Naukowcy z W11 pracują nad optymalizacją obszarów aktywnych laserów przeznaczonych do pracy w średniej podczerwieni. Fale z tego zakresu spektralnego pomagają nam już m.in. w ochronie środowiska – poprzez monitoring niebezpiecznych substancji oraz w diagnostyce medycznej – dzięki optycznej analizie składu wydychanego powietrza, a to dopiero początek szerokiej gamy ich zastosowań

Badania te są prowadzone w Laboratorium Optycznej Spektroskopii Nanostruktur (LOSN), kierowanym przez prof.  Jana Misiewicza. Za ich realizację odpowiada dr Marcin Motyka, który od kilku lat zajmuje się tematyką procesów optycznych w półprzewodnikach i półprzewodnikowych układach niskowymiarowych, przeznaczonych do zastosowań w średniej i dalekiej podczerwieni. Za swoje osiągnięcia naukowe na początku tego roku został uhonorowany nagrodą „Iuvenes Wratislaviae” przyznawaną przez wrocławski oddział Polskiej Akademii Nauk.

Naukowcy z LOSN, we współpracy z Uniwersytetem w Würzburgu i z takimi firmami jak Nanoplus, Simens i Airoptic, od 10 lat realizują badania w ramach europejskich projektów badawczych. Ich efektem było stworzenie m.in. optycznych czujników gazów takich jak metan czy formaldehyd (składnik np. lakierów do włosów), uznany przez Światową Organizację Zdrowia za substancję o działaniu rakotwórczym.

Aktualnie w laboratorium trwa też projekt iCspec, którego uczestnicy chcą stworzyć laser dla rafinerii generujących prąd elektryczny poprzez spalanie odpowiedniej mieszaniny węglowodorów. Dzięki optycznej detekcji będzie możliwe analizowanie w czasie rzeczywistym składu mieszaniny tych gazów i poprawa efektywności procesu spalania.

A to tylko niewielka część badań dotyczących zastosowań takich laserów. Na całym świecie badacze pracują też nad rozwijaniem wykorzystywania optycznej detekcji w diagnostyce medycznej. Chodzi o wykrywanie w oddechu określonych substancji, których występowanie w wydychanym powietrzu mogłyby świadczyć o tym, że pacjent cierpi na jakieś schorzenie.

1,4 mln zł na duży projekt badawczy

Dr Motyka w swoich badaniach postanowił skupić się na promieniowaniu z zakresu 3-10 mikrometrów, m.in. ze względu na rosnące zapotrzebowanie na lasery emitujące fale właśnie z tego zakresu. Są potrzebne np. do wykrywania obecności wielu szkodliwych substancji jak tlenki azotu czy większość węglowodorów.

Aktualne badania dr. Motyki są możliwe dzięki grantowi z Narodowego Centrum Nauki, które przeznaczyło na nie prawie 1,4 mln zł w ramach programu Opus 8. W projekcie tym naukowiec wspólnie z kolegami z laboratorium przeprowadzi badania struktury poziomów energetycznych dla półprzewodnikowych układów niskowymiarowych. Są one  przeznaczone do emisji lub detekcji promieniowania z zakresu 3-8 mikrometrów (czyli w średniej podczerwieni). Dzięki temu projektowi zostanie także uruchomione stanowisko pomiarowe do badania dynamiki ładunku w wymienionych strukturach.

- Do takich badań w laboratorium wykorzystuje się zwykle spektroskopię modulacyjną, która  nie sprawdza się w badaniach średniej podczerwieni. Trudności te wynikają m.in. z mniejszej czułości spektralnej detektorów. Pozwala je przezwyciężyć stanowisko pomiarowe wykorzystujące próżniowy spektrometr Fourierowski, które uruchomiliśmy w 2008r. Od tej pory jako jedna z nielicznych grup badawczych na świecie możemy efektywnie prowadzić pomiary spektroskopowe w tym zakresie spektralnym.

