تولید پرتو گردابی ارزان با چاپ سه‌بعدی جدید!

توسعه دستگاهی برای تولید پرتوهای نوری پیچشی با انرژی زاویه‌ای مداری

محققان دستگاهی طراحی کرده‌اند که با استفاده از چاپ سه‌بعدی، پرتوهای نوری پیچشی با انرژی زاویه‌ای مداری (OAM) تولید می‌کند. این نوع انرژی چرخشی می‌تواند اطلاعات بیشتری نسبت به پرتوهای معمولی منتقل کند. تولیدکننده‌های پرتوهای گردابی که کارآمد، جمع‌وجور و کم‌هزینه هستند، می‌توانند به افزایش ظرفیت و قابلیت اطمینان سیستم‌های بی‌سیم آینده کمک کنند.

جیانشینگ لی، رهبر تیم تحقیقاتی از دانشگاه جیائوتونگ شی‌آن در چین، گفت: “تقاضای روزافزون برای سیستم‌های ارتباطی با ظرفیت بالا و مقاوم در برابر تداخل، در کاربردهایی مانند شبکه‌های بی‌سیم 5G و 6G، نیازمند راه‌حل‌های نوآورانه است.” او افزود: “اگرچه پرتوهای گردابی حامل OAM می‌توانند به طور بالقوه کارایی طیفی و ظرفیت ارتباطی را افزایش دهند، روش‌های فعلی برای تولید این پرتوها با مشکلاتی چون کارایی پایین، هزینه‌های بالای ساخت و آسیب‌پذیری در برابر تداخل از باندهای فرکانسی ناخواسته مواجه هستند.”

تولید پرتوهای گردابی با استفاده از چاپ سه‌بعدی

در نشریه Optics Express از گروه انتشاراتی Optica، محققان توضیح می‌دهند که چگونه از چاپ سه‌بعدی برای خلق یک تولیدکننده پرتو OAM استفاده کرده‌اند که می‌تواند به عنوان یک سیستم آنتن پیشرفته برای ارتباطات بی‌سیم مدرن عمل کند. این دستگاه پرتوهای گردابی با ظرفیت بالا تولید می‌کند و دارای ویژگی فیلتر تقویتی یکپارچه است که سیگنال‌های مورد نظر را تقویت کرده و در عین حال تداخل را مسدود می‌کند تا انتقالی واضح و کارآمد را تضمین کند.

یوانکسی کائو، نویسنده مسئول مقاله، گفت: “تولیدکننده پرتو OAM ما به ویژه برای ارتباطات بی‌سیم 5G و 6G و همچنین حسگری و تصویربرداری از راه دور مناسب است.” او ادامه داد: “به عنوان مثال، ادغام این دستگاه در دکل‌های ارتباطی می‌تواند به بهبود پخش و اتصال آنلاین در تجمعات بزرگ مانند جشنواره‌های موسیقی یا رویدادهای ورزشی کمک کند، جایی که تراکم بالای کاربران معمولاً شبکه‌های موجود را تحت فشار قرار می‌دهد و منجر به کاهش سرعت و قطع ارتباط می‌شود.”

فیلتر سیگنال یکپارچه

تولیدکننده پرتو OAM جدید که با استفاده از چاپ سه‌بعدی ساخته شده است، از یک تقسیم‌کننده توان فیلتر تقویتی یکپارچه استفاده می‌کند تا سیگنال را به طور یکنواخت تقسیم کرده و در عین حال فرکانس‌های ناخواسته را در منبع فیلتر کند. این کار تداخل را به حداقل می‌رساند و نیاز به اجزای خارجی اضافی را کاهش می‌دهد.

تحقیقات جدید در زمینه تولید پرتوهای وورتکس

محققان برای جلوگیری از تلفات دی‌الکتریک، از یک ساختار تمام فلزی پر از هوا استفاده کردند که این امر باعث افزایش کارایی تابش و ظرفیت بالای توان می‌شود. این دستگاه ابتدا یک سیگنال ورودی را به هشت قسمت مساوی تقسیم می‌کند و از یک تقسیم‌کننده توان داخلی برای فیلتر کردن فرکانس‌های غیرضروری استفاده می‌نماید. سپس هر سیگنال از یک مسیر ویژه عبور می‌کند که فاز آن را تنظیم می‌کند تا هم‌راستایی دقیقی برای ایجاد پرتو وورتکس به دست آید. در نهایت، سیگنال‌ها از طریق یک آرایه دایره‌ای از آنتن‌ها منتقل می‌شوند تا پرتو وورتکس با ویژگی‌های مورد نظر تولید گردد.

ساخت و آزمایش

پس از انجام شبیه‌سازی‌های پیشرفته برای تنظیم دقیق تقسیم‌کننده توان فیلترکننده به منظور انتقال سیگنال در باند و سرکوب مؤثر سیگنال‌های خارج از باند، محققان از فناوری ذوب لیزری انتخابی برای چاپ سه‌بعدی یک نمونه اولیه با استفاده از آلیاژ آلومینیوم که به دقت بالا و زبری سطح کم معروف است، بهره‌برداری کردند. کائو گفت: “ما دستگاه را به‌عنوان یک ساختار یکپارچه با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی ذوب لیزری انتخابی ساخته‌ایم.” وی افزود: “این امر نیاز به مونتاژ را از بین می‌برد، هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد و هم‌راستایی دقیق اجزا را تضمین می‌کند که همه این‌ها برای کاربردهای فرکانس بالا حیاتی هستند.”

آزمایش‌های تجربی تأیید کردند که نمونه اولیه دستگاه ویژگی‌های پرتو مورد نظر را با خلوص مد حدود 80% به‌دست آورده است. همچنین این دستگاه سرکوب بالایی از سیگنال‌های خارج از باند نشان داد که از 30 دسی‌بل فراتر می‌رود و این امر به‌طور قابل توجهی تداخل را کاهش می‌دهد و انتقال سیگنال تمیز را تضمین می‌نماید.

پیشرفت‌های آینده

محققان در حال حاضر در تلاشند تا عملکرد تولیدکننده پرتو OEM را با بهبود بهره‌وری، کارایی و فیلتر کردن سیگنال افزایش دهند. آن‌ها همچنین می‌خواهند با بررسی تولید چندحالت OAM و آزمایش آن در دامنه‌های فرکانسی وسیع‌تر، مانند ارتباطات ترابرد، محدوده‌های کاربردی این فناوری را گسترش دهند. محققان اشاره می‌کنند که تجاری‌سازی این دستگاه نیاز به بهینه‌سازی چاپ سه‌بعدی برای مقیاس‌پذیری، ادغام با سیستم‌های موجود، اطمینان از انطباق با مقررات و اعتبارسنجی عملکرد در کاربردهای واقعی مانند 5G و ارتباطات ماهواره‌ای دارد.