العودة   منتدى لغة الروح > لغة الفيزياء > الفيزياء العامة


الضوئيات: ليزر مايكرومتري من السيليكون

كل ما يخص الفيزياء العامة


إضافة رد
 
أدوات الموضوع انواع عرض الموضوع
#1  
قديم 04-18-2016, 09:38 PM
mo7med غير متواجد حالياً
لوني المفضل Cadetblue
 رقم العضوية : 647
 تاريخ التسجيل : Apr 2016
 فترة الأقامة : 1787 يوم
 أخر زيارة : 11-09-2017 (06:56 PM)
 المشاركات : 101 [ + ]
 التقييم : 30
 معدل التقييم : mo7med is on a distinguished road
بيانات اضافيه [ + ]
Post الضوئيات: ليزر مايكرومتري من السيليكون



الضوئيات: ليزر مايكرومتري من السيليكون

تم توليد ليزر بحجم المايكرومتر من مادة السيليكون الأكثر انتشارًا في صناعة الإلكترونيات. يعمل جهاز الليزر الجديد بقدرة في مستوى المايكروواط، وقد يفتح الطريق أمام دارات ضوئية متكاملة مدمجة.

منذ أن وصف الفيزيائي كريستيان دوبلر في 1842 «تأثير دوبلر»، أصبح معلومًا أن الضوء الذي يستطير (ينتشر) من جسم متحرّك يتعرض لتغير في التردد. ولاحقًا، اكتشف باحثون، ومنهم ڤينكاتا رامان، أثر الاهتزازات الميكانيكية في المادة على انتشار الضوء، لكن التفاعل بين المادة والضوء قد يسير بطريقة عكسية: الضوء قد يضع قوى على الجسيمات ويجعلها في حالة حركة. والآن يتم الجمع بين هذه المفاهيم ببراعة فيما قد يكون أصغر ليزر تمت صناعته من السيليكون. وكان تاكاهاشي وزملاؤه[عزيزى الزائر لايمكنك مشاهده الروابط الا بعد التسجيلللتسجيل اضغط هنا] قد نشروا مؤخرًا تقريرًا بدَوْرِيّة «نيتشر» حول ليزر رامان مايكرومتري الحجم من السيليكون، يعمل بقدرة في مستويات المايكروواط.


في الجوهر، يصف الباحثون ليزرًا ـ متناهي الصغر ـ على شريحة سيليكون معمولة باستخدام تقنيات الصناعة الإلكترونية المعروفة. يُضَخ الليزر بواسطة ليزر آخر ـ له تجويف أو فجوة، عرضها أقل من 10 مايكرومترات ـ بداخلها يَسْرِي الضوء المُولَّد، ويتم تكبيره.
تقع قدرة المضخة في نطاق المايكروواط، ويستطيع الليزر إنتاج موجات إشعاع مستمرة. وكما الحال في أي ليزر، فالتذبذب الضوئي مصدره مزيج من التكبير البصري (الضوئي)، والتغذية الراجعة إلى الفجوة. في معظم الليزرات، يعود التكبير الضوئي إلى الانبعاث المُحفَّز عبر مستويات الطاقة الإلكترونية لمادة حشو الفجوة.
فإذا كانت المادة سيليكون بلّوري، فلن يكون هذا النهج مناسبًا، نظرًا إلى أن بنية شريط طاقة الإلكترونات ـ في الشبكة البلورية ـ غير مباشرة. وهو ما يعني أن الدوال الموجية لإلكترون المادة المتفاعل لها زخم مختلف؛ مما يجعل انبعاث وتكبير الضوء غير كفء بدرجة عالية.

