10 دقیقه
نور فرابنفش فوقسریع یک گام بزرگ جلو رفته است: پژوهشگران سیستمی را نشان دادهاند که هم تولید و هم آشکارسازی پالسهای فمتوثانیه در باند UV‑C را ممکن میسازد و راه را برای کاربردهای جدید در ارتباطات نوری فضای آزاد، طیفسنجی فوقسریع و دستگاههای فتونیک فشرده باز میکند.
فوتونیک پالسهای فمتوثانیه در باند UV‑C
پیکربندی شماتیک برای تولید و آشکارسازی پالسهای لیزری UV‑C با پهنای زمانی فمتوثانیه در فضای آزاد. پیام توسط یک فرستنده لیزری UV‑C کدگذاری شده و توسط یک حسگر-گیرنده رمزگشایی میشود. حسگر بر پایه یک نیمهرسانای اتمینازک است که با روش رشد لایهای پرتوی مولکولی (molecular beam epitaxy) روی ویفر سفایر دو اینچی ساخته شده است (جزئیات در کادر).
چرا UV‑C و پالسهای فمتوثانیه اهمیت دارند
نور UV‑C (با طول موج حدود 100 تا 280 نانومتر) در چندین حوزه علمی و صنعتی بهخاطر پراکندگی قوی در جو و انرژی فوتون بالایش اهمیت دارد. این پراکندگی میتواند مزیتآفرین باشد: برخلاف نور مادون قرمز یا مرئی، UV‑C قادر است ارتباطات غیرخط دید (non-line-of-sight) را پشتیبانی کند، یعنی اطلاعات حتی زمانی منتقل میشوند که موانع جریان مستقیمِ پرتو را بلوکه کنند. وقتی این انفجارهای فرابنفش به بازههای زمانی فمتوثانیه تقلیل مییابند — حدود یکهزار تریلیونیم (10^-15) ثانیه — وضوح زمانی و ظرفیت حمل داده بهطرز چشمگیری افزایش مییابد.
تا امروز کمبود سختافزار عملی و مقیاسپذیر، پیشرفت در پالسهای فمتوثانیه UV‑C را محدود کرده بود. تولید کارآمد نور UV‑C دشوار است و آشکارسازی پالسهای فوقکوتاه UV‑C در دمای محیط معمولاً به تجهیزات ویژه نیاز داشت. پلتفرم جدید این دو چالش را همزمان هدف گرفته است: یک منبع تبدیل غیرخطیِ آبشاری با بازده بالا برای تولید پالسهای فمتوثانیه UV‑C و آشکارسازهای فشرده مبتنی بر نیمهرساناهای اتمینازک (دوبعدی) که در دمای اتاق کار میکنند.
این ترکیب، پیوندی بین پیشرفتهای اپتیک غیرخطی، طراحی کریستالهای فازسنجی و فناوری لایهنشانی اتمی برای توسعه سیستمهای فتونیک UV‑C کوچک و قابلاعتماد برقرار میکند. کلید موفقیت در اینجا شامل بهینهسازی فازمچینگ، کاهش نیاز به لیزرهای پمپ بسیار پیچیده و استفاده از مواد نیمهرسانای با شکاف نواری وسیع است تا هم تولید و هم تشخیص پالسهای کوتاه بهصورت تجاریپذیر قابلدسترسی شوند.
نحوه عملکرد سیستم جدید: منبع و حسگر
تولید پالسهای فمتوثانیه UV‑C
منبع لیزری بر اساس فرایندهای دومهارمونیک آبشاری (cascaded second-harmonic generation) و فرایندهای مرتبه دوم فازمچشده درون کریستالهای غیرخطی کار میکند. با طراحی دقیق مراحل غیرخطی و شرایط فازمچینگ، تیم پژوهشی به بازده تبدیل بالا دست یافت و پالسهای UV‑C که تنها چند فمتوثانیه طول میکشند تولید کرد.
بازده تبدیل بالا اهمیت زیادی دارد: موجب فشردگی منبع و کاهش نیاز توان میشود که در نهایت دستگاههای عملیاتی در آزمایشگاه و میدانی را ممکنتر میسازد. در عمل، بهبود بازده تبدیل و کاهش پراکندگی طیفی (bandwidth management) به همراه کنترل کرِپِ (chirp) و پراکندگیِ مواد ضروری است تا پالسهای خروجی دارای پهنای زمانی مطلوب و انرژی کافی برای انتقال داده یا انجام اندازهگیریهای زمان-تفکیک باشند.
تکنیکهای بهکار رفته شامل انتخاب کریستالهای غیرخطی با پهنای فازمچینگ مناسب، تنظیم هندسه عبور پرتوها، و استفاده از فازمچینگ دما یا کوپلینگ موجبرها بود تا تبدیل پمپ به فرکانسهای بالاتر (موجهای فرابنفش) بدون اتلاف زیاد انرژی انجام گیرد. این رویکرد امکان تولید پالسهای فمتوثانیه در UV‑C را با لیزرهای پمپ کمتر پرهزینه فراهم میکند که برای توسعه تراشههای فتونیکِ یکپارچه اهمیت ویژهای دارد.
