Przyszłość to rozwiązania z wykorzystaniem fotonów – uważa dr inż. Lech Sznitko, który na Wydziale Chemicznym prowadzi badania nad nowym zastosowaniem laserów.

Naukowiec pracuje w Katedrze Inżynierii i Modelowania Materiałów Zaawansowanych Politechniki Wrocławskiej. To właśnie tam realizowane są odważne projekty badawcze wykorzystujące oddziaływanie światła z materiałami organicznymi. Naukowcy badają rozwiązania, które choć brzmią nieco futurystycznie, to w niedalekiej przyszłości mają szansę być realizowane na szeroką skalę.

Laser a DNA

– Lasery powszechnie używane są od kilkudziesięciu lat, ale do tej pory utożsamiane były ze światłem monochromatycznym i spójnym, czyli o ściśle określonym kolorze i kierunku rozchodzenia się – wyjaśnia dr Lech Sznitko. – Jak wiadomo, światło białe to mieszanina wielu kolorów, a stworzenie laserów generujących właśnie taką barwę mogłoby się przyczynić do powstania wielu nowatorskich urządzeń i rozwiązań technologicznych – dodaje naukowiec.

Wyjaśnia, że jednym z nich jest idea telewizji laserowej. – Wyświetlacze laserowe mogą mieć tę przewagę nad klasycznymi, że generowałyby światło intensywniejsze, co pozwoliłoby uzyskać znacznie większą głębię kolorów i obrazy o lepszym kontraście czy rozdzielczości. Coraz bliżej jest też już do przesyłania danych za pomocą systemów oświetleniowych wewnątrz budynków – wylicza dr Sznitko. Dodaje, że u podstaw tych wszystkich wynalazków leżą badania nad zachowaniem się fotonów w połączeniu z różnymi materiałami.

Obecnie w tej kwestii wyraźnie zauważalny jest trend odchodzenia od polimerów syntetycznych, które stosowane są masowo do produkcji tworzyw sztucznych. W laboratoriach pracuje się nad stworzeniem materiałów biodegradowalnych, nietoksycznych i w pełni odnawialnych. Dr Lech Sznitko z taką koncepcją zetknął się już podczas swojej pracy magisterskiej. Wraz z ówczesnym promotorem, prof. Jarosławem Myśliwcem, zaczął badać materiały polimerowe pozyskiwane ze źródeł biologicznych, w tym między innym DNA łososia.

– Okazało się, że DNA świetnie nadaje się do tworzenia warstw polimerowych o bardzo dobrej jakości optycznej. DNA domieszkowane barwnikami luminescencyjnymi może tworzyć ośrodki aktywne dla akcji laserowej – wyjaśnia naukowiec.

Nietypowa akcja laserowa

Zespół badaczy, z którymi pracuje pod okiem prof. Andrzeja Miniewicza, zajmuje się m.in. zjawiskiem randomicznej akcji laserowej. – Jest to taki nietypowy rodzaj akcji laserowej, który powstaje w wyniku istniejącego w materiale nieporządku i związanego z tym rozpraszania światła – wyjaśnia naukowiec. Emisja światła laserowego jest otrzymywana na zasadzie sprzężenia zwrotnego. Oznacza to, że światło przechodząc wielokrotnie przez ośrodek wzmacniający może w znaczący sposób zwiększyć swoją intensywność, czerpiąc energię ze źródeł zewnętrznych. W przypadku randomicznej akcji laserowej wielokrotnie rozproszone wiązki światła wydłużają swój czas pobytu w ośrodku aktywnym, co zapewnia im wzmocnienie intensywności.

Dr Lech Sznitko: – Fotony zachowują się wtedy jak molekuły gazu, czyli ulegają dyfuzji. Nie mogą same ze sobą interferować i w rezultacie otrzymujemy akcję laserową o niekoherentnym charakterze, co stanowi zaprzeczenie klasycznego podejścia do generacji światła laserowego. Może się również zdarzyć, że w wyniku bardzo silnego rozpraszania światło zostanie częściowo uwięzione w pewnym fragmencie przestrzeni. Zamiast ulegać dyfuzji, zacznie poruszać się po zamkniętych pętlach o unikalnym kształcie i rozmiarze, zależnym od charakteru napotkanego nieporządku. To z kolei spowoduje, że emisja laserowa będzie posiadała niepowtarzalne widmo częstości oraz przypadkowy rozkład przestrzenny.

Taka unikatowa charakterystyka emitowanego światła jest w pewnym sensie „odciskiem palca” nieporządku istniejącego w materiale. Może ona znaleźć zastosowanie w tworzeniu różnego rodzaju laserowych zabezpieczeń banknotów czy ważnych dokumentów.

Ciekawym zagadnieniem jest próba stworzenia materiałów łączących cechy laserów randomicznych z cechami typowymi dla laserów klasycznych. Okazuje się, że sprzęgnięcie ze sobą obu typów rozwiązań może powodować polepszenie parametrów akcji laserowej.

Jeden z rodzajów akcji laserowej znany jest już od początku lat 70. ubiegłego wieku pod nazwą laserowania typu DFB. – Naszym zadaniem jest sprawdzenie, co się będzie działo, gdy połączymy obydwa sposoby uzyskania akcji laserowej, tzn. DFB z laserowaniem randomicznym – wyjaśnia dr Sznitko.

