تعدد الإرسال المكاني واسع النطاق لمصابيح VCSEL متعددة الوضع مع فانوس ضوئي مطبوع ثلاثي الأبعاد

ضوء ليزر أكثر سطوعًا في حزمة أصغر

من تشغيل آلات القطع الصناعية إلى دعم وصلات الإنترنت فائقة السرعة، تعتمد العديد من التقنيات الحديثة على نقل كميات كبيرة من ضوء الليزر عبر ألياف زجاجية رفيعة. اليوم غالبًا ما يعني ذلك ربط العديد من الليزرات الصغيرة على رقاقة وتوجيه ضوئها إلى داخل ليف واحد. لكن القيام بذلك بكفاءة دون استخدام بصريات ضخمة أمر صعب. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن لبنية ميكروسكوبية مطبوعة ثلاثي الأبعاد، تُسمى الفانوس الضوئي، أن تجمع ضوء عشرات الليزرات على مقياس الشريحة وتدخله إلى ليف بصري مع الحفاظ على شدة الحزمة وصغر حجم الأجهزة.

لماذا دمج العديد من الليزرات الصغيرة صعب

تُعد مصفوفات الليزرات الباعثة للسطح ذات الحجرة العمودية (VCSEL) جذابة لأنها رخيصة ومضغوطة وسهلة التصنيع بأعداد كبيرة. كل VCSEL في مثل هذه المصفوفة يُنتج حزمة صغيرة متعددة الفصوص بدلًا من بقعة واحدة نظيفة، ولا تكون الحزم من الليزرات المختلفة متزامنة. تستخدم البصريات التقليدية عدسات صغيرة لتوازي كل مصدر وعدسة أكبر لتركيزها جميعًا في ليف متعدد الوضع سميك. هذا الليف الكبير يستقبل أنماطًا عديدة من الضوء، مما يجعل الاقتران سهلاً لكنه يوزع الطاقة على مساحة وزاوية أوسع، ويقلل من السطوع الإجمالي الذي يمكن تسليمه إلى هدف بعيد.

قمع ميكروسكوبي للضوء المعقد

صمّم الباحثون نوعًا جديدًا من الفانوس الضوئي يعمل كقمع ثلاثي الأبعاد للضوء المعقد. بدلًا من البدء بالعديد من المدخلات أحادية الوضع النظيفة تمامًا، يقبل فانوسهم مدخلات تحمل بالفعل عدة أنماط مكانية من كل VCSEL. باستخدام محاكاة حاسوبية متقدمة وخوارزمية تحسين جينية، شكّلوا انحناءات وتضييقات عشرات الأدلة الموجية الصغيرة بحيث تندمج ضوؤها من ما يصل إلى 37 ليزرًا متعدد الوضع تدريجيًا في دليل موجي واحد مطابق لليف متعدد الوضع الذي يدعم نفس العدد الإجمالي من الأنماط. هذا الانتقال اللطيف والعَدْدِي (adiabatic) هو المفتاح للحفاظ على الطاقة في الأنماط المطلوبة وتجنب الفقد.

طباعة البصريات مباشرة على رقاقة الليزر

لصنع هذه الهياكل المعقدة، استخدم الفريق تقنية الطباعة النانوية ثنائية الفوتون مع بوليمر يمكن نحته بدقة دون الميكرومتر. طبعوا ثلاث تصاميم لفوانيس—تتعامل مع 7 أو 19 أو 37 مدخلاً لليزر—مباشرة على زوايا مصفوفات VCSEL التجارية. طول كل فانوس يبلغ بضع مئات من الميكرومترات فقط، أصغر من حبة غبار، ومع ذلك يحتوي على غابة مرتبة بعناية من الأدلة الموجية المنحنية التي تلتقي في مخرج واحد مُتوسع قليلًا بحجم مُطابق لنواة زجاجية قياسية بقطر 50 ميكرومتر. تؤكد صور المجهر الإلكتروني أن الفوانيس المطبوعة محاذية بدقة مع فتحات الليزر وتحافظ على أشكال ناعمة ومحددة جيدًا لازمة للإرشاد منخفض الفقد.

