ستنفورد: مهندسون يطورون أول شريحة ميكروية قادرة على فصل شعاع الليزر المختلط

طور مهندسون من جامعة ستانفورد وزملاؤهم شريحة بحجم الظفر قادرة على فصل شعاع الليزر المختلط إلى أشعة مستقلة، وقد نُشر البحث المتعلق بذلك في 30 أكتوبر في مجلة Nature Photonics. أشارت جامعة ستانفورد إلى أن هذه هي المرة الأولى التي يظهر فيها الباحثون أن هذا الجهاز قادر على معالجة الضوء المتماسك جزئيًا، أي أن موجات الضوء تتماشى بشكل متسق لفترة قصيرة فقط. وأوضحت طالبة الدكتوراه في الهندسة الكهربائية في ستانفورد، آني كرو (Annie Kroo)، أن شعاع الليزر متماسك، حيث تهتز الفوتونات معًا، بينما الضوء المنبعث من المصباح غير متماسك، حيث تكون الفوتونات غير متزامنة.

ذكر المؤلف المشارك، أستاذ مساعد في معهد العلوم والتكنولوجيا النمساوي (ISTA)، تشارلز روكيس-كارميس (Charles Roques-Carmes)، أن الخصائص الحقيقية للضوء هي أنها متماسكة جزئيًا. وأوضح أن الباحثين يأملون في فصل هذا الضوء المختلط إلى أجزاء مستقلة، مما قد يعزز تطوير تقنيات جديدة في الاتصالات والحوسبة والاستشعار.

المفهوم الأساسي والتقنية للشريحة

أشارت كرو إلى أن هذا المفهوم الأساسي يعود إلى الثمانينيات، لكنه لم يتم اختباره في التجارب. أرسل الفريق شعاعين من الليزر تحت الحمراء إلى شريحة ضوئية، حيث يمكن للجهاز توجيه الضوء لمعالجة البيانات، مشابهًا لكيفية توجيه شريحة الكمبيوتر للإلكترونات. وأوضحت جامعة ستانفورد أن الشعاعين المدمجين متماسكين جزئيًا، وأن خوارزمية الشريحة تفصلها إلى مخرجات مستقلة. وُصفت هذه العملية في الورقة بأنها قياس لرؤية الخطوط المفقودة. وفي اختبار بدائرة مختلفة، تم إضافة شعاع ليزر ثالث بنجاح أيضًا. وأشار المؤلف المشارك، الباحث الأكاديمي في ISTA، بول-ألكسيس مور (Paul-Alexis Mor)، إلى أن النتائج أظهرت "عدم وجود ارتباط على الإطلاق".

أشار أستاذ ستانفورد، شان هوي فان (Shanhui Fan)، إلى أن الشريحة قادرة على تعلم المكونات المستقلة للحقل الضوئي غير المعروف، والمعروفة باسم الأنماط المتماسكة، وترسل كل نمط إلى مخرجه الخاص.

إمكانات تطبيق الشريحة

أفادت جامعة ستانفورد أنه في السنوات الأخيرة أصبحت الشرائح الضوئية أصغر وأكثر قوة، لكن التحكم في العمليات الداخلية للضوء لا يزال صعبًا للغاية. وفقًا لستنفورد، تقوم الكاميرات بضغط الضوء إلى صورة ثنائية الأبعاد، مما يؤدي غالبًا إلى تداخل المصادر الضوئية. عند المراقبة تحت المجهر، قد يبدو جزيئان مضيئان متداخلان كأنهما واحد. وأوضحت كرو أن هذه الشريحة يمكن أن تميز بينهما من حيث المبدأ، لأن الضوء نفسه يحمل إشارات من مصادر ضوئية مختلفة. ومن الجدير بالذكر أن الاختبارات المذكورة في البيان استخدمت ليزر تحت الحمراء، وليس ضوء النجوم أو عينات المجهر، وتم اعتبار تطبيق التصوير كإحدى الاستخدامات المحتملة.

وفقًا للورقة، يتم ضبط الشريحة بواسطة حلقة تغذية راجعة تعمل بالتحكم الإلكتروني الخارجي. تصف الورقة شريحة ذات تسعة مدخلات قادرة على فصل أقوى مكونين ضوئيين من شعاعين ليزريين. أظهرت التقارير أن التداخل المتقاطع، أي درجة تسرب الضوء بين المخرجات، منخفضة تصل إلى -13 ديسيبل. وأشارت الورقة إلى أنه يمكن للشريحة استعادة شعاع الليزر الأصلي فقط عندما تكون أنماط شعاع الليزرين متعامدة في الفضاء، أي رياضيًا مستقلة عن بعضها البعض. حاليًا، يعمل كل من كرو وديفيد ميلر (David Miller) وأولاف سولغارد (Olav Solgaard) من جامعة ستانفورد مع NASA لاختبار ما إذا كانت هذه التقنية قادرة على اكتشاف الضوء القادم من المجرات البعيدة.

أشارت ستانفورد إلى أن الضوء الذي يبدو كنقطة ضوئية في التلسكوب قد يحتوي على أشعة ضوئية مستقلة من النجوم وكواكب خارجية.

ابتكارات تقنية الشريحة الميكروية وآفاق تطبيقاتها

يمثل تطوير هذه الشريحة الميكروية خطوة هامة في تكنولوجيا الفوتونيات، حيث يمكنها فصل شعاع الليزر المختلط بشكل فعال، وهو ما لم يتم التحقق منه تجريبيًا من قبل. مع زيادة الطلب على الاتصالات والحوسبة، فإن التطبيقات المحتملة لهذه التقنية واسعة، خاصة في تحسين أداء أنظمة التصوير الضوئي والاستشعار. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر التعاون مع NASA الإمكانيات التطبيقية لهذه التقنية في علم الفلك، مما قد يوفر طرقًا جديدة لاستكشاف المصادر الضوئية المستقلة في الكون.