تقنية الشريحة الضوئية الدقيقة تستخدم ليزرين لتوليد إشارات دقيقة وتعزز تطوير الساعات الذرية المصغرة

عرض باحثو المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) جهازًا يعتمد على مشط تردد ضوئي مصغر، يستخدم ليزرين لتوليد إشارات ضوئية دقيقة، دون الحاجة إلى المعدات الثقيلة التي كانت تتطلبها بعض التصميمات السابقة. تسهم هذه التقنية في تصغير الساعات الذرية الضوئية، مما يجعلها أكثر ملاءمة للاستخدام خارج المختبر. هذه الساعات يمكن أن تدعم في النهاية أنظمة الملاحة للطائرات بدون طيار والغواصات وغيرها من المركبات عندما تكون إشارات GPS غير متاحة أو متداخلة. يعتمد الجهاز على هيكل دائري صغير يسمى التجويف الدقيق. يتم تدوير الضوء من ليزرين داخل الحلقة، مما ينتج عنه سلسلة من الترددات الضوئية المتباعدة بشكل متساوٍ، والتي يمكن استخدامها كمرجع قياس دقيق للغاية.

تعاون الباحثون مع زملائهم من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) ومعهد الأبحاث الكمي المشترك (JQI) في جامعة ماريلاند، حيث أشاروا إلى أن هذه الطريقة تحل العقبة الرئيسية في تطوير مشط تردد مضغوط: توليد إشارات عالية الجودة ومستقرة دون الحاجة لمعدات طاقة إضافية. يعمل مشط التردد الضوئي بطريقة مشابهة لمقياس الضوء، من خلال إنتاج سلسلة من الترددات المتباعدة بدقة، مما يسمح للعلماء بقياس الضوء بدقة عالية. هذه الأجهزة تعد جزءًا أساسيًا من الساعات الذرية الضوئية، التي تستخدم اهتزازات الذرات تحت التردد الضوئي لقياس الوقت. قد تتطلب أنظمة مشط التردد الضوئي التقليدية مكونات متعددة لتثبيت إشارتها.

طريقة جديدة لحل مشكلة استقرار الإشارة

على الرغم من أن الباحثين قد طوروا نسخة مصغرة تستخدم التجويف الدقيق، إلا أن الحفاظ على جودة الإشارة المطلوبة قد يتطلب معدات إضافية.

تقوم طريقة NIST بإدخال الضوء من ليزرين إلى نفس التجويف الدقيق. تتفاعل هذه الأشعة لتوليد الترددات المتباعدة بشكل متساوٍ المطلوبة للقياسات الضوئية، مع تجنب المشكلات المرتبطة بالمعدات الثابتة الإضافية في الطرق السابقة التي تعتمد على ليزر واحد. قام الباحثون بتصنيع شريحة تحتوي على ما يصل إلى 300 تجويف دائري صغير، توفر البيئة الضوئية اللازمة لتوليد إشارات المشط. وفقًا لـ NIST، فإن هذه التقنية المزدوجة الليزر قادرة على إنتاج مشط تردد عالي الجودة دون الاعتماد على إعدادات المختبر الثقيلة التي كانت تحد من بعض التصميمات السابقة. يركز العرض على مكونات مشط التردد بدلاً من الساعة الذرية المحمولة الكاملة.

لم تقم NIST بعد بالإبلاغ عن نظام الملاحة المكتمل باستخدام الجهاز الجديد.

التطبيقات المحتملة للساعات الذرية الضوئية

يمكن أن توفر الساعات الذرية الضوئية مرجعًا زمنيًا دقيقًا لأنظمة الملاحة التي لا يمكن الاعتماد بالكامل على إشارات الأقمار الصناعية. تستخدم GPS إشارات توقيت دقيقة من الأقمار الصناعية لتحديد المواقع، وعندما يتم حظر هذه الإشارات أو التداخل معها أو حجبها عمدًا، قد تحتاج المركبات إلى طرق أخرى للحفاظ على الملاحة الموثوقة. قد تسهم الساعات الضوئية المدمجة في هذه الأنظمة من خلال توفير مرجع زمني مستقر، مما يقلل من الاعتماد على الإشارات الخارجية. تشمل التطبيقات المحتملة الطائرات بدون طيار ذات القيادة الذاتية والغواصات وغيرها من المركبات التي تعمل في بيئات غير موثوقة بالنسبة للملاحة عبر الأقمار الصناعية. كما أشارت NIST إلى أن استكشاف المعادن واستكشاف النفط والغاز هي أيضًا استخدامات محتملة للساعات الضوئية المحمولة.

ومع ذلك، لم تثبت هذه الدراسة بعد أن المشط الدقيق الجديد يمكنه توفير الملاحة المستقلة دون GPS، ولا يزال يتطلب مكونات ساعة إضافية وتقنيات الملاحة.

التحدي التالي هو تحويل الأداء الضوئي المعروض إلى أجهزة عملية تتوافق مع متطلبات الحجم واستهلاك الطاقة والموثوقية للمنصات المتحركة. من خلال تقليل الأجهزة الداعمة اللازمة لتوليد ترددات ضوئية مستقرة، أظهر الباحثون مكونًا سيساعد في جعل أجهزة قياس الوقت الدقيقة أكثر قابلية للحمل.

إمكانات الملاحة للشريحة الضوئية الدقيقة

يمثل هذا التقدم في التقنية خطوة مهمة نحو تصغير الساعات الذرية الضوئية، مما يوفر مرجعًا زمنيًا دقيقًا في الحالات التي لا يمكن الاعتماد فيها على إشارات الأقمار الصناعية. مع زيادة الطلب على أنظمة الملاحة للمركبات، خاصة في مجالات القيادة الذاتية والغواصات، سيسهم تطوير هذا المشط الضوئي الجديد في تعزيز استقرار وموثوقية الملاحة. على الرغم من أنه لم يتم إثبات قدرته على الملاحة المستقلة بعد، إلا أن تطبيقاته المحتملة واسعة، ومن المتوقع أن تلعب دورًا حيويًا في بيئات متنوعة في المستقبل.