ليزر مُشكل قابل للضبط عبر الطيف المكاني الكامل

تشكيل الضوء بصورة لم يسبق لها مثيل

عادة ما تصدر الليزرات حزمًا ناعمة وخالية من التفاصيل، لكن العديد من التقنيات الحديثة الأكثر إثارة—الاتصال الكمومي، الاستشعار فائق الدقة، والمجاهر المتقدمة—تتطلب ضوءًا تتفاوت فيه الشدة بأنماط معقدة عبر مقطع الحزمة. تعرض هذه الورقة ليزرًا عمليًا يمكن ضبطه لإنتاج أي نمط من هذا النوع تقريبًا مباشرة من المصدر، بدلًا من تشكيله لاحقًا بواسطة عناصر بصرية إضافية. إنها خطوة نحو ليزرات "تفعل كل شيء" تتيح للمهندسين والعلماء ضبط شكل الضوء الذي يريدونه بدقة.

من نوع ضبط إلى آخر

تُبنى الليزرات القابلة للضبط التقليدية لتعديل اللون، أو بدقة أكبر، التردد الضوئي. على مدى عقود، تعلم المهندسون كيفية تفضيل لون واحد داخل حجرة الليزر عن طريق تعديل هندستها الداخلية وكيف تنحني فيها الأطوال الموجية المختلفة. ومع ذلك، يُحافظ عادةً على مقطع الحزمة في أبسط صورة ممكنة—بقعة ساطعة واحدة—لأن ذلك يسهل التحكم في اللون ويزيد كفاءة الأجهزة. ومع ازدياد الاهتمام بـ"الضوء المهيكل"، حيث تختلف الشدة والطور بطرق معقدة عبر الحزمة، بدأ الباحثون يطرحون سؤالًا مختلفًا: هل يمكننا ضبط ليس فقط اللون، بل أيضًا النمط العرضي للضوء بطريقة مراقَبة ومرنة؟

لماذا تهم الأنماط المكانية

يمكن تنظيم الأنماط العرضية لحزمة ليزر ضمن عائلات من الأشكال المحددة جيدًا، مثل أنماط هيرميت-غاوس ولاجرانج-غاوس. تتضمن هذه حزمًا تحمل عزمًا زاويًا بصريًا مداريًا، تُصوَّر أحيانًا كضوء يلتف مثل المسمار. كل نمط يمكن أن يعمل كقناة منفصلة للمعلومات، أو كأداة فحص مميزة للتصوير، أو كأداة مُهيأة للتفاعل مع ذرات أو جزيئات أو جسيمات دقيقة. حتى الآن، لم تستطع أي ليزر تجاري توليد كل نمط مسموح به بشكل نظيف ووحيد الوضع عبر نطاق واسع بشكل موثوق. غالبًا ما تتطلب التصاميم الحالية تشكيل المضخة بشكل معقد ولا تزال تكافح لقمع الأنماط غير المرغوب فيها التي تتسلل إلى الحزمة.

دمج الضخ خارج المحور وعدم تماثل طفيف

الفكرة الأساسية للمؤلفين هي الجمع بين حيلتين فيزيائيتين داخل حجرة الليزر. أولًا، يحرفون شعاع الضخ—الضوء الذي يحمس بلورة التضخيم—بشكل طفيف بعيدًا عن مركز الحجرة. يفضّل الضخ خارج المحور بطبيعته الأنماط التي تتطابق مناطق سطوعها الأعلى مع بقعة الضخ الممتدة، مما يمنحها أفضلية في السباق نحو عتبة التولد الليزري. بمفرده، على أي حال، يخلق هذا الأسلوب تنافسًا بين أنماط مختلفة تشترك في بقع ساطعة مشابهة، لا سيما بين الأنماط الشريطية أحادية البعد والأنماط الشبكية ثنائية البعد، مما يقيّد قابلية الضبط. لكسر هذه المأزق، يقدم الفريق استقطابًا محكومًا: تركز الحجرة الضوء بشكل مختلف قليلًا في الاتجاه الأفقي عن العمودي. هذا التمايز البسيط المدمج يجعل العديد من الأنماط غير المرغوب فيها تتشوه أثناء ارتدادها ذهابًا وإيابًا، فتفقد التوافق الجيد مع المضخة، بينما "تستعيد" الأنماط المختارة دوراتها في الموضع الصحيح وتحافظ على مكاسبها.

ليزر يغطي خريطة الأنماط الكاملة

باستخدام حجرة على شكل حرف V عند طول موجي 1064 نانومتر، يبرهن الباحثون أنه بمجرد تحريك بقعة الضخ جانبًا ولأعلى أو لأسفل داخل البلورة، يمكنهم اختيار أي نمط هيرميت-غاوس ثنائي البعد مرغوب ضمن عرض الحيز المكاني للنظام بشكل موثوق. عمليًا، يصلون إلى أكثر من 40,000 نمط مميز، ويبلغون رتبًا عالية حيث تنقسم الحزمة إلى مئات الفصوص الساطعة. تقيس القياسات الدقيقة لكل من الشدة والطور عبر الحزمة أن هذه الأنماط نقية للغاية، وتطابق بشكل وثيق الأشكال الرياضية المثالية. خارج الحجرة، يمكن لمجموعة مدمجة من العناصر البصرية الإضافية تحويل هذه الأنماط بسلاسة إلى أنماط لاجرانج-غاوس وأنماط "هجينة" أكثر عمومًا، ما يملأ فعليًا خريطة ثلاثية الأبعاد كاملة من هياكل الحزم الممكنة.

ما الذي يعنيه هذا لتقنيات المستقبل

لغير المختص، يمكن اعتبار هذا الإنجاز بمثابة منح الليزرات مقبض ضبط "الأنماط" الدقيق الذي كان مفقودًا سابقًا. بدلًا من بناء ليزر مختلف أو استخدام عناصر بصرية مضافة ضخمة لكل شكل حزمة جديد، يمكن لجهاز واحد مدمج أن يُضبط لإنتاج أي نمط تقريبًا ضمن مكتبة هائلة، وأن يفعل ذلك بجودة عالية ومن دون القفز بشكل غير متوقع بين الأنماط. يفتح هذا الباب أمام ليزرات مهيكلة عملية جاهزة للتطبيق التجاري لمجالات من وصلات البيانات عالية السعة التي تستخدم قنوات مكانية متعددة، إلى مجاهر تُكيّف الضوء لعَيِّنات بيولوجية، وصولًا إلى التلاعب الدقيق بالأجسام المجهرية. وبما أن الطريقة تعتمد فقط على تموضع المضخة وتصميم حجرة ذكي، فهي مناسبة للتجاريّة والتكيّف مع مصادر ضوئية لامخطية أخرى، مما يلمّح إلى مستقبل تصبح فيه الحقول الضوئية القابلة للبرمجة أدوات روتينية في العلوم والتكنولوجيا.

الاستشهاد: Sheng, Q., Geng, JN., Jiang, JQ. et al. Tunable structured laser over full spatial spectrum. Light Sci Appl 15, 169 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02243-3

الكلمات المفتاحية: الضوء المهيكل, ليزر قابل للضبط, أنماط مكانية, العزم الزاوي البصري, حزم هيرميت-غاوس