Technologia i Zastosowania Laserów 2012

fot. foton.zut.edu.pl

Technika laserowa rozwija się w Polsce intensywnie od początku lat sześćdziesiątych. Pierwszy laser w kraju został uruchomiony w roku 1969. Pierwszymi krajowymi ośrodkami badawczymi, w których uruchomiono lasery były Wojskowa Akademia Techniczna (prof. Z. Puzewicz), Politechnika Warszawska (prof. W. Woliński) i Uniwersytet Adama Mickiewicza (prof. F. Kaczmarek). W jubileuszowym X Sympozjum Techniki Laserowej wzięło udział 120 osób. Zaprezentowano 11 referatów przeglądowych, 42 komunikaty naukowo–techniczne oraz 59 plakatów.

Krajowe środowisko naukowo-techniczne związane z techniką laserową spotyka się od prawie 30 lat na krajowych sympozjach laserowych. Prace prowadzone w kraju w dziedzinie techniki laserowej dotyczą obecnie technologii materiałów laserowych, konstrukcji nowych laserów i związanego z laserami sprzętu, a także nowych aplikacji laserów. Wiele zespołów technicznych uczestniczy w Europejskich laserowych programach badawczych i infrastrukturalnych, dzieląc się i rozpowszechniając wiedzę w tej dziedzinie fotoniki. Technika laserowa jest ważnym narzędziem praktycznym i jednocześnie siłą napędową dla rozwoju wielu dziedzin nauki, techniki, medycyny oraz przemysłu. Obejmuje ona materiały optyczne, materiały laserujące, konstrukcję laserów od gazowych po półprzewodnikowe oraz liczne dziedziny zastosowań. Zakres badanych materiałów jest bardzo szeroki: optyczne, optoelektroniczne, bierne, aktywne, nieliniowe, funkcjonalne, kryształy, półprzewodniki, szkła, metale, gazy i wiele innych.

Konstrukcje laserowe obejmują optymalizację istniejących rozwiązań, oraz poszukiwania nowych rozwiązań. Badane są materiały, komponenty, urządzenia laserowe, technologie wytwarzania, techniki pomiarowe parametrów lasera i wiązki optycznej. Rodzaje badanych laserów obejmują: półprzewodnikowe, fotoniczne, gazowe, jonowe, na ciele stałym, na swobodnych elektronach  inne. Sygnały optyczne podlegają generacji, wzmocnieniu, synchronizacji, kompresji i rozciąganiu, mieszaniu, powielaniu częstotliwości, upkonwersji i downkonwersji, formowaniu w impulsy itp. Zastosowania laserów obejmują takie pola jak: obróbka materiałów, biologia i medycyna, przemysł, monitoring i ochrona środowiska, bezpieczeństwo. Sesje tematyczne sympozjum rozdzielono w dwie główne grupy zagadnień: teoria laserów, symulacje i analizy, materiały laserowe, technologie, konstrukcje i rozwój laserów, oraz zastosowania laserów z dwóch punktów widzenia – przez konstruktorów laserów i operatorów a głównie przez użytkowników laserów.

Grafen i inne materiały laserowe 

Grafen, odmiana alotropowa węgla, tworzy obecnie, choć nie bez znacznych trudności, własną drogę zastosowań w elektronice i fotonice. Tutaj interesują nas właściwości optyczne grafenu dla zastosowań w optoelektronice, do budowy elementów fonicznych, komunikacji optycznej, techniki laserowej oraz fotonicznych układów zintegrowanych. Grafem wykazuje nasycalną absorpcję pod wpływem silnego pobudzenia w zakresie światła widzialnego i podczerwieni. To zjawisko jest wykorzystane do sprzęgania modów w laserach światłowodowych, poprzez zastosowanie grafenowego absorbera nasycalnego. Ultraszybka odpowiedź warstwy grafenowej, wbudowanej w światłowód, jest przestrajana elektrycznie. Gigantyczna wartość nieliniowego współczynnika Kerra grafemu jest przedmiotem badań stosowanych.