آشکارسازی جَرقههای فوقکوتاه UV‑C با نیمهرساناهای دوبعدی
در سمت آشکارسازی، پژوهشگران از فوتودتکتورهایی بر پایه سِلنید گالیم (GaSe) لایهنشانیشده همراه با یک اکسید پهننوار (Ga2O3) استفاده کردند. این مواد اتمینازک با رشد پرتوی مولکولی (molecular beam epitaxy) روی ویفرهای سفایر دو اینچی تهیه شدهاند و نشان دادند که در دمای اتاق پاسخدهی مناسبی به پالسهای فمتوثانیه UV‑C دارند.
ویژگی قابلتوجه این آشکارسازها، گذار پاسخ فوتوجریان از ناحیه خطی به حالت فوقخطی (super-linear) با افزایش انرژی پالس است؛ رفتاری که آشکارساز را در گسترهی وسیعی از انرژیهای پالس و نرخهای تکرار (repetition rates) کاربردی و تطبیقپذیر میکند. این مقیاسپذیری در پاسخ فوتوجریان به ویژه برای سیستمهای ارتباطی زمانپردازیشده و اندازهگیریهای دقتبالا مهم است، چرا که امکان کار در شرایط متنوع سیگنال و نویز را فراهم میآورد.
علاوه بر این، ساختارهای هتروساختاری GaSe/Ga2O3 دارای مزایایی مانند پهنای باندِ حساسیت مناسب در فرابنفش، پایداری در دمای اتاق، و پتانسیلِ یکپارچهسازی با الکترونیک روی-تراشه هستند. از منظر فیزیکی، حساسیت این نیمهرساناها ناشی از ترکیبی از انرژیگپ وسیع Ga2O3 و ویژگیهای اپتیکی و الکترونیکی لایههای GaSe است که به جمعآوری کارآمد الکترونها و حفرهها در معرض پالسهای کوتاه منجر میشود.
نشاندادن در عمل: ارتباط فضای آزاد
برای اعتبارسنجی پلتفرم، تیم یک لینک فضای آزاد ساخت: اطلاعات به صورت یک قطار پالس فمتوثانیه UV‑C توسط فرستنده کدگذاری و توسط گیرنده مبتنی بر نیمهرسانای دوبعدی رمزگشایی شد. این آزمایش همزمان دو نکته مهم را اثبات کرد — منبع قادر به تولید پالسهای بسیار کوتاه UV‑C بهطور پایدار است و حسگرهای اتمینازک میتوانند آن پالسها را در دمای اتاق تشخیص داده و بازبینیکنند.
این دستاورد گامی عملی به سوی سیستمهای فتونیک UV‑C است که قادر به کار در محیطهای آشفته و پر مانع هستند؛ جایی که لینکهای خط دید مستقیم ناکارآمد یا ناممکناند. در عمل، توانایی ارسال و دریافت دادهها از طریق پراکندگی جوی UV‑C میتواند برای شبکههای کوتاهبرد امن، پهپادها، رباتهای داخلی، و کاربردهای اضطراری در محیطهای پر دود یا با موانع فیزیکی بسیار مفید باشد.
آزمایشهای میدانی اولیه همچنین به بررسی پارامترهای سیستم مانند نرخ خطا، حساسیت گیرنده در حضور نویز زمینهای و پایداری عملکرد در شرایط دمایی مختلف پرداختند. نتایج اولیه نشاندهنده پایداری نسبی و امکان افزایش نرخ انتقال داده با بهینهسازیهای آینده در منبع و الکترونیک دریافت بود.
پیامدها برای فوتونیک، تصویربرداری و ارتباطات
این قابلیت ترکیبی مسیرهای متعددی را میگشاید. چیپهای فتونیک یکپارچه که منابع UV‑C و آشکارسازهای دوبعدی را بهصورت مونولیتیک ترکیب میکنند، میتوانند از طیفسنجی فوقسریع، تصویربرداری باندپهن و ارتباطات کوتاهبرد امن بین سامانههای خودران یا رباتها در فضاهای داخلی یا محیطهای پر دود یا مختل پشتیبانی کنند.
پالسهای سریع UV‑C همچنین اندازهگیریهای زمانی-تفکیکشده با دقت فمتوثانیه را ممکن میسازند و مطالعات دینامیکهای شیمیایی و حالتهای جامد فوقسریع را تقویت میکنند. برای نمونه، پایش گذرا (transient) واکنشهای شیمیایی یا تغییرات الکترونی در مواد نیمههادی با تفکیک زمانی فمتوثانیهای میتواند دادههایی فراهم کند که با روشهای مرئی یا مادون قرمز قابل دستیابی نیستند.