اختبار جودة الحزمة وتوصيل القدرة

لفحص أداء الفوانيس، قاس المؤلفون شكل الضوء الخارج بالتفصيل وإجمالي القدرة التي وصلت إلى ليف الخروج. باستخدام الهولوغرافيا الرقمية—تقنية تعيد بناء واجهة الموجة الكاملة للحزمة—رسموا كيف تعيد الفانوس توزيع أنماط الإدخال وأكدوا أن معظم الطاقة تبقى ضمن مجموعة الأنماط المستهدفة. بالنسبة للجهاز ذي المدخلات السبعة أعادوا بناء مصفوفة النقل الكاملة، ووجدوا أن تقريبًا كل الأنماط المدعومة تُنقل بخسارة معتدلة. عندما تم توصيل الفوانيس ذات 19 و37 مدخلاً بشكل مباشر إلى ليف متعدد الوضع، كان الفقد الإضافي عند الواجهة نحو نصف ديسيبل فقط، مما يعني أن معظم الضوء الخارج من الفانوس يدخل إلى الليف. ظل النفاذ الكلي من الليزرات عبر الفانوس وإلى الليف أفضل من نحو 60% حتى لأكبر جهاز، وهو تنافسي أو أفضل من الأنظمة المثالية المعتمدة على العدسات مع بصمة أصغر بكثير.

أداء مستقر مع الوقت وإمكانية التوسع

بعيدًا عن الكفاءة الخام، يجب أن تكون أنظمة الليزر العملية مستقرة. شغّل الفريق مصفوفة VCSEL المجهزة بالفوانيس بشكل متواصل لساعات بينما ضَبَطوا درجة الحرارة بدقة، متتبعين قدرة الخرج عند تيارات تشغيل مختلفة. كانت التقلبات المقاسة ضئيلة—أكثر من خمسين ديسيبل أقل من الإشارة المتوسطة—مما يشير إلى أن الهياكل البوليميرية ومصفوفة الليزر تشكّلان حزمة متينة. تشير المحاكاة وحدود التصنيع إلى أن نهج التصميم نفسه يمكن تمديده إلى مئات الليزرات المدخلة مع تحسن أدوات الطباعة ثلاثية الأبعاد، باستخدام إما البوليمر الحالي أو مواد أشبه بالزجاج أكثر تحملاً للحرارة لقوى أعلى.

ماذا يعني هذا لمحركات الضوء المستقبلية

بعبارات بسيطة، يبرهن العمل على مُركِّب ضوئي ميكروسكوبي يسمح لعدة حزم ليزر صغيرة وغير مرتبة تمامًا أن تتصرف كحزمة واحدة ساطعة وموجهة جيدًا داخل ليف بصري، دون الاعتماد على تزامن معقد أو عدسات ضخمة. من خلال مطابقة الليف مع السعة الحقيقية لمصادر المعلومات، يحافظ النظام على السطوع ويستخدم الطاقة بكفاءة. قد تصبح هذه الفوانيس الضوئية المطبوعة ثلاثية الأبعاد لبنات بناء أساسية لأجيال مقبلة من الليزرات الليفية عالية القدرة، والأدوات الصناعية المدمجة، ووصلات البيانات القصيرة المدى، حيث يظل إيصال مزيد من الضوء عبر أجهزة أقل هدفًا دائمًا.

الاستشهاد: Dana, Y., Shukhin, K., Garcia, Y. et al. Massive-scale spatial multiplexing of multimode VCSELs with a 3D-printed photonic lantern. Nat Commun 17, 2286 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70458-4

الكلمات المفتاحية: مصفوفات VCSEL, الفانوس الضوئي, الطباعة النانوية ثلاثية الأبعاد, الليف متعدد الوضع, دمج الحزم