أشعة الليزر المدمجة في هذا النطاق الموجي مهمةً أيضًا لتطبيقات الحوسبة الكمومية والاتصالات، إذ يمكنها تخزين البيانات في بتات كمومية، وهي الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية. تعتمد هذه التطبيقات الكمومية حاليًا على أشعة ليزر كبيرة الحجم والوزن والطاقة، مما يحد من إمكانية استخدامها خارج المختبر.

لعدة سنوات، دأب فريق بقيادة كارتيك سرينيفاسان من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، ومعهد الكم المشترك (وهو تعاون بحثي بين المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وجامعة ماريلاند)، على استخدام مرنانات دقيقة مصنوعة من نيتريد السيليكون لتحويل أشعة الليزر تحت الحمراء إلى أطوال موجية أخرى من الضوء. عند ضخ ضوء الأشعة تحت الحمراء في مرنان الحلقة، يدور الضوء آلاف المرات حتى يصل إلى شدة كافية للتفاعل بقوة مع نيتريد السيليكون. يُطلق على هذا التفاعل اسم التذبذب البصري البارامتري (OPO)، ويُنتج طولين موجيين جديدين من الضوء، هما: الموجة الخاملة والإشارة.

4 تحسين تكنولوجيا إنتاج الليزر

في دراسات سابقة، أنتج الباحثون ضوء ليزر مرئيًا بألوان مختلفة. يحدد حجم الرنان الدقيق لون الضوء المُنتَج، وبناءً على حجمه، أنتج العلماء ضوءًا بأطوال موجية حمراء وبرتقالية وصفراء، بالإضافة إلى ضوء بطول موجي 560 نانومتر، وهو بين الأصفر والأخضر. مع ذلك، لم يتمكن الفريق من إنتاج كل الضوء الأصفر والأخضر اللازم لملء الفجوة الخضراء.

قال يي صن، العالم في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا والمؤلف المشارك في الدراسة الجديدة: "لا نريد أن نكون بارعين في رصد بضعة أطوال موجية فقط، بل نريد تغطية كامل نطاق الأطوال الموجية في الفجوة". ولسد هذه الفجوة، حسّن الفريق الرنان الدقيق بطريقتين. أولاً، جعله الباحثون أكثر سمكًا قليلًا. وبتغيير حجم الرنان الدقيق، أصبح من الأسهل إنتاج ضوء يصل إلى عمق الفجوة الخضراء، بأطوال موجية قصيرة تصل إلى 532 نانومتر (جزء من مليار من المتر). ومع توسيع نطاق الأطوال الموجية، تغطي دراسة الباحثين الفجوة بأكملها.

يعمل فريق البحث حاليًا على تحسين كفاءة الطاقة لإنتاج ليزر الفجوة الخضراء الملون. حاليًا، لا تُمثل طاقة الخرج سوى نسبة ضئيلة من طاقة الليزر المُدخل. إن تحسين الاقتران بين ليزر الإدخال والموجِّه الذي يُوجِّه الضوء إلى الرنان الدقيق، بالإضافة إلى تحسين أساليب استخراج الضوء المُولَّد، يُمكن أن يُزيد الكفاءة بشكل كبير.