1

دانشمندان موفق به ساخت لیزری شده‌اند که اندازه‌ای کوچک‌تر از یک سکه دارد و می‌تواند اشیاء را با سرعت بسیار بالایی اندازه‌گیری کند. این لیزر توانایی تغییر رنگ خود را میلیون‌ها بار سریع‌تر از بسیاری از سیستم‌های رایج دارد، ویژگی‌ای که آن را گزینه‌ای مناسب برای هدایت خودروهای خودران و مشاهده پدیده‌های بسیار ظریف کرده است.

ابداعی در ابعاد یک تراشه

توسعه در دانشگاه روچستر و UCSB

این لیزر کوچک‌مقیاس توسط پژوهشگران دانشگاه روچستر و دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا توسعه یافته است. این پروژه توسط شیکزین شو، دانشجوی دکترای این دانشگاه‌ها و تحت راهنمایی کیانگ لین، استاد مهندسی برق و کامپیوتر و اپتیک دانشگاه روچستر، رهبری می‌شود.

پژوهشگران باور دارند که این لیزر کوچک می‌تواند جایگزین دستگاه‌های بزرگ لیزری فعلی شود و ابزارهای دقیق‌تری را در دسترس افراد بیشتری قرار دهد.

چرا کوچک‌سازی اهمیت دارد؟

لیزر، از گذشته تا امروز

لیزر ابزاری است که پرتو باریکی از نور تولید می‌کند. لیزرهای اولیه به فضای زیادی برای عملکرد نیاز داشتند. اگرچه لیزرهای امروزی کوچک‌تر هستند، هنوز هم بسیاری از آن‌ها برای پایداری یا تنظیم رنگ به افزونه‌های حجیم نیاز دارند.

نقش ماده لیتیم نیوبیت در ساخت لیزر

پژوهشگران برای ساخت این لیزر از ماده‌ای مصنوعی به نام لیتیم نیوبیت استفاده کردند که از اثر پاکلز بهره می‌برد؛ اثری که باعث می‌شود عبور نور از ماده در حضور میدان الکتریکی تغییر کند. آن‌ها به دنبال راه‌هایی برای تغییر فرکانس لیزر با سرعتی حدود ۱۰ کوینتیلیون بار در ثانیه بودند؛ سرعتی که با توانایی تغییر رنگ بسیار سریع لیزر مرتبط است.

کاربردهای لیزر در خودروهای خودران

استفاده از لیزر در سامانه لیدار (LiDAR)

یکی از کاربردهای روشن این لیزر، استفاده در فناوری لیدار (LiDAR) است. لیدار با تاباندن پرتو نور به اشیاء و بررسی بازتاب آن‌ها، محیط اطراف خودرو را نقشه‌برداری می‌کند.

«چندین کاربرد داریم که همین حالا هم می‌توانند از طراحی ما بهره‌مند شوند،» به گفته شو.

بسیاری از خودروهای خودران از لیدارهای پایه استفاده می‌کنند. برخی نیز به سیستم‌های مدوله‌سازی فرکانس روی آورده‌اند که به تغییرات گسترده‌تری در رنگ نور نیاز دارند.

آزمایش عملی لیزر جدید

تیم پژوهشی لیزر را در یک سامانه لیدار کوچک قرار داد. با چرخاندن یک دیسک ساده و بررسی سیگنال‌های بازتابی، آن‌ها توانستند حروف ساخته‌شده از قطعات پلاستیکی را تشخیص دهند.

با اینکه این تنظیمات در مقیاس کوچک انجام شد، اما تیم پژوهش بر این باور است که قابلیت مقیاس‌پذیری آن برای شرایط رانندگی واقعی نیز وجود دارد. این لیزر می‌تواند اسکن‌های سریع‌تری انجام دهد و تشخیص دقیق‌تری از وسایل نقلیه و موانع ارائه دهد.

نقش لیزر در آشکارسازی امواج گرانشی

آزمایشگاه‌هایی مانند LIGO و لیزرهای پرهزینه

مطالعات مربوط به امواج گرانشی به دنبال یافتن اختلالات بسیار کوچک در بافت فضا هستند. آزمایشگاه‌هایی مانند LIGO از لیزرهایی با دقت بالا و ابعاد بزرگ برای این منظور استفاده می‌کنند.

امکان کوچک‌سازی آزمایشگاه‌ها

این لیزر کوچک می‌تواند به چنین آزمایشگاه‌هایی کمک کند تا اندازه تجهیزات خود را کاهش دهند یا دقت اندازه‌گیری را افزایش دهند. با توانایی تنظیم دقیق رنگ لیزر، حتی سیگنال‌های بسیار ضعیف نیز ممکن است در آینده با دقت بیشتری شناسایی شوند.

ادغام اجزای مجزا در یک تراشه

«این یک فرآیند بسیار مهم است که می‌تواند در ساعت‌های نوری به کار رود؛ ساعاتی که با دقتی فوق‌العاده زمان را اندازه می‌گیرند، اما نیازمند تجهیزات فراوان هستند،» به گفته شو.

