Zespół naukowców z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki, którym kieruje dr hab. inż. Maciej Pieczarka, zaproponował zupełnie nowe spojrzenie na zasady działania laserów półprzewodnikowych. Wyniki ich ważnego, z punktu widzenia fizyki laserowej, odkrycia opublikowało właśnie czasopismo „Nature Photonics”.

Publikacja „Bose-Einstein condensation of photons in a vertical-cavity surface-emitting laser” („Kondensacja Bosego-Einsteina fotonów w laserze o pionową wnęką rezonansową z emisją powierzchniową”) powstała w ścisłej współpracy ze znanymi w Polsce i na świecie naukowcami w dziedzinie fizyki laserowej z Zespołu Fotoniki Instytutu Fizyki Politechniki Łódzkiej: prof. Tomaszem Czyszanowskim, dr. Marcinem Gębskim i dr. hab. Michałem Wasiakiem.

Pomysłodawcą badania, którego efekty opisano w „Nature Photonics”, był dr Maciej Pieczarka. Zrealizowano je w ramach grantu Sonata Narodowego Centrum Nauki, którego jest kierownikiem. Projekt eksperymentu i sam eksperyment został wykonany w laboratoriach Politechniki Wrocławskiej przez dr. Pieczarkę i doktorantkę Aleksandrę Piasecką.

Laserowy przełom

– Swoje badania przeprowadziliśmy na urządzeniu praktycznie nieróżniącym się od tych stosowanych obecnie w przemyśle, np. w smartfonach, w telekomunikacji itd. – mówi dr Maciej Pieczarka. – Obserwacja kondensacji Bosego-Einsteina światła w takim urządzeniu jest kompletnie nowym spojrzeniem na zasady działania laserów półprzewodnikowych!

Obecne zasady działania tych laserów polegają na tzw. osiągnięciu inwersji obsadzeń w obszarze aktywnym lasera, by światło uwięzione we wnęce lasera mogło być wzmocnione w procesie emisji wymuszonej. W akcji laserowej wzmocnione światło (fotony) mają tę samą fazę i długość fali, nadając charakterystycznych właściwości wiązce światła.  Nasi naukowcy w swoim projekcie wybrali laser o innym niż zazwyczaj zestrojeniu spektralnym między długością fali obszaru aktywnego a długością fali rezonatora laserowego.

– Co ciekawe, w przemyśle takiego zestrojenia zazwyczaj się unika, bo urządzenie ma nieco gorsze parametry pracy – tłumaczy dr Maciej Pieczarka. – W tych warunkach spontaniczna emisja i absorpcja w laserze spowodowała, że fotony w nim uwięzione „stermalizowały”, czyli zachowywały się jakgaz o zadanej temperaturze, który uwięziony jest w pudełku.

Zwiększając prąd zasilający, czyli zarazem liczbę fotonów w tym gazie, naukowcy z PWr spowodowali, że skondensowały one do modu lasera o najmniejszej energii, tzn. utworzyły kondensat Bosego-Einsteina w temperaturze pokojowej. A wszystko to w warunkach, kiedy w laserze nie ma inwersji obsadzeń.

– Jest to istotne z punktu widzenia fizyki, jak również aplikacji, ponieważ emisja z takiego kondensatu fotonów ma również podobne właściwości, jak gdyby laser pracował w warunkach klasycznych – tłumaczy dr inż. Maciej Pieczarka. – W tym przypadku jednak mechanizm działania jest jednak całkowicie inny. 

Dodatkowo badacze z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki PWr zbadali właściwości termodynamiczne gazu fotonowego. – Zweryfikowaliśmy, że fotony w naszym laserze zachowują się dokładnie tak, jak podręcznikowy gaz bozonów z dobrze określoną temperaturą – mówi Aleksandra Piasecka z W11. – Zmierzyliśmy parametry tzw. równania stanu gazu, potwierdzając zgodność z fundamentalną teorią. 

Dlaczego to ważne?