Szyfr nie do złamania

Oprócz wyżej wymienionych badań, naukowcy poszukują również  nowych  barwników laserowych – jednym z nich jest pochodna pirazoliny zwana DCNP. – To niesamowicie ciekawy związek, ponieważ w przeciwieństwie do większości barwników wykazuje wzmocnioną fluorescencję przez agregację, czyli łączenie się cząsteczek w większe aglomeraty. Ten efekt daje nam z jednej strony wzmocnienie fluorescencji, a z drugiej wielokrotne rozproszenie światła. A to jest właśnie istotne w budowaniu randomicznej akcji laserowej.

Badania dr. Sznitko mają charakter podstawowy i aplikacyjny. Służą temu, żeby zbadać dane zjawisko i sprawdzić, jakie może mieć ono potencjalne zastosowanie. A okazuje się, że takich możliwości jest wiele: w kodowaniu informacji, w tworzeniu nowoczesnych systemów oświetlenia o bardzo dużym natężeniu czy w przesyłaniu danych metodą Li-Fi – czyli optycznym odpowiednikiem Wi-Fi.

– Wykorzystanie fotonów jako nośników informacji ma dużo większy potencjał, jeżeli chodzi o ilość i szybkość przenoszenia danych niż w przypadku elektronów – podkreśla naukowiec z PWr. Dodaje, że na wielu elektronach jednocześnie nie można wykonywać manipulacji w jednym określonym miejscu, bo będą się one elektrostatycznie odpychać, a poza tym są fermionami i podlegają zakazowi Pauliego. Fotony natomiast to bozony, można je więc dowolnie gromadzić i wykonywać działania na wielu fotonach naraz. Fotony są też dużo szybsze, bo poruszają się z prędkością światła.

Zastosowanie laserów randomicznych ma duży potencjał w kodowaniu informacji czy w tworzeniu bardzo trudnych do złamania zabezpieczeń dokumentów. – Widmo każdego materiału jest unikatowe. Nie tylko widmo emisji, ale też rozkład przestrzenny wiązek laserowych. Nie ma dwóch takich samych przypadków. Dlatego można taki materiał laserowy stosować do różnego rodzaju zabezpieczeń, np. kodowania informacji. Kluczem jest laser, którego charakterystyki emisyjnej nie ma jak podrobić. Jedynie właściwy laserowy kod byłby w stanie odszyfrować wiadomość – opowiada naukowiec z PWr.

Dużo lepsza jakość obrazu

– To, że się „przerzucamy” na fotony, jest rzeczą naturalną i intuicyjną. Elektrony w kontekście przenoszenia danych zostały już znacznie wyeksploatowane, dlatego zastosowanie fotonów to przyszłość ludzkości – dodaje.
Wyjaśnia też, dlaczego do tej pory nie udało się zrealizować idei telewizji laserowej. Lasery dotychczas były wykorzystywane jako koherentne źródła światła. Oznacza to, że fotony mogą ze sobą interferować tworząc różne rozkłady przestrzenne intensywności światła.

– Mówiąc prościej, światło laserowe rozproszone od różnych powierzchni, np. od ściany, na której powierzchni znajdują się mikronierówności, zacznie interferować tworząc obraz wielu plamek, tzw. spekli. Dlatego jeszcze nie powstała telewizja laserowa. Pomimo potencjalnie lepszych parametrów przesyłanego obrazu to ów „szum spekli” przeszkadza w oglądaniu czegokolwiek.

W materiale nieuporządkowanym fotony mogą ulegać dyfuzji dlatego nie tworzą wspomnianych spekli. Powoduje to, że kontrast czy jakość obrazowania może być  dużo lepsza. Właśnie dlatego w naszym laboratorium badamy materiały o takim charakterze. Zachowują się one jak super intensywne źródło światła, ale pozbawione tego niekorzystnego szumu. Dzięki temu jakość odwzorowania obrazu może być dużo lepsza – tłumaczy naukowiec.

Biały laser – to możliwe?

Dr Lech Sznitko pracuje także nad wytworzeniem lasera o białej barwie. Jest to zagadnienie, nad którym naukowcy w różnych ośrodkach badawczych głowią się od wielu lat. Tak naprawdę jeśli myślimy o wykorzystaniu laserów do oświetlenia, na wstępie konieczne jest wytworzenie właśnie „białego” lasera. Dla naszego oka jest to najbardziej uniwersalna barwa światła pozwalająca na dostrzeganie wszystkich detali obserwowanych obiektów, łącznie z ich kolorem.

– Białe światło laserowe ma charakterystykę podobną do konwencjonalnego światła laserowego, jednak wyróżnia się jednoczesną emisją fotonów o energiach odpowiadających kolorom: czerwonemu, zielonemu i niebieskiemu. Takie źródło światła ma dużą gęstość emitowanej energii, a co za tym idzie, większe natężenie. Dlatego takie rozwiązanie świetnie spisałoby się np. w aparaturze do diagnostyki medycznej – mówi dr Lech Sznitko. Dodaje, że obieg ośrodka aktywnego przez światło laserowe jest bardzo szybki. Zastosowanie takiej „laserowej” żarówki może przyczynić się do zrealizowania koncepcji Li-Fi – do błyskawicznego przesyłania danych.

Dr Lech Sznitko za swoje osiągnięcia w dziedzinie nauk technicznych otrzymał Nagrodę Rektora PWr im. Dionizego Smoleńskiego dla młodych naukowców. Grupa, w której realizuje projekty, współpracuje z zagranicznymi ośrodkami badawczymi, m.in. uniwersytetem w Lionie i Angers, a także uczelniami w Pizie i Strasburgu.

ISZ