في الآونة الأخيرة، حقق فريق الباحث ليو هونغ جون من مختبر البصريات العابرة بمعهد شيآن للبصريات والآليات الدقيقة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم تقدمًا مهمًا في مجال التصوير بتحويل التردد إلى الأعلى غير الخطي في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة باستخدام الأسطح الفائقة، ونُشرت نتائج البحث ذات الصلة في مجلة Laser & Photonics Reviews. المؤلف الأول للورقة هو طالب الدكتوراه بمعهد شيآن للبصريات والآليات الدقيقة تشانغ تسونغ فو، والمراسل هو ليو هونغ جون من المعهد ذاته.

يُعد نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (3–5 ميكرومتر) نافذةً مهمةً لنفاذية الغلاف الجوي، ويلعب دورًا حاسمًا في مجالات مثل الطب الحيوي والرصد البيئي. يمكن لتقنية تحويل التردد إلى الأعلى غير الخطية أن تحوّل إشارات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، التي يصعب اكتشافها مباشرةً بحساسية عالية، إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة أو الضوء المرئي، وذلك بالاعتماد على كاشفات السيليكون صغيرة الحجم وعالية الكفاءة الكمومية لتحقيق اكتشاف عالي الأداء، وتُعد هذه التقنية أحد المسارات التقنية الأساسية في مجال اكتشاف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة حاليًا. وبالمقارنة مع الأجهزة البصرية غير الخطية التقليدية، يمكن للأسطح الفائقة غير الخطية أن تعزز بشكل كبير تفاعل الضوء مع المادة على مقياس الطول الموجي دون الذري، مما يتجاوز قيود شروط مطابقة الطور الصارمة. وفي السنوات الأخيرة، على الرغم من استخدام الأسطح الفائقة غير الموضعية ذات عامل الجودة العالي لتعزيز التأثيرات غير الخطية، إلا أنها تواجه صعوبة في تحقيق تحويل ترددي إلى الأعلى بكفاءة عالية في وضع الموجة المستمرة تحت ظروف العتبة المنخفضة والضوء الضعيف، مع الحفاظ في الوقت ذاته على قدرة مرنة لضبط الطيف، وهو ما يحد مباشرةً من تقدم توظيف تقنيات اكتشاف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة عالية الأداء القائمة على الأسطح الفائقة في التطبيقات العملية.

ولمواجهة المشكلات المذكورة أعلاه، اعتمد فريق البحث على منصة نيونات الليثيوم الرقيقة (نيوبات الليثيوم الرقيق) كمنصة بصرية غير خطية، واقترح طريقة لتحويل التردد إلى الأعلى غير الخطي قائمة على ضبط الوضع شبه الموجّه (quasi-guided mode, QGM) (الشكل 1). تعمل هذه الطريقة على إدخال رنين الوضع شبه الموجّه عبر طي منطقة بريلوين، مما يُنشئ أنماط رنين مستقرة بعامل جودة عالٍ ضمن نطاق واسع من متجهات الموجة؛ كما تستفيد من تأثير الاقتران القوي بين الوضع شبه الموجّه ورنين الوضع الموجّه (guided-mode resonance, GMR) لتوسيع نطاق مطابقة الأنماط في نظام رنين الوضع الموجّه الواحد، بحيث تتمكن أنماط الرنين المختلفة جميعها من تعزيز التأثير غير الخطي بفعالية. وبالاقتران مع قدرة ضبط الرنين ضمن نطاق واسع من متجهات الموجة، توسع هذه الطريقة بشكل كبير نطاق ضبط تحويل التردد، محققةً تحسينًا متزامنًا في كفاءة التحويل وقابلية الضبط الطيفي.

الشكل 1: رسم توضيحي لتحويل التردد إلى الأعلى باستخدام الأسطح الفائقة (أ) رسم تخطيطي لبنية السطح الفائق ومبدأ QGM؛ (ب) الخصائص الطيفية الخطية وغير الخطية للسطح الفائق

وبناءً على الطريقة المذكورة أعلاه، قام فريق البحث ببناء نظام تصوير بتحويل التردد إلى الأعلى في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة باستخدام نيونات الليثيوم الرقيقة. وفي التجارب، تم بنجاح تحقيق تصوير بتحويل التردد إلى الأعلى عبر توليد تردد الجمع لإشارة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة عند 4.33 ميكرومتر في وضع الموجة المستمرة منخفض الشدة (الشكل 2). ومن خلال ضبط طول موجة الضخ في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، تحقق الفريق من قدرة ضبط الرنين على جانب الضخ وتأثيرها على عملية التحويل غير الخطي، كما أثبتت تحليلات التشتت إمكانات التطبيق للتصوير بتحويل التردد إلى الأعلى في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة القابل للضبط على نطاق واسع.

الشكل 2: نتائج التصوير بتحويل التردد إلى الأعلى باستخدام السطح الفائق

وأوضح تشانغ تسونغ فو: "يبلغ سمك السطح الفائق غير الخطي واحدًا بالمائة فقط من قطر شعرة الإنسان، وتُدمج على مساحة بحجم حبة السمسم أكثر من عشرة آلاف بنية نانومترية. وباستخدام تأثير رنين الوضع شبه الموجّه، قمنا أولاً، كما لو كنا نختار محطة إذاعية، بجعل البنية تستقبل الضوء عند طول موجي محدد فقط، وتجمع طاقة الضوء الضعيف باستمرار؛ ثم، وكما لو كنا نستخدم برج تقوية الإشارة، قمنا بتركيز هذه الطاقة في غشاء رقيق للغاية لتضخيم تأثير الضوء. وبهذه الطريقة، أصبح تحويل التردد الذي كان يتطلب في السابق ليزرًا قويًا عالي الطاقة ممكنًا الآن باستخدام ضوء ضعيف عادي. وقد حل هذا مشكلة كبيرة لتطبيقات الأجهزة المصغرة مثل اكتشاف الضوء الضعيف في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة والتصوير البيولوجي غير الجراحي."

يمد هذا البحث قدرات الضبط للأسطح الفائقة غير الموضعية إلى مجال تحويل التردد غير الخطي في وضع الموجة المستمرة، ولا يقتصر الأمر على توفير مسار تقني جديد لتقنيات اكتشاف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة المصغرة ومنخفضة التكلفة وعالية الحساسية فحسب، بل إن إمكانات هذه التقنية في التكامل على الرقاقة تمنحها آفاق تطبيق واسعة في سيناريوهات مثل كشف الغازات والرصد البيئي والتصوير الطبي الحيوي والاستشعار الضوئي المتكامل.

يعمل فريق الباحث ليو هونغ جون في السنوات الأخيرة على إجراء أبحاث منهجية حول آليات ضبط مجال الضوء وتعزيزه في الأسطح الفائقة غير الخطية، ونُشرت النتائج ذات الصلة في مجلات مثل Laser & Photonics Reviews وNanoscale Horizons.