والتكبير الضوئي في ليزر السيليكون لدى تاكاهاشي وزملائه ناتج عن عملية مختلفة. فالذرات المترابطة تساهميًّا في بلورة سيليكون تشكل ما يشبه منظومة كتلة نابضة تتصرف كأنها متذبذب توافقي. هذه المنظومة لديها تردد (رنين) ميكانيكي طبيعي يساوي حوالي 15.6 تيراهيرتز.
عند درجة حرارة الغُرفة، تكون الطاقة الحرارية في الشبكة البلورية مُجمّعة عند هذا التردد. وحين يضرب شعاع مضخة ليزر ـ بتردد معين يساوي ν ـ ذرات السيليكون المهتزة، يستطير جزءٌ صغير من الشعاع إلى ترددَين جديدَين: ν±15.6 THz، وهو تأثير يُسمَّى «استطارة رامان»، وهو يشبه تأثير دوبلر.

في دراستهم، استخدم تاكاهاشي وزملاؤه شعاعًا بتردد 210 تيراهيرتزات، وهو ما يوافق طولا موجيًا يبلغ 1428 نانومترًا. التردد ν ـ البالغ 15.6 تيراهرتز ـ المكافئ لطول موجي يبلغ 1543 نانومترًا، وهو طول موجي مهم في عالم اتصالات الألياف البصرية، يعتبر مهيمنًا على التردد الأعلى لأسباب ميكانيكية كمّية، ويُسمى بتردد رامان–ستوكس.
ووجود تردد المضخة مع تردد ستوكس يؤدي إلى كثافة المجال الكهربي لشعاع الضوء المدمج النابض عند تردد 15.6 تيراهرتز. هذا النبض بدوره يبذل قوة بشكل دوري على ذرات السيليكون، ويدفعها إلى تذبذب أكثر كثافة، وهو ما يؤدي إلى استطارة أكثر كفاءة لشعاع المضخة إلى شعاع ستوكس. هذه الآلية ذات الاتجاهين تتضمن تكبيرًا ضوئيًّا لشعاع ستوكس، يغذيه شعاع المضخة، وهو ما يُعرف أيضًا باستطارة رامان المُحفَزة. ولذلك.. يُسمى هذا النوع من الليزر «ليزر رامان»، (انظر الشكل 1).

الضوئيات: ليزر مايكرومتري السيليكون




الشكل 1 | ليزر رامان. مكونات فريق تاكاهاشي الأساسية لليزر[عزيزى الزائر لايمكنك مشاهده الروابط الا بعد التسجيلللتسجيل اضغط هنا] رامان السيليكوني مايكرومتري الحجم موضحّة أعلاه كرسم بياني (اللوحة العليا).
فجوة دقيقة ضوئية، تم تبسيطها هنا لفجوة بمرآتين—بدلا من فجوة البلورة الضوئية التي استخدمها المؤلفون— تحتوي على سيليكون بلّوري. هذا الجهاز يتم ضخّه بشعاع ليزر خارجي يطابق تردده أحد ترددات الرنين الخاصة بالفجوة (اللوحة السُفلى).
ضوء المضَخة يثير بلورة السليكون إلى ترددها التذبذي الطبيعي— وهو 15.6 تيراهرتز. يـُسبِّب هذا استطارة فوتونات المضخة إلى تردد ضوئي أقل، يُسمّى تردد رامان–ستوكس، وهو ما يجعله يتراكم من حيث السعة. إذا تم تصميم الفجوة بحيث يكون تردد رامان–ستوكس مطابقًا لأحد ترددات الرنين الخاصة بها، يَنشأ تذبذب ليزر بتردد رامان–ستوكس.


لم يكن هؤلاء المؤلفون أول من وصف إنتاج «ليزر رامان» من السيليكون. ففي عام 2004، أظهر باحثون آخرون[عزيزى الزائر لايمكنك مشاهده الروابط الا بعد التسجيلللتسجيل اضغط هنا] ليزر رامان من السيليكون منتجًا إشعاعًا نابضًا، وبعدها بفترة وجيزة، أعلنت "إنتل" عن نسخة ذات إشعاع مستمر من هذا الليزر[عزيزى الزائر لايمكنك مشاهده الروابط الا بعد التسجيلللتسجيل اضغط هنا]. ورغم الحماس الذي صاحب ليزرات السيليكون الأولى، إلا أن أهميته التطبيقية ظلت محدودة. فالأجهزة كانت كبيرة (حجمها في نطاق السنتيمترات)، مقارنةً بليزر موضوع على شريحة، كما أن قدرة المضخة المطلوبة كانت عالية (عدة عشرات من الملّي واط).