Grafem jest testowany jako medium do budowy komponentów fotonicznych do propagacji solionów. Oddziaływanie grafenu z falą EM jest wyjątkowo silne, co inicjuje liczne badania stosowane nad ultraczułymi czujnikami bazującymi na grafenie sprzężonym ze światłowodem. Czujniki takie są badane w kierunku detekcji śladowych ilości gazów oraz dynamiki próżni. Grafenowe kropki kwantowe o wymiarach poniżej 100 nm są badane w celu budowy nowych elementów optoelektronicznych. Również ostatnio zainteresowanie wzbudził krzemowy analog grafemu, nazwany silicenem – także będący alotropową odmianą krzemu. Silicen jest produkowany, odmiennie od grafemu, z pomocą rozpylania laserowego materiału oraz wykorzystania zjawiska i techniki samoorganizacji pojedynczych atomów. Nowy alotrop krzemu jest przedmiotem zainteresowania także techniki laserowej. Prace nad zastosowaniami grafenu w technice laserowej są prowadzone na Politechnice Śląskiej (prof. T. Pustelny), Politechnice Wrocławskiej (prof. K. Abramski), w ITME (prof. J. Baranowski, prof. Z. Jankiewicz) oraz w kilku innych miejscach.

Grafen jest dwuwymiarową płaszczyzną jednej warstwy zorganizowanych atomów. Krystaliczna struktura grafenu wynika z wiązań kowalentnych pomiędzy atomami C w hybrydyzacji sp2. Hybrydyzacja ta daje silne i krótkie wiązania w płaszczyźnie grafenu. Wiązania te są odpowiedzialne za dobre mechaniczne właściwości grafenu. Oprócz wiązań s, grafem posiada rezonansowe wiązania p, wynikające z orbitali p prostopadłych do płaszczyzny grafenu. Wiązania p są odpowiedzialne za strukturę elektronową grafenu, określającą jego właściwości elektryczne i optyczne. Pasma walencyjne i przewodnictwa, które są określone przez elektrony p, są zdegenerowane w K punktach sfery Brillouina, rezultatem czego jest zerowa szerokość przerwy energetycznej. Przejścia optyczne pomiędzy pasmami energetycznymi są proste. Istnieje liniowa zależność pomiędzy energią elektronów i dziur od wartości ich wektora falowego. Elektrony i dziury zachowują się w grafenie w sposób relatywistyczny. W rezultacie szczególną charakterystyką grafenu jest niezależność absorpcji od długości fali. Absorpcja jest stała od zakresu fal widzialnych do fal THz. Grafem jest używany jako nasycalny absorber w laserach z samosynchronizacją modów. Przewiduje się jego zastosowania jako matrycy aktywnej w kwantowych generatorach THz.

Zintegrowane układy fotoniczne 

Główny wysiłek badawczy nad zintegrowanymi układami fotonicznymi (będącymi analogami układów scalonych VLSI) jest skoncentrowany wokół systemów telekomunikacji światłowodowej. Także zainteresowania budzą ostatnio zastosowania biomedyczne oraz fotonika obliczeniowa. Testowanych jest wiele architektur fotonicznych układów scalonych (PIC – Photonic Integrated Circuit), takich jak: AWG – matrycowych siatek falowodowych (Arrayed Waveguide Greting), DFBLD/EAM – dioda laserowa z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym zintegrowana z modulatorem elektro-absorpcyjnym, i wiele innych bardziej i mniej skomplikowanych. Układy scalone typu PIC wymagają użycia różnych materiałów, w odróżnieniu od układów typu VLSI IC.

W rezultacie prowadzone są badania nad integracją różnych materiałów w jednym układzie. Badania obejmują wybór materiałów i optymalizację architektury układu pod względem funkcjonalności. Badania nad układami PIC wykonanymi na podłożu InP przewidują możliwość uproszczenia projektu systemu scalonego, redukcję poboru mocy oraz zmniejszenie objętości, zwiększenie niezawodności oraz maksymalizację funkcjonalności, poszerzenie elastyczności usług, uproszczenie operacji sieciowych oraz obniżkę kosztów. Jak dotąd, praktyczne zastosowania układów PIC są bardzo skromne. Przewiduje się, że intensywne badania aplikacyjne mają zmienić tą sytuację. Potencjalne zastosowania układów PIC są bardzo szerokie. Jak dotąd rozwiązania są ograniczone np. do łączenia źródła z modulatorem oraz detektora z demultiplekserem.

