دمج الحزم من ليزرات تيراهرتز عالية القدرة باستخدام مشابك سطحية شبه موصلة

ضوء أوضح لرؤية ما لا يُرى

تقع موجات التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الأحمر، ويمكنها اختراق الملابس والبلاستيك وحتى طبقات الطلاء دون الآثار الضارة لأشعة إكس. يسعى العلماء للحصول على ليزرات تيراهرتز ساطعة وقابلة للضبط لمسح المواد الكيميائية، والمخدرات، والجزيئات الحيوية بدقة عالية، لكن المصادر المدمجة الحالية إما لا تكون ساطعة بدرجة كافية أو يصعب ضبط ترددها. تُظهر هذه الورقة كيف يمكن دمج الحزم من عدة ليزرات تيراهرتز قوية على رقاقة واحدة في حزمة واحدة متحكم بها ويمكن توجيهها، باستخدام هياكل مصغرة منقوشة تُدعى الميتاسرفاسيس.

لماذا الكثير من الحزم أفضل من واحدة

يمكن لليزر شلال كمومي واحد لتيراهرتز أن يوفر طاقة ملحوظة بالفعل، لكنه يعمل عادةً عند لون واحد، أو تردد واحد، في كل مرة. لتطبيقات مثل التحليل الطيفي—التعرف على المواد من خلال كيفية امتصاصها للضوء—يكون أكثر فائدة وجود مجموعة من الألوان المتقاربة التي يمكن اختيارها إلكترونياً. إحدى الاستراتيجيات هي بناء مصفوفة من عدة ليزرات أحادية اللون ثم دمج مخرجاتها بحيث تظهر، من الخارج، كمصدر واحد ساطع وقابل للضبط. التحدي أن حزم التيراهرتز تميل لأن تكون متشتتة وتتوسع بسرعة، والعدسات والمشابك الضخمة المستخدمة عادة لتوجيه ودمج هذه الحزم لا تناسب البيئة المدمجة والباردة التي تتطلبها هذه الليزرات.

أخاديد دقيقة تُوجّه الضوء

يتعامل المؤلفون مع هذه المشكلة باستخدام مشابك حيود مخصصة—عناصر بصرية تعيد توجيه الضوء اعتماداً على لونه—مبنية مباشرة على رقائق أشباه الموصلات. بدلاً من الأخاديد المنشارية الكلاسيكية المحفورة في قطعة معدنية ضخمة، استخدموا "الطبقة الميتا": شريحة فائقة النحافة من المعدن وأرسنيد الغاليوم وأشرطة معدنية منقوشة أصغر من طول موجة التيراهرتز. من خلال اختيار سماكات الطبقات والمسافات وعرض الأشرطة بعناية، خلقوا بنية رنانة تدفع معظم الطاقة الواردة إلى اتجاه واحد مرغوب فيه مع قمع قوي للانعكاس المرآتي البسيط. توقعت المحاكاة أن هذه المشابك يمكن أن تعيد توجيه ما يصل إلى نحو 80 بالمئة من الضوء الوارد عبر نطاق ترددي واسع نسبياً حول 3.2 تيراهرتز، وأكدت التجارب كفاءات تصل إلى 70 بالمئة لجهاز واحد.

بناء أوركسترا ليزر مدمجة

على رقاقة منفصلة، صنع الفريق أربعة ليزرات شلال كمومية ينبعث منها السطح ضمن تصميم سابق يستخدم صفاً من الميكرو تجاويف المترابطة بإحكام لإنتاج نمط واحد ونظيف. من خلال تغيير المسافات بين هذه الميكرو تجاويف قليلاً من ليزر لآخر، ضبطوا كل جهاز على الانبعاث عند لونه الخاص، بفواصل ترددية تقارب 14 جيجاهرتز—صغيرة بما يكفي بحيث يمكن، من الناحية المبدئية، أن تستوعب عشرات مثل هذه الليزرات داخل عرض النطاق الطبيعي للمادة الفعالة. أنتج كل ليزر حزمة ذات لوب واحد بقوى ذروية بمئات الميلي واط قبل أي بصريات دمج، لكن الحزم خرجت من الرقاقة بزوايا مختلفة وكانت ستتباعد عن بعضها في الظروف العادية.

توجيه ألوان متعددة في مسار واحد

لجمع الحزم معاً، ركّب الباحثون عدسة بلاستيكية مدمجة ومشابكي ميتاسرفاسيس متطابقين جنبا إلى جنب على صفيحة نحاسية داخل غرفة تفريغ مبردة. تعمل العدسة أولاً على تجميع الحزم لكنها لا تجعلها متوازية تماماً؛ لاتزال اتجاهاتها مختلفة قليلاً لأن الليزرات موضوعة في مواقع مختلفة. المشبك الميتاسرفاس الأول يحني كل حزمة اعتماداً على لونها بطريقة محسوبة، ويكمل المشبك الثاني التصحيح بحيث، بعد الزوج، تتداخل الحزم الأربع كلها في المكان وتنتشر تقريباً على نفس الخط. تظهر قياسات الحقل البعيد أنه على بعد 35 سنتيمتراً، تقع البقع من جميع الليزرات الأربع ضمن نحو عُشر درجة من بعضها وتفصل بينها أقل من مليمتر واحد، مشكلة حزمة مصفوفة ضيقة مستطيلة مع تباعد معتدل.

ماذا يعني هذا لأدوات التيراهرتز المستقبلية

على الرغم من أن الطاقة الكلية التي تصل إلى الكاشف—نحو 11 إلى 16 بالمئة من ما تنتجه الليزرات مباشرة—أقل من الحد النظري، يحدد المؤلفون سبل واضحة للتحسين، خصوصاً بتوسيع المشابك لالتقاط الحزمة بأكملها. حتى في شكلها الحالي، يوفر النظام 50 إلى 100 ميلي واط من كل ليزر بعد الدمج، ضمن حزمة تبريد مدمجة ومتكاملة. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن هذا العمل يوضح كيفية دمج عدة "نغمات" تيراهرتز ساطعة في "آلة" قابلة للضبط باستخدام هياكل على شريحة بدلاً من بصريات ضخمة. مع المزيد من الليزرات في المصفوفة ومشابك محسنة، قد تؤدي هذه المقاربة إلى مطيافات تيراهرتز عملية بحجم اليد قادرة على تحديد المواد بسرعة، وفحص المواد، أو فحص العينات البيولوجية بحساسية عالية ودون اتصال مباشر.

الاستشهاد: Fei Jia, Sadhvikas J. Addamane, and Sushil Kumar, "Beam combining of high-power terahertz lasers with semiconductor metasurface gratings," Optica 12, 1640-1646 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.553819

الكلمات المفتاحية: ليزرات تيراهرتز, مشابك سطحية ميتا, دمج الحزم, ليزرات الشلال الكمومي, التحليل الطيفي