توليد التوافقي الثاني الأصفر عند 590 نانومتر بسطوع يزيد عن 1.65 GW cm−2 sr−1 في VECSEL قائم على آبار كمية InGaAs/GaAs عالية الإجهاد مزروعة بواسطة MOCVD

لماذا يهم الضوء الأصفر الساطع

قد تبدو الليزرات الصفراء تقنية متخصصة، لكنها تمكّن بهدوء بعض أكثر التطبيقات تقدماً في العلوم والطب اليوم. الضوء الأصفر مثالي لتبريد الذرات قريباً من الصفر المطلق، وتوجيه التلسكوبات العملاقة أثناء استكشافها للكون، وفحص العين البشرية، وحتى علاج بعض الأمراض الجلدية والوعائية. ومع ذلك، ظل بناء ليزرات صفراء مدمجة وموثوقة وذات قدرة وتركيز عالٍ أمراً صعباً على نحو مفاجئ. تقدم هذه الورقة خطوة كبيرة نحو إنتاج ليزرات صفراء قابلة للتصنيع بكميات كبيرة تكون ساطعة وفعّالة وعملية خارج المختبرات المتخصصة.

من رقائق تحت الحمراء إلى حزم صفراء

بدلاً من محاولة بناء ليزر أصفر مباشرة، يبدأ الباحثون بجهاز شبه موصل ينبعث منه ضوء تحت أحمر غير مرئي عند طول موجي يقارب 1.2 ميكرومتر. هذا الجهاز هو ليزر سطحي ينبعث من الرقاقة داخل تجويف خارجي رأسي (VECSEL): شريحة رقيقة مدعومة بمرآة تُضخ بواسطة ليزر آخر وتقع داخل تجويف بصري مفتوح. داخل التجويف، يحوّل بلّور غير خطي الضوء تحت الأحمر إلى تردده الثاني — أي تقريباً نصف الطول الموجي الأصلي — الذي يقع في الطيف الأصفر عند نحو 590 نانومتراً. من خلال دمج مصدر تحت أحمر قوي مع مضاعفة ترددية فعّالة، يهدف الفريق إلى إنشاء نظام مدمج ينافس أو يتفوق على ليزرات صفراء صلبة الأجسام والألياف الأكبر حجماً.

هندسة مصانع الضوء الصغيرة

في قلب الشريحة توجد طبقات فائقة النحافة تسمى آباراً كمية، مصنوعة من أرسينيد الإنديوم والجاليوم (InGaAs) محشورة بين أرسينيد الجاليوم (GaAs). هذه الآبار هي المكان الذي يُنتَج فيه الضوء فعلياً. للوصول إلى اللون تحت الأحمر المطلوب، يجب أن تحتوي الآبار على نسبة عالية من الإنديوم، مما يشدّ البلورة ويولد إجهاداً ميكانيكياً. إذا لم يُدار هذا الإجهاد بعناية، تسترخي البلورة بتشكيل عيوب تُبعثر الضوء وتقلّل الكفاءة. يستخدم المؤلفون تصميم "قلب الرقاقة" (flip‑chip) مع ثمانية آبار كمية وتراكم من طبقات المرآة تحتها، موضِعين الآبار بعناية حيث يكون الحقل الضوئي الداخلي أقوى بحيث يساهم كل بئر بفعالية في التضخيم.

ترويض الإجهاد والذرات المتجولة

تتمثل تحديات مركزية في أن ذرات الإنديوم تميل إلى الانجراف أثناء النمو والتسخين، مما يؤدي إلى تركيبة غير متجانسة — تأثير يُسمى الانقسام (segregation). يواجه الفريق ذلك بإضافة طبقة معوضة من أرسينيد الجاليوم الفسفوري (GaAsP)، التي تكون تحت إجهاد معاكس، وبإدخال طبقة رقيقة من GaAs بين InGaAs وGaAsP لتقليل الخلط غير المرغوب. والأهم من ذلك، يقارنون بين استراتيجيتين للنمو في مفاعل ترسيب كيميائي بالبخار العضوي المعدني (MOCVD)، وهو طريقة مناسبة للتصنيع عالي الحجم. في النهج الأول، تُنمى جميع الطبقات الفعّالة عند درجة حرارة منخفضة نسبياً للحفاظ على الإنديوم في مكانه. هذا يُقمع العيوب مبدئياً، لكن البنية تتدهور عند التسخين لاحقاً، حيث يفقد الإنديوم والجودة البصرية.

