ليزر UV جديد يرسل رسائل في تريليون من الثانية

حقق ضوء UV-C فائق السرعة قفزة للأمام، وفتح الباب أمام الاتصالات فائقة السرعة والتقنيات الضوئية من الجيل التالي.

أصبحت الأجهزة التي تعمل بالأشعة فوق البنفسجية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (100−280 نانومتر) ذات أهمية متزايدة في العديد من المجالات، بما في ذلك الفحص المجهري فائق الدقة والاتصالات البصرية. يهتم العلماء بشكل خاص بأشعة UV-C لأنها تنتشر بقوة في الغلاف الجوي، وهي خاصية تجعلها مفيدة للاتصالات خارج خط البصر. وهذا يعني أنه يمكن إرسال البيانات حتى في حالة حجب خط رؤية واضح، كما هو الحال في البيئات المزدحمة أو المعيقة. على الرغم من هذه المزايا، كان التقدم بطيئًا لأن الباحثين افتقروا إلى المكونات العملية التي يمكنها توليد ضوء الأشعة فوق البنفسجية واكتشافه بشكل موثوق.

منصة جديدة لنبضات UV-C فائقة السرعة

وفي دراسة نشرت في الضوء: العلوم والتطبيقات، الباحثون بقيادة البروفيسور أماليا باتاني (جامعة نوتنغهام) والبروفيسور جون دبليو جي تيش (امبريال كوليدج لندن) أبلغ عن نظام جديد يمكنه إنشاء واكتشاف نبضات ليزر UV-C قصيرة للغاية. يجمع أسلوبهم بين مصدر ليزر UV-C فائق السرعة وكاشفات UV-C شديدة الحساسية مصنوعة من ذرات رقيقة (ثنائية الأبعاد) أشباه الموصلات (2 ديسيم).

يعتمد مصدر الليزر على عمليات بصرية غير خطية متطابقة بعناية. وباستخدام الجيل التوافقي الثاني المتسلسل داخل البلورات غير الخطية، ينتج النظام نبضات UV-C تدوم فقط فيمتوثانية، أي أقل من 1 تريليون من الثانية. يتم بعد ذلك الكشف عن ومضات الضوء هذه في درجة حرارة الغرفة باستخدام أجهزة كشف ضوئية مصنوعة من سيلينيد الغاليوم 2DSEM (GaSe) وطبقة أكسيد الفجوة واسعة النطاق (Ga2O3). والأهم من ذلك، أن جميع المواد المستخدمة متوافقة مع طرق التصنيع القابلة للتطوير.

ولتوضيح ما يمكن للنظام فعله، قام الفريق ببناء إعداد اتصال في الفضاء الحر. في هذا الاختبار، تم تشفير المعلومات في ليزر UV-C بواسطة جهاز الإرسال وتم فك تشفيرها بنجاح بواسطة مستشعر أشباه الموصلات ثنائي الأبعاد الذي يعمل كمستقبل.

أداء غير متوقع للمستشعر

يشرح البروفيسور باتاني، الذي قاد عملية تطوير المستشعر، أهمية النتائج: “يجمع هذا العمل لأول مرة بين توليد نبضات ليزر الفيمتو ثانية UV-C مع اكتشافها السريع بواسطة أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد. وبشكل غير متوقع، تظهر المستشعرات الجديدة استجابة تيار ضوئي خطي إلى خطي فائق لطاقة النبض، وهي خاصية مرغوبة للغاية، مما يضع الأساس للضوئيات المستندة إلى الأشعة فوق البنفسجية التي تعمل على نطاقات زمنية بالفيمتو ثانية على نطاق واسع من طاقات النبض والتكرار. معدلات.”

يسلط بن ديويس، طالب دكتوراه في جامعة نوتنغهام، الضوء على مدى مبكر هذا المجال: “لا يزال اكتشاف الأشعة فوق البنفسجية باستخدام مواد ثنائية الأبعاد في مراحله الأولى. وتساعد القدرة على اكتشاف النبضات فائقة القصر، وكذلك الجمع بين توليد واكتشاف النبضات في الفضاء الحر، على تمهيد الطريق لمزيد من التطوير للمكونات الضوئية للأشعة فوق البنفسجية من النوع C”.

توليد ليزر UV-C فعال

يؤكد البروفيسور تيش، الذي قاد العمل على مصدر الليزر، على أهمية الكفاءة: “لقد استغلنا عمليات الطور المتطابقة من الدرجة الثانية في البلورات الضوئية غير الخطية لتوليد ضوء الليزر UV-C بكفاءة. وتمثل كفاءة التحويل العالية علامة فارقة هامة وتوفر الأساس لمزيد من التحسين وتوسيع نطاق النظام إلى مصدر مدمج للأشعة فوق البنفسجية. “

يضيف تيم كلي، طالب دكتوراه في جامعة إمبريال، أن إمكانية الوصول أمر أساسي: “إن مصدر الأشعة فوق البنفسجية المضغوط والفعال والبسيط سيفيد المجتمع العلمي والصناعي الأوسع، مما يحفز المزيد من الأبحاث حول ضوئيات الأشعة فوق البنفسجية”.

التطبيقات المستقبلية في الاتصالات والتصوير

معًا، تفتح القدرة على توليد واكتشاف نبضات ليزر الفيمتو ثانية UV-C الباب أمام مجموعة واسعة من التقنيات الجديدة. يمكن لحساسية أجهزة استشعار أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد أن تمكن الأنظمة المتكاملة حيث يتم دمج مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية وأجهزة الكشف في منصة واحدة. وتشمل الاستخدامات المحتملة الاتصالات في الفضاء الحر بين الأنظمة المستقلة والأجهزة الآلية.

ونظرًا لأن هذه المكونات متوافقة مع التكامل المتجانس في الدوائر المتكاملة الضوئية، فقد يدعم هذا النهج أيضًا تطبيقات تتراوح من التصوير عريض النطاق إلى التحليل الطيفي فائق السرعة، وجميعها تعمل على نطاقات زمنية بالفيمتو ثانية.

المرجع: “الضوئيات السريعة للأشعة فوق البنفسجية: توليد واستشعار نبضات الليزر على فترات زمنية بالفيمتو ثانية” بقلم بنجامين تي. ديويس، وتيم كلي، وناثان د. كوتام، وجوزيف ج. بروتون، ومستقيم شيفا، وتين إس. تشينج، وسيرجي في. نوفيكوف، وأوليج ماكاروفسكي، وجون دبليو جي تيش، وأماليا باتاني، 19 نوفمبر 2025، الضوء: العلوم والتطبيقات.
دوى: 10.1038/s41377-025-02042-2

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.