Detektor nadprzewodzący

W projekcie bardzo istotne jest także poznanie procesów dynamiki nośników ładunków w badanych półprzewodnikowych strukturach niskowymiarowych. – Skupimy się na wyznaczeniu wpływu różnych modyfikacji w obszarze aktywnym na czasy życia nośników, czyli informacjach, które  pomogą nam w dalszej optymalizacji profili studni kwantowych i konsekwentnej poprawie parametrów pracy laserów – tłumaczy kierownik projektu.

Wykonanie tego typu badań jest stosunkowo łatwe w przypadku ich realizacji w zakresie widzialnym lub w bliskiej podczerwieni. Wykorzystuje się wówczas kamery smugowe sprzężone z monochromatorami siatkowymi, co umożliwia pomiary dynamiki w zakresie fal krótszych niż 1600 nanometrów ze stosunkowo dużą rozdzielczością czasową ok. 10 pikosekund. Nie ma natomiast kamer, które byłyby w stanie zarejestrować dynamikę nośników w strukturach przeznaczonych do pracy zakresie średniej podczerwieni.

 – Aby tego dokonać, trzeba posłużyć się znacznie bardziej zaawansowanymi eksperymentami w domenie czasowej wymagającymi np. umiejętności mieszania wiązek laserowych o różnych długościach fali czy konwertowania promieniowania za pomocą odpowiednich kryształów – wyjaśnia dr Motyka. – W naszym projekcie wykorzystamy jeszcze inne podejście eksperymentalne. Firma Scontel skonstruowała dla nas dwa detektory nadprzewodzące, które nam na to pozwolą. Pierwszy będzie pracował w systemie zliczania pojedynczych fotonów z rozdzielczością czasową 50ps w zakresie fal krótszych niż 2,5mikrometra. Padający na detektor foton wyprowadza detektor ze stanu nadprzewodnictwa, zmieniając jego opór i pozwalając na rejestrację takiego zdarzenia. Analizując statystykę padających na detektor fotonów w funkcji czasu po wzbudzeniu laserowym, można otrzymać informację o czasach życia nośników w badanych strukturach półprzewodnikowych. Drugi detektor będzie pracował z nieco mniejszą rozdzielczością czasową ok. 100 pikosekund, ale w znacznie szerszym zakresie spektralnym (2-10 mikrometra).

Naukowcy mają już za sobą kilka miesięcy badań struktury poziomów energetycznych nośników ładunków. Obecnie – po instalacji i pierwszych testach detektorów – zaczną  eksperymenty w domenie czasowej, czym będą zajmować się do końca trwania projektu.

– A to tak naprawdę początek – zastrzega dr Motyka. – Ta aparatura otworzy nam nową ścieżkę możliwości badawczych i wzmocni współpracę z wieloma ośrodkami, które zajmują się wytwarzaniem źródeł laserowych na zakres średniej podczerwieni. Obecnie, oprócz Uniwersytetu w Würzburgu, współpracujemy także z Instytutem Technologii Elektronowej w Warszawie, gdzie są wytwarzane kwantowe lasery kaskadowe oraz Instytutem IOFFE z Sankt Petersburga w badaniach, których celem jest  podniesienie temperatury pracy wytwarzanych tam tzw. laserów złączowych.

Dr Motyka podkreśla, że prowadzone  na Politechnice Wrocławskiej projekty wykorzystujące spektroskopię w średniej podczerwieni pozwolą stopniowo rozwiijać parametry pracy laserów i detektorów, a te znajdą wiele zastosowań w nauce i przemyśle.

Na razie jednak wykorzystywanie optycznej detekcji gazów wiąże się wciąż z dużymi kosztami. – Stąd też nie jest ona jeszcze powszechna – zaznacza naukowiec. – To jednak temat przyszłościowy. Z biegiem czasu, podobnie jak w przypadku każdej nowej technologii, ceny będą spadać wraz z wprowadzeniem masowej produkcji takich czujników.

***W maju tego roku na Politechnice Wrocławskiej jest organizowana międzynarodową konferencja MIRSENS 4 poświęcona właśnie tej tematyce.  Szczegóły na stronie internetowej wydarzenia. 

Lucyna Róg