قابلیت تولید و آشکارسازی پالسهای فمتوثانیه UV‑C در قالب یک پلتفرم مقیاسپذیر، اهمیت تجاری و پژوهشی بالایی دارد. مواد و رویکردهای کریستال غیرخطی استفادهشده با فناوریهای تولید صنعتی همخوانی دارند، که امکان کاهش اندازه و یکپارچهسازی در ماژولهای فشرده را فراهم میسازد. این جنبه برای گروههای تحقیقاتی و شرکتهای صنعتی که هدفشان انتقال فوتونیک UV‑C از آزمایشگاههای تخصصی به کاربردهای گستردهتر است، حیاتی خواهد بود.
نکات فنی و زمینه پژوهشی
- اپتیک غیرخطی: فرایندهای دومهارمونیک آبشاری و فازمچینگ دقیق، تولید کارآمد UV‑C را بدون نیاز به لیزرهای پمپی بسیار پیچیده ممکن میسازند.
- آشکارسازهای نیمهرسانا دوبعدی: هتروساختارهای GaSe/Ga2O3 حساسیت در دمای اتاق به پالسهای فمتوثانیه UV‑C را نشان میدهند و مقیاسپذیری فوتوجریان نسبت به انرژی پالس در آنها مطلوب است.
- پتانسیل فضای آزاد: پراکندگی قوی جوی برای UV‑C یک تیغه دولبه است — چالش برای لینکهای خط دید بلندبرد، اما فرصت برای ارتباطات غیرخط دید و لینکهای کوتاهبرد مقاوم در برابر موانع.
- یکپارچهسازی تراشه: سازگاری مواد و تکنیکهای رشد با فرآیندهای تولید صنعتی (CMOS-friendly در سطح طراحی فیزیکی) موجب تسهیل مسیر تجاریسازی و تولید انبوه میشود.
- ملاحظات ایمنی و نظارتی: استفاده از UV‑C در ارتباطات و تصویربرداری نیازمند پیروی از دستورالعملهای ایمنی اپتیکی و استانداردهای قرارگیری در معرض اشعه است تا از خطرات برای پوست و چشم جلوگیری شود.
تحلیل تخصصی
دکتر النا مارکز، مهندس اپتیک که در این مطالعه مشارکت نداشت، اظهار میکند: "این پیشرفت بهموقع است. ترکیب تولید کارآمد UV‑C با آشکارسازهای فشرده دوبعدی دو خلأ بزرگ سختافزاری در میدان را پوشش میدهد. اگر عملکرد تحت شرایط دنیای واقعی — دماهای متغیر، آشفتگیهای نوری و لینکهای طولانیتر — نیز پایدار بماند، میتوانیم شاهد ظهور کلاس جدیدی از ماژولهای فرابنفش فوقسریع برای ابزارهای آزمایشگاهی و ارتباطات رباتیک باشیم."
در نگاه رو به جلو، پژوهشگران بر بهبود بازده تبدیل، یکپارچهسازی منابع و آشکارسازها روی تراشه، و آزمودن پایداری در محیطهای عملی متمرکز خواهند شد. با رشد بلوغ قطعات، انتظار میرود نمایشهایی از مدارهای فتونیک یکپارچه UV‑C، سامانههای تصویربرداری فمتوثانیهای، و پروتکلهای جدید ارتباطی فضای آزاد که از پراکندگی UV‑C برای انتقال داده قابلاطمینان در محیطهای پیچیده بهره میبرند، بهنمایش گذاشته شوند.
افزون بر این، توسعه استانداردهای آزمایشی و متریکهای عملکرد (مانند SNR، بیتریت عملی، حساسیت کمینه در انرژی هر پالس، و پایداری حرارتی) برای مقایسه نتایج بین گروههای مختلف و تسریع انتقال فناوری از پژوهش به محصول ضروری خواهد بود. همکاری میان فیزیکدانان اپتیک، مهندسان مواد، و طراحان مدارهای یکپارچه نقش تعیینکنندهای در پیشبرد این فناوری ایفا خواهد کرد.
در مجموع، تلفیق تولید فمتوثانیهای UV‑C و آشکارسازی در دمای اتاق با مواد دوبعدی، چشماندازی عملی برای کاربردهای نوآورانه در ارتباطات امن، طیفسنجی پیشرفته و ابزارهای تصویربرداری با زمانتفکیک بسیار بالا ارائه میدهد — زمینههایی که میتوانند در سالهای آتی رشد قابلتوجهی را تجربه کنند.
منبع: scitechdaily
نظرات
کوینگام
قدرت نماییش بالاست ولی کمی اغراق نشده؟ تا وقتی نرخ خطا و SNR تو میدان ثابت نشه، تجاری شدن دور از انتظار نیست، زمان میخواد
نورپالس
من تو یه پروژه طیفسنجی دیدم که UV خیلی مؤثر بود، این خبر انگار ادامهشه. امیدوارم زود یه چی قابلحمل از آب دربیاد
مهدی
درسته که تو آزمایشگاه جواب داده، اما این تو دمای متغیر و آلودگی نوری هم جواب میده؟ شک دارم… اگه واقعیه تحسین.
روداکس
وای... پالس فمتوثانیهٔ UV-C؟ یعنی عملاً لینک غیرخطدید با پهنای باند خیلی بالا! هیجانانگیزه ولی نگران ایمنی و مقرراتم.
ارسال نظر