وصفة درجة حرارة أذكى

في الاستراتيجية المحسّنة، تُنمى الآبار الغنية بالإنديوم عند درجة حرارة منخفضة، لكن طبقات GaAsP تُنمى عند درجة حرارة أعلى، مع استخدام طبقة فاصل GaAs أثناء تغيّرات درجات الحرارة. تتيح هذه "الوصفة ذات درجات الحرارة المتغيرة" إدماج الفسفور بشكل أكثر فعالية، مقدمًة تعويض إجهادي أقوى وواجهات أملس. تُظهر المجاهر عالية الدقة وقياسات الأشعة السينية أن الإنديوم صار موزعاً بشكل متساوٍ عبر الآبار، وأن الأسطح أملس، وأن حدود الطبقات الداخلية أكثر حدة. بعد التلبيد الحراري، يتحول لون الانبعاث قليلاً فقط ويظل ضيقاً، ما يشير إلى استقرار حراري جيد — وهو أمر حاسم لليزر يجب أن يتحمل ضخاً قوياً وتشغيلاً طويل الأمد.

من رقاقة مخبرية إلى مصدر أصفر ساطع

مع البنية المحسّنة، تنتج شريحة VECSEL المعبأة أكثر من 45 واط من القدرة تحت الحمراء المستمرة عند درجات حرارة مبرد منخفضة، وبكفاءة انحدار تزيد عن 50% — أداء قوي استثنائياً لجهاز مزروع بـ MOCVD في هذا النطاق الطيفي. عند وضعه في تجويف على شكل V مصمم بعناية يحتوي على بلّور غير خطي، يتحوّل الضوء تحت الأحمر إلى إخراج أصفر مستمر يتجاوز 6.2 واط. الحزمة شبه محدودة الحيود تقريباً، مما يعني أنه يمكن تركيزها بشدة، ويبلغ السطوع الناتج حوالي 1.65 غيغاواط لكل سنتيمتر مربع لكل ستراديان — رقم يقارن أو يتفوق على العديد من الليزرات الصلبة والألياف الأكبر حجماً. كما يُظهر الإخراج الأصفر استقراراً واعداً مع مرور الوقت.

ما الذي يعنيه هذا للمستقبل

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن المؤلفين أظهروا كيفية زراعة ومعالجة رقائق ليزر أشباه موصلات معقدة، باستخدام طرق صديقة للصناعة، لإنتاج حزم صفراء ساطعة ونقية بشكل ملحوظ. من خلال ضبط كيفية تكديس الطبقات وإجهادها وتسخينها أثناء النمو، يقمعون العيوب التي كانت تقيد الأداء سابقاً. وعلى الرغم من أن تترسيب الحزمة الجزيئية (MBE)، وهي تقنية أبطأ وأكثر تكلفة، لا تزال تحتفظ ببعض أرقام الأداء القياسية، فإن هذا العمل يُقلّص الفجوة مع توفير طريق واضح للإنتاج بالجملة. عملياً، يقرب ذلك الليزرات الصفراء المدمجة والفعّالة من الاستخدام الواسع في علم الفلك، والقياسات الدقيقة، والتصوير، والعلاج الطبي.

الاستشهاد: Zhang, Z., Zhan, W., Xiao, Y. et al. Over 1.65 GW cm⁻² sr⁻¹ brightness 590 nm yellow second-harmonic generation in MOCVD-grown high-strain InGaAs/GaAs quantum well VECSEL. Light Sci Appl 15, 161 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02230-8

الكلمات المفتاحية: ليزرات صفراء, VECSEL, توليد التوافقي الثاني, نمو بلورات أشباه الموصلات, بصريات تكيفية