لیزر آبی برای ارتباطات و سنجش زیر آب

توسط نیک پاپاژورجیو، دانشکده پلی تکنیک فدرال لوزان

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

محققان در EPFL یک لیزر آبی در مقیاس تراشه ساخته اند که انتشار نور پایدار را با کنترل فرکانس سریع ترکیب می کند، امکان باز کردن ارتباطات زیر آب، سنجش محیطی و فناوری های کوانتومی را فراهم می کند.

نور آبی دارای برخی خواص مفید است: در آب راحت تر از نور مادون قرمز که به طور گسترده در سیستم های ارتباطی نوری امروزی استفاده می شود، عبور می کند. همچنین هنگامی که با ذرات ریز در هوا مواجه می شود به شدت پراکنده می شود. این ویژگی ها لیزرهای آبی را برای ارتباطات زیر آب، نظارت بر آلودگی و ابزارهای علمی جذاب می کند.

اما این کاربردها نیازمند کنترل دقیق نور لیزر هستند. برای مثال، فرکانس باید به اندازه کافی ثابت بماند تا سیگنال مفید را از نویز پس‌زمینه تشخیص دهد، در حالی که در صورت نیاز برای انتقال اطلاعات یا اندازه‌گیری، به سرعت تغییر می‌کند.

سیستم های لیزر آبی موجود اغلب به اجزای نوری حجیم برای دستیابی به این دقت متکی هستند. کوچک کردن آنها بر روی تراشه های فوتونیکی، که نور را از طریق ساختارهای میکروسکوپی هدایت و کنترل می کنند، دشوار است. در طول موج های آبی، حتی عیوب کوچک در این ساختارها نور را پراکنده می کند و عملکرد را کاهش می دهد.

تیمی به رهبری توبیاس جی. کیپنبرگ و سیمون بیانکونی در EPFL اکنون یک لیزر آبی فشرده ساخته اند که این چالش ها را برطرف می کند. این دستگاه که در Nature Photonics توضیح داده شده است، عملکرد کم نویز را با کنترل الکترونیکی سریع فرکانس خود ترکیب می کند.

محققان یک لیزر آبی معمولی را به یک تراشه حاوی یک حلقه میکروسکوپی متصل کردند. حلقه فرکانس دقیقی از نور را انتخاب می کند و مقداری از آن را به لیزر برمی گرداند و به آن کمک می کند پرتو ثابت تری تولید کند.

برای کاهش تلفات نور، تیم ساختارهای هدایت کننده نور تراشه را بسیار نازک و تنها 25 نانومتر ضخامت ساخت. آنها همچنین اجزای ساخته شده از نیترید آلومینیوم را اضافه کردند، ماده ای که با اعمال ولتاژ تغییر شکل می دهد. این تنش های مکانیکی کوچکی ایجاد می کند که نحوه عبور نور از حلقه را تغییر می دهد و به محققان اجازه می دهد فرکانس لیزر را به سرعت تنظیم کنند.

لیزر حاصل در طول موج تقریبا 461 نانومتر عمل کرد. یکی از پیکربندی‌ها نور آبی فوق‌العاده پایدار با پهنای خط زیر 30 کیلوهرتز تولید می‌کند، که نشان می‌دهد لیزر چقدر فرکانس خود را دقیقا حفظ می‌کند. دیگری به محققان اجازه داد فرکانس را در محدوده بیش از 900 مگاهرتز تنظیم کنند و این تنظیمات را تا 1 میلیون بار در ثانیه تکرار کنند.

سپس محققان دو کاربرد بالقوه را آزمایش کردند. ابتدا، آنها اطلاعات را از طریق یک ستون 30 سانتی متری آب با رمزگذاری یک تصویر دیجیتالی از آرم EPFL در تغییرات فرکانس لیزر منتقل کردند. سیستم دریافت با موفقیت تصویر را بازسازی کرد و اصل ارتباط زیر آب را با استفاده از دستگاه نشان داد.

در دومین آزمایش آزمایشگاهی، محققان از لیزر برای تشخیص دود شمع در هوا استفاده کردند. دود یک تغییر واضح در سیگنال شناسایی شده ایجاد کرد، در حالی که یک لیزر مادون قرمز که در 1550 نانومتر کار می کرد، هیچ تغییر قابل تشخیصی را در شرایط مشابه نشان نداد. نتایج نشان‌دهنده حساسیت لیزر آبی به ذرات معلق در هوا است، اگرچه این آزمایش غلظت آنها را اندازه‌گیری نکرد.

این نمایش‌ها نشان می‌دهند که چگونه لیزرهای آبی فشرده می‌توانند از سیستم‌ها و ابزارهای ارتباطی زیر آب در آینده برای نظارت بر ذرات معلق در هوا پشتیبانی کنند. کنترل فرکانس دقیق آنها همچنین این فناوری را به ساعت های اتمی و محاسبات کوانتومی مرتبط می کند، جایی که نور آبی پایدار ضروری است.

Anat Siddharth و همکاران، لیزر آبی یکپارچه فوتونیکی با پهنای خط باریک، قابل تنظیم پیزوالکتریک، Nature Photonics (2026). DOI: 10.1038/s41566-026-02040-9

ارائه شده توسط Ecole Polytechnique Federale de Lozanne

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →