توليد فوق الطيف من الأشعة فوق البنفسجية-C إلى تحت الحمراء الوسطى في موجّهات من التيتانات الليثيوم المموجة دورياً

الضوء على رقاقة لألوان متعددة

إمكانية توليد العديد من ألوان الضوء في وقت واحد تسمح للعلماء بقراءة «بصمات» الذرات والجزيئات، ودراسة النجوم البعيدة، ومراقبة تلوث الهواء. تُظهر هذه الورقة كيف بنى الباحثون رقاقة صغيرة تحول ليزرًا واحدًا من الأشعة تحت الحمراء إلى قوس قزح فائق الاتساع من الضوء، ممتدًا من فوق البنفسجي العميق إلى تحت الأحمر الوسطى. هذا النطاق عادةً ما يتطلب أنظمة ألياف كبيرة الحجم، لكن هنا يتسع على قطعة أصغر من طرف الإصبع.

من ليزر ضيق إلى قوس قزح واسع

الفكرة الأساسية هي عملية تُسمى توليد فوق الطيف، حيث تتسع نبضة ليزر قوية وقصيرة جدًا لتكوين طيف ناعم من الألوان أثناء مرورها عبر مادة خاصة. يركز المؤلفون على دفع هذا القوس إلى عمق أكبر في نطاق فوق البنفسجي مما وصلت إليه أي رقاقة سابقة، مع توسيعه أيضًا إلى تحت الأحمر الوسطى. الضوء فوق البنفسجي مفيد لاستكشاف الانتقالات الإلكترونية في الذرات والجزيئات، بينما الضوء في تحت الأحمر الوسطى مثالي لاستشعار الغازات والمواد الكيميائية عبر نطاقات الامتصاص المميزة لها. جمع المنطقتين في جهاز مدمج واحد يمكن أن يبسط العديد من الأدوات البصرية.

بلورة خاصة ونقش ذكي

لتحقيق ذلك، يستخدم الفريق طبقة رقيقة من تيتانات الليثيوم، وهي مادة بلورية شفافة من نحو 260 نانومتر في فوق البنفسجي وحتى عدة ميكرومترات في تحت الأحمر. كما أنها تظهر استجابة قوية تسمح بتفاعل ألوان مختلفة من الضوء وتحويلها إلى ألوان جديدة. يقوم الباحثون بنقش هذه البلورة بعناية بمناطق مجهرية ينقلب توجيهها الداخلي ذهابًا وإيابًا بطريقة مُتحكَّم بها. من خلال تغيير تدرجي في تباعد هذه المناطق على طول الموجّه، يوجّهون طاقة نبضة تحت الحمراء الواردة إلى ترددات أعلى وأدنى بخطوات تحافظ على كفاءة العملية عبر مدى واسع جدًا من الأطوال الموجية.

ثلاث مناطق، طيف واحد مستمر

القناة الرئيسية للرقاقة مقسومة إلى ثلاث مقاطع وظيفية بعروض ونقوش مختلفة. في المقطع الأول، تنضغط نبضة تحت الحمراء في الزمن وتبدأ في الاتساع إلى ألوان مجاورة، بمساعدة تفاعلات تضاعف ترددها وتغذي الاتساع الإضافي. في المقطع الثاني، تُصاغ النقوش مجهرية على شكل «تدرّج ترددي» (chirped)، أي أن تباعدها يتناقص ببطء، بحيث تُمسَح شروط تحويل الضوء من القريب تحت الأحمر عبر الطيف المرئي وحتى فوق البنفسجي العميق. هذا المقطع يدفع الطيف إلى ما دون 270 نانومتر، داخل نطاق فوق البنفسجي‑C. في المقطع الثالث، يزداد تباعد النقش، ما يفضل التفاعلات التي تُنتج ضوءًا بطول موجي أطول وتدفع الطيف إلى ما بعد 2400 نانومتر في تحت الأحمر الوسطى.

مختبر صغير للاستشعار عريض النطاق

لإظهار ما يمكن أن يفعله هذا القوس العريض، يدمج المؤلفون موجّهًا إضافيًّا على شكل لولبي على نفس الرقاقة، يعمل كمسار استشعار مدمج. يمر ضوء المصدر فوق الطيف عبر هذا اللولب بينما تتفاعل عينات مثل سوائل أو غازات معه. من خلال تسجيل كيفية امتصاص الأطوال الموجية المختلفة، يمكن للنظام تحديد المواد أو قياس كميتها. يقيس الفريق امتصاص صبغة شائعة في الماء، ملتقطين بصمات مرئية وفوق بنفسجية، ويسجلون أيضًا خطوط امتصاص مفصّلة لغازات ذات صلة صناعية في تحت الأحمر. الاتفاق مع بيانات مرجعية قياسية يثبت أن الرقاقة تدعم مطيافية دقيقة وعريضة النطاق.

ماذا يعني هذا للأجهزة المستقبلية

بعبارة بسيطة، وضع الباحثون مصدر قوس قزح ساطع وفائق الاتساع على رقاقة واحدة وأظهروا أنه يمكن استخدامه لقراءة بصمات الطيفية للجزيئات والغازات عبر فوق البنفسجي والمرئي وتحت الأحمر. تصميمهم يصل إلى أطوال موجية فوق بنفسجية أقصر على رقاقة مما رُوِّج له سابقًا ويغطي أكثر من ثلاث «أوكتافات» من الألوان باستخدام طاقة ليزر متواضعة فقط. هذا يجعل رقاقات تيتانات الليثيوم منصّة قوية للأجهزة المدمجة المستقبلية، مثل مطيافيات محمولة، ومراقبات بيئية، وأدوات للقياسات الدقيقة في الفيزياء والفلك.

الاستشهاد: Xiong, H., Yao, X., Zhang, M. et al. Ultraviolet-C to mid-infrared supercontinuum generation in periodically poled lithium tantalate waveguides. Light Sci Appl 15, 253 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02323-4

الكلمات المفتاحية: توليد فوق الطيف, تيتانات الليثيوم, الضوء فوق البنفسجي, مطيافية تحت الحمراء الوسطى, الفوتونيّات المتكاملة