تراشه جدید برخی از اجزایی را که پیش از این به‌صورت جداگانه به‌کار می‌رفتند، در خود جای داده است. پایداری فرکانس لیزر با استفاده از روشی اثبات‌شده به نام Pound-Drever-Hall تأمین می‌شود که رنگ لیزر را با یک مرجع خارجی قفل می‌کند.

پایداری بلندمدت دستگاه

مقاومت در برابر شرایط آزمایشگاهی واقعی

نمونه‌های اولیه باید نشان دهند که می‌توانند در برابر لرزش‌ها، نوسانات دمایی و استفاده مداوم مقاومت کنند. تیم پژوهشی گزارش می‌دهد که تراشه آن‌ها با استفاده از الکترونیک استاندارد عمل کرده و در آزمایش‌های عادی پایداری خوبی داشته است.

کاهش نویز در اندازه‌گیری

نویز، سیگنالی است که خوانش‌های دقیق را مختل می‌کند. لیزرهای سنتی در اندازه‌گیری‌های حساس ممکن است با این مشکل مواجه شوند. لیزر جدید با پهنای خط باریک ۱۶۷ هرتز، توانست نوسانات تصادفی را در سطحی پایین حفظ کند؛ ویژگی‌ای که برای دقت اندازه‌گیری حیاتی است.

کاربردهای گسترده‌تر لیزرهای دقیق

از خودروهای خودران تا ساعت‌های فوق دقیق

اندازه‌گیری دقیق فاصله با لیزر فقط برای خودروهای خودران نیست. این فناوری برای پهپادها، ربات‌های صنعتی و پژوهش‌های رباتیک نیز کاربرد دارد. حسگرهای دقیق‌تر می‌توانند خطر تصادف را کاهش دهند و کارایی سیستم‌ها را بهبود بخشند.

ساعت‌های دقیق‌تر، که با لیزرهای پایدار کار می‌کنند، می‌توانند در مخابرات (برای هماهنگی سیگنال‌ها) و در آزمایشگاه‌هایی که واکنش‌های شیمیایی در کسری از ثانیه را رصد می‌کنند، تحول ایجاد کنند.

حمایت از پروژه و آینده این فناوری

پشتیبانی از سوی سازمان‌های پیشرفته

سازمان‌هایی نظیر آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی آمریکا (DARPA) از طریق برنامه LUMOS و بنیاد ملی علوم (NSF) از این پژوهش حمایت کرده‌اند. این حمایت‌ها به توسعه طراحی‌ها، کوچک‌سازی بیشتر و کاهش هزینه‌های تولید کمک می‌کند. همچنین پژوهشگران قصد دارند نتایج خود را به‌صورت باز منتشر کنند تا دیگر آزمایشگاه‌ها نیز بتوانند از آن بهره‌مند شوند.

افق‌های پیش‌ رو برای این لیزر فوق‌سریع کوچک

تمرکز بر دستگاه‌های فوتونیکی یکپارچه

حرکتی رو به رشد در زمینه ساخت دستگاه‌های فوتونیکی یکپارچه برای سنجش و انتقال داده وجود دارد. اگر آزمایشگاه‌های عظیم به ابزارهای قابل‌حمل در ابعاد تراشه تبدیل شوند، هزینه و اندازه ابزارهای نوری دقیق به‌طور چشم‌گیری کاهش می‌یابد و کاربرد آن‌ها گسترده‌تر خواهد شد؛ از وسایل الکترونیکی مصرفی گرفته تا تجهیزات صنعتی تخصصی.

پیشرفت در طراحی راهنماهای نوری و مواد جدید

تیم پژوهش در حال بهبود طراحی راهنماهای نوری و آزمایش روش‌های جدید تنظیم فرکانس لیزر است. آن‌ها همچنین به بررسی مواد تخصصی دیگری مشغول‌اند که با تنظیم حرکت الکترون‌ها در آن‌ها، می‌توان پایداری، دامنه و سرعت لیزر را افزایش داد.

این دستگاه فوق‌سریع نشان می‌دهد که فناوری‌های دقیق اندازه‌گیری، لزوماً نیازمند ابعاد بزرگ یا هزینه‌های بالا نیستند.

جمع‌بندی

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که با توسعه لیزرهایی در ابعاد یک تراشه، می‌توان تحولی بزرگ در حوزه‌های متعددی مانند خودروهای خودران، فیزیک نجومی، صنایع رباتیک و ابزارهای سنجشی ایجاد کرد. ویژگی‌هایی مانند تغییر رنگ فوق‌سریع، اندازه کوچک و پایداری بالا، این لیزر را به یک ابزار آینده‌نگرانه تبدیل کرده‌اند که می‌تواند جایگزین بسیاری از سیستم‌های پیچیده و پرهزینه فعلی شود.