لقد غيّر فريق تاكاهاشي اللعبة الآن باستخدام فجوة ليزر بلورية ضوئية. والبلورة الضوئية ليست إلا ترتيبًا معيّنًا لثقوب الهواء (بقطر يبلغ حوالي 100 نانومتر)، تمامًا كالجبن السويسري المنتظم، داخل مادة بمؤشر انكساري عالٍ، وهو سيليكون في هذه الحالة. وكل ثقب هو مستطير قوي جدًّا للضوء. وبضبط موضع وحجم كل ثقب، وعمل ذلك بدقة على مستوى النانومتر؛ يكون بالإمكان هندسة الاستطارة الكلية على نحو يحتفظ بموجات الضوء محبوسةً داخل فجوة، ويخفض طرق هروبه بأدنى درجة مذهلة، على الأقل لمجموعة منفصلة من الترددات الضوئية التي تُحدِث رنينًا داخل الفجوة.

والفجوات الضوئية البلورية في السيليكون ليست أمرًا جديدًا، وتم عرضها بواسطة مجموعات عديدة في أبحاث سابقة، ليس آخرها تاكاهاشي وزملاؤه[عزيزى الزائر لايمكنك مشاهده الروابط الا بعد التسجيلللتسجيل اضغط هنا]، لكن التحدي لتصميم ليزر رامان مايكرومتري من السيليكون كان مضاعفًا حرفيًا: فترددات الرنين الضوئية الخاصة بالفجوة تحتاج أن تتطابق بدقة مع تردديّ شعاع المضخة وشعاع رامان–ستوكس (الشكل 1). وقد تطلب ذلك تصميمًا بارعًا للفجوة، يأخذ في الحسبان الطبيعة المتجّهة الكاملة لمجالات الفجوة الكهرومغنطيسية، وكذلك التفاصيل الفيزيائية لتفاعل هذه المجالات خلال استطارة رامان، ليكون الجهاز ناجحًا.

هل يمكن لهذا الليزر الجديد أن يكون مفيدًا تطبيقيًّا بخلاف أسلافه الأكبر منه حجمًا، والأكثر جوعًا للطاقة؟ من حيث حجمه واستهلاكه للطاقة وكفاءته في تحويل القدرة، فالإجابة قد تكون: نعم. والعائق الرئيس لاستخدام ليزر رامان كمصدر ضوء في الترابطات الضوئية بالأنظمة الإلكترونية هو أنه جهاز مضخوخ بصريًّا.. فليزر شبه الموصّل العادي، المستخدَم في الاتصالات اللاسلكية واتصالات البيانات، مزوَّد بالقدرة الكهربية، ويتم تعديله كهربيًّا. أما ليزر رامان، فأساسه استطارة فوتونات عالية الطاقة إلى فوتونات منخفضة الطاقة، ولذلك يمكن تشغيله بالقدرة الضوئية فقط.