Znacznie bardziej skomplikowane architektury zawierają nie tylko bierną dystrybucję sygnału, na przykład dla celów detekcji kwadraturowej, ale również optyczny/fotoniczny komputing. Dodatek całkowicie optycznego w pełni cyfrowego i szeroko funkcjonalnego procesora sygnałowego na pokładzie PIC, wykonującego takie funkcje jak: operacje matematyczne, optyczną transformatę Fouriera wprost i odwrotną, posiada znaczny potencjał przyspieszenia obliczeń DSP nawet o wiele rzędów wielkości. Powodem przyspieszenia jest inherentnie równoległe przetwarzanie sygnału obrazowego w dziedzinie optyki. Wiele sygnałów szeregowych skorelowanych można przedstawić w postaci obrazu lub w postaci macierzowej. Prace teoretyczne i eksperymentalne nad zintegrowanymi układami fotonicznymi są prowadzone w IMIO PW (R. Piramidowicz, P. Szczepański, M. Malinowski).

Układy typu PIC na obecnym początkowym etapie rozwoju (coś w rodzaju analogu do wczesnego etapu LSI klasycznych układów scalonych IC) składają się z wielu optycznych komponentów biernych i nawet kilku elementów aktywnych. Są zintegrowane na wspólnym, najczęściej półprzewodnikowym, podłożu. Tendencje rozwojowe idą w kierunku zwiększenia ilości indywidualnych elementów zintegrowanych w pojedynczym układzie. Obecnie liczba elementów zintegrowanych jedynie bardzo rzadko zbliża się do 100. Rekordowy układ eksperymentalny zawiera takich elementów kilkaset. Kilka takich układów połączonych w subsystem funkcjonalny pozwala już na budowę bardziej złożonych urządzeń fotonicznych. Zalety integracji fotonicznej są oczywiste: miniaturyzacja, mniejsze zużycie materiału i energii, odporność na środowisko, łatwiejsza standaryzacja, pewność nominalnych parametrów pracy, obniżenie kosztów, zwiększona funkcjonalność oraz efektywność. Prowadzone prace badawcze są ukierunkowane nie tylko na nowe efektywne architektury ale także na uogólniony i uniwersalny opis tych architektur istniejących obecnie i planowanych w nieodległej przyszłości.

Zjawiska i procesy ultraszybkie i ultrakrótkie 

Technika laserowa odgrywa kluczową rolę w nauce o zjawiskach ultraszybkich i ultrakrótkich, odbywających się zazwyczaj w skali nano. Zjawiska takie, które są obecnie przedmiotem badań, zachodzą w skali czasu w przedziale od pikosekund do attosekund. Ultrakrótkie impulsy laserowe są podstawowym narzędziem do studiowania fundamentalnych mechanizmów w tej skali czasowej dotyczących np. oddziaływania promieniowania z materią. Specjalnie interesujące są ultraszybkie oddziaływania i procesy w nowych materiałach – tzw. ultraszybka inżynieria materiałowa, ale także ultraszybki nanomagnetyzm, dynamika atomowa i molekularna, indukowane światłem reakcje chemiczne, obrazowanie biomolekularne w nanoskali itp.

Badania procesów ultraszybkich są nierozłącznie związane z laserami krótkofalowymi o dużych natężeniach impulsów. Impulsy attosekundowe są tworzone z zastosowaniem techniki generacji wysokich harmonicznych HHG oraz wykorzystania dynamiki w skali czasowej subokresowej, poniżej pojedynczego okresu fali optycznej. Attosekundy w skali czasowej są z kolei związane z femtometrami w skali wymiaru geometrycznego. Femtometry w przestrzeni i attosekundy w czasie, w połączeniu z optycznymi zegarami atomowymi, ustanawiają bardzo dokładne ramy odniesienia dla fazy, czasu i częstotliwości. Takie ramy odniesienia pozwalają na obserwacje i zapis chemicznych procesów wewnątrzmolekularnych, o znacznej dokładności czasowej i przestrzennej. Zbliżają się obecnie do skali obserwacyjnej procesów wewnątrzatomowych.