🟢 تا حالا فکر کردی اگه بشه یه نور لیزری ساخت که تقریباً کل طیف رنگ‌ها رو پوشش بده، چه اتفاقی می‌افته؟ قبلاً اگه دانشمندا یا صنعت‌کارا می‌خواستن همچین چیزی داشته باشن، باید سراغ دستگاه‌های گنده و پرمصرفی می‌رفتن که کل یه میز آزمایشگاه رو اشغال می‌کرد، کلی هم برق لازم داشتن. ولی حالا خبری اومده که قضیه کاملاً فرق کرده!
یه تیم از Caltech به رهبری آقای علیرضا مرندی (استاد مهندسی برق و فیزیک کاربردی)، یه دستگاه کوچیک ساختن که رو یه چیپ جا می‌گیره و می‌تونه نوری مثل لیزر رو تو یه بازه خیلی خیلی گسترده از فرکانس‌ها با راندمان باورنکردنی تولید کنه. خب چی از این بهتر؟!
این تکنولوژی اسم عجیب غریبی داره: “نانو فوتونیک اوپو”. فوتونیک یعنی علم نور و فوتون، و نانو هم یعنی ابعادش خیلی خیلی کوچیکه، در حد میلیاردیم متر. اوپو هم خلاصه شدهٔ Optical Parametric Oscillator ــ یه نوع رزونانسور مخصوص که لیزر رو می‌گیره و با کمک یه کریستال خاص، نور رو به فرکانس‌های دیگه تبدیل می‌کنه. تا قبل این، اوپوها همیشه سیستم‌های بزرگ و محدود به تعداد کمی فرکانس بودن.
حالا این دانشمندا اومدن و همین اوپو رو قبضه کردن تو یه چیپ بسیار ریز، نتیجه‌ش می‌شه یه کامب باحال! منظورم frequency comb ــ یعنی یه طیف نوری که مثل دندونه‌های شونه، خط خط و منظم طیف‌های مختلف از نور داره و حتی از نور مرئی تا مادون قرمز وسطی کشیده می‌شه. (مادون قرمز یعنی همون IR که گرما رو منتقل می‌کنه و چشم ما نمی‌بینه اما تو آزمایش و صنایع کاربرد زیادی داره)
حالا این frequency comb واقعاً چیز خاصیه. این تکنولوژی تو سال ۲۰۰۵ براش جایزه نوبل فیزیک گرفتن چون مثل یه خط‌کش فوق دقیق برای اندازه‌گیری نور می‌مونه. دانشمندا باهاش می‌تونن اندازه‌گیری‌های عجیباً دقیقی انجام بدن (مثلاً تو ساعت‌های اتمی یا طیف‌سنجی دقیق مولکول‌ها). مشکلش اما این بوده که یا دستگاهاش درشت بودن یا خیلی انعطاف‌پذیر نبودن.
آقای مرندی می‌گه: «ما نشون دادیم با یه دستگاه نانو فوتونیکی و انرژی ورودی خیلی کم (در حد فمتوژول یعنی یه صفر و کلی بعدش یه عدد کوچیک‌تر از ژول! )، می‌شه کیلومترها طیف نور رو پوشش داد که هیچ‌وقت این اتفاق نیفتاده بود.» دقیقاً همینه که داستان رو جذاب می‌کنه.
کلیش تو اینه که با مهندسی پراکندگی (dispersion engineering یعنی طوری طراحی می‌کنن که نورای مختلف تو چیپ چطور پخش و هدایت بشن) و یه رزونانسور خیلی خاص، تونستن طیف نور رو بسیار وسیع کنن در حالی که انسجام (coherence یعنی اینکه نورش هنوز مثل لیزر دسته‌بندی و هماهنگ باشه) رو حفظ کردن، حتی وقتی انرژی ورودی خیلی پایینه.
خودشونم می‌گن انتظارشو نداشتن! دستگاهو روشن کردن، ولوم قدرت رو زیاد کردن و دیدن که طیف خروجی نهایی بی‌نهایت گسترده‌ست و جالبه که هنوز منسجمه. برخلاف اوپوهای قدیمی که این‌قدر گسترش دادن طیف باعث از بین رفتن انسجام می‌شد.
اینجا چندتا چیز مهم اتفاق افتاده:
- واسه اولین بار، آستانه کارکرد این اوپو چندین برابر کمتر از همه اوپوهای قبلیه.
- با مهندسی خاص و طراحی نانو، می‌تونن طیف رو عریض کنن در حالی که نور، هنوز مثل لیزر هماهنگه.
- دیگه نیاز نیست ابزار آزمایشگاهی بزرگ و پرمصرف باشه، همه چی رو یه چیپ کوچیک جا شده.
این پیشرفت می‌تونه frequency comb رو از آزمایشگاه‌های پیشرفته وارد دستگاه‌های فوتونیکی روزمره و صنعتی کنه.
کاربردهاش؟ از ساعت اتمی بگیر تا طیف‌سنجی فوق دقیق، ارتباطات، سنجش مولکولی و محیط زیست (مثلاً تشخیص دقیق آلودگی هوا یا تحلیل مواد شیمیایی). مخصوصاً اینکه تولید نور مادون قرمز وسطی (mid-infrared) با این روش آسون‌تر می‌شه، یعنی کارایی که قبلاً خیلی سخت و پرهزینه بود، حالا دم دست‌تره.
مرندی خیلی امیدوارانه می‌گه: «این تکنولوژی می‌تونه کلاً مسیر تبدیل دستگاه‌های لیزری آزمایشگاهی به چیپ‌های کوچیک رو متحول کنه!» یعنی به جای اینکه بخواید یه میز آزمایشگاه جا بدید، همه چی تو یه چیپ کوچک حل می‌شه.
راستی، این پروژه با حمایت‌هایی مثل آژانس تحقیقاتی ارتش آمریکا (Army Research Office)، بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF)، دارپا (یه موسسه مهم برای پروژه‌های پیشرفته)، و آزمایشگاه JPL ناسا انجام شده و مقاله‌ش تو Nature Photonics چاپ شده.
خلاصه اگه از آینده‌ی تکنولوژی‌های لیزری خوشت میاد، باید بگم چیپ‌محور شدن و گستره وسیع نورشون، قراره کلی چیزو تغییر بده! خیلی هیجان‌انگیزه…
منبع: +