سيحتاج إدخال التشغيل بالقدرة الضوئية إلى الأنظمة الإلكترونية لإعادة هندسة كبرى، لكنها ليست مستحيلة. والسؤال المحوري يتركز فيما إذا كان ممكنًا أن نقوم بذلك بفقدان منخفض في الطاقة، وبتكاليف منخفضة مناسبة، أم لا. ورغم ذلك، ينبغي أن يكون تعديل الليزر في أي حالة بالإشارات الكهربية، وذلك ـ ببساطة ـ لأن الإشارات مصدرها الدوائر الإلكترونية. ويمكن تحقيق ذلك عبر وجود آلية فقدان محكومة كهربيًّا داخل المايكروليزر، كما ظهر من قبل[عزيزى الزائر لايمكنك مشاهده الروابط الا بعد التسجيلللتسجيل اضغط هنا] لدى ليزرات رامان السيليكونيّة سنتيمتريّة الحجم. وأوضح طريقة للقيام بذلك هي بناء الجهاز الإلكتروني المعروف بصمام ثنائي موجب–سالب p-n diode داخل فجوة السيليكون، وإدخال حاملات الشحنة إلى الثنائي، وهو ما يؤدي إلى امتصاص الضوء. وهكذا، يمكن تشغيل وتعطيل الليزر. وبذلك.. تصبح الخطوة القادمة عمل ليزر رامان في السيليكون من بلورة ضوئية مضخوخة بصريًّا، وتعديلها بمعدلات جيجابت في الثانية، وذلك ما نحتاجه في اتصالات البيانات حاليًا، بتعديل التيار الكهربي عبر الجهاز.



References

  • Takahashi, Y. et al. Nature 498, 470–474 (2013).
  • Boyraz, O. & Jalali, B. Opt. Express 12, 5269–5273 (2004).
  • Rong, H. et al. Nature 433, 725–728 (2005).
  • Takahashi, Y. et al. Opt. Express 17, 18093–18102 (2009).
  • Boyraz, O. & Jalali, B. Opt. Express 13, 796–800 (2005).
من مجلة Nature

ساعد في نشر والارتقاء بنا عبر مشاركة رأيك في الفيس بوك


الموضوع الأصلي: الضوئيات: ليزر مايكرومتري من السيليكون || الكاتب: mo7med || المصدر: اسم منتداك

كلمات البحث

العاب ، برامج ، سيارات ، هاكات ، استايلات








رد مع اقتباس
إضافة رد

مواقع النشر (المفضلة)

الكلمات الدلالية (Tags)
مايكرومتري, ليزر, السيليكون, الضوئيات:

أدوات الموضوع
انواع عرض الموضوع

تعليمات المشاركة
لا تستطيع إضافة مواضيع جديدة
لا تستطيع الرد على المواضيع
لا تستطيع إرفاق ملفات
لا تستطيع تعديل مشاركاتك

BB code is متاحة
كود [IMG] متاحة
كود HTML معطلة

الانتقال السريع

Facebook Comments by: ABDU_GO - شركة الإبداع الرقمية

Bookmark and Share


الساعة الآن 05:47 PM.

أقسام المنتدى

لغة الفيزياء | الفيزياء العامة | الفيزياء الحديثة | الفيزياء النووية | المحاضرات عن بعد | تكنو فيز | الوسائط التعليمية | الفيديو العلمي | طرق وأساليب التدريس | الأجهزة التعليمية | البرامج والمواد التعليمية | فيزياء المرحلة الثانوية (نظام المقررات ) | الترجمة | الأخبار العلمية والتكنولوجيا | لغة الأدب | الأدب العربي | الأدب النبطي | لغتنا العربية | الركن الهادئ | لغة الذات | دورات وقراءات | الميديا التنموية | الروحانيات | اسأل طبيبك | استراحة المنتدى | لقاء العائلة | شاركنا أخبارك | التعارف والترحيب بين الأعضاء | منتدى الإدارة | القرارات الإدارية | تواصل مع الإدارة | منتدى الاقتراحات والملاحظات | ريشة فنان | منتدى المواضيع المحذوفة والمكررة | الفيزياء الطبية | مسار محاضرات الفيزياء | مسار محاضرات الفيزياء الجزء الأول (1و2و3) | مسار محاضرات الفيزياء الجزء الثاني (4و5و6) |



Powered by vbulletin
Copyright ©2000 - 2021.


HêĽм √ 3.1 BY: ! ωαнαм ! © 2010

أن المنتدى غير مسئول عما يطرح فيه أفكار وهي تعبر عن آراء كاتبها

This Forum used Arshfny Mod by islam servant

هذا الموقع يستعمل منتجات MARCO1

جميع الحقوق محفوظة لموقع لغة الروح |تصميم المتحدة لخدمات الانترنت