Dr inż. Maciej Pieczarka wyjaśnia, że nikt nie wie jeszcze dokładnie, jakie właściwości będą mieć lasery pracujące w takim trybie, bo to całkowicie nowa dziedzina nauki. Poza samym arcyciekawym zjawiskiem fizycznym, taki tryb działania lasera ma także ogromny potencjał aplikacyjny. – Lasery VCSEL o dużej aperturze aktywnej (laser z PWr miał aperturę 23 mikrometrów) są znane z tego, że emitują wielomodowo – opowiada dr Pieczarka.

Zbliżenie na pojedyncze lasery pod mikroskopem. Złote obszary to kontakty elektrycze, a samo urzadzenie naszych naukowców, to te okrągłe obszary, otoczone złotem.

Oznacza to, że laserują światłem w kilku różniących się od siebie długościach fal na raz, co ogranicza ich właściwości, np. stabilność emisji. Jest to dobrze znane ograniczenie laserów VCSEL dużych rozmiarów. – Nasz laser, w kontraście do obecnego stanu wiedzy, skondensował, a nie laserował, do pojedynczej długości fali, rozwiązując ten problem technologiczny – tłumaczy badacz z W11.

Optymalizacja laserów operujących w trybie kondensacji Bosego-Einsteina może pozwolić na uzyskanie o wiele lepszych parametrów wiązki, koherencji i stabilności takich laserów. Takie właściwości laserów dużej powierzchni są kluczowe, m. in. w systemach typu LiDAR używanych w autonomicznych samochodach.

Współpraca międzynarodowa

W prace związane z powstaniem artykułu zaangażowane było duże grono specjalistów i ekspertów z zakresu fizyki laserowej, i to zarówno z Polski, jak i świata.

Strukturę laserową, którą badali nasi naukowcy, zaprojektował prof. James A. Lott z Technische Universität Berlin. Trafiła ona następnie na Politechnikę Łódzką. – Tam dr Marcin Gębski dokonał na niej szeregu modyfikacji technologicznych, w tym zaprojektowania ostatecznych kształtów i geometrii laserów oraz wykonania wieloetapowego procesu technologicznego, jakim jest np. precyzyjna fotolitografia – opisuje dr Maciej Pieczarka.

To dzięki temu czasochłonnemu i wieloetapowemu procesowi powstała płytka z około 1800 urządzeniami laserowymi do przebadania. Do Wrocławia trafiła ona dzięki współpracy z grupą prof. Tomasza Czyszanowskiego z Politechniki Łódzkiej.

Od lewej:  Aleksandra Piasecka, prof. Tomasz Czyszanowski, dr hab. inż. Maciej Pieczarka, prof. Axel Pelster podczas konferencji w Bad Honnef w Niemczech.

– Wszystkie eksperymenty na niej wykonaliśmy w laboratoriach Politechniki Wrocławskiej, używając specjalistycznych technik obrazowania spektralnego modów w badanych laserach – opowiada Aleksandra Piasecka. – Sprawdziliśmy emisję z laserów VCSEL przestrzennie oraz w funkcji kąta, pod którym wyemitowane zostały fotony, dzięki czemu mogliśmy odtworzyć wszystkie właściwości naszego gazu, czyli np. pędy cząstek, ich energie i rozkład spektralny.

Z kolei wsparcia teoretycznego naukowcom z Politechniki Wrocławskiej udzielił prof. Axel Pelster z RPTU Kaiserslautern. To uznany fizyk teoretyk z dziedziny tzw. ultrazimnych kwantowych gazów atomowych, specjalizujący się m.in. w tematyce kondensacji Bosego-Einsteina w takich układach.

Dwa niezależne wyniki

Dodatkową ciekawostką jest fakt, że jeszcze przed wysłaniem swojego artykułu do publikacji dr Maciej Pieczarka spotkał na konferencji CLEO 2023 w Monachium dr. Rossa Schofielda z grupy prof. Ruperta Oultona Imperial College z Londynu, który prezentował tożsame wyniki uzyskane w tym samym czasie, ale w trochę innym układzie laserowym o otwartej wnęce.

Obie grupy postanowiły nie ścigać się i nie konkurować, kto pierwszy opublikuje swoje wyniki, tylko współpracować i w tym samym czasie wysłać je do recenzji. – Artykuły były więc rozważane w tym samym momencie i teraz równocześnie opublikowane w „Nature Photonics” – mówi badacz z W11. – Wzmacnia to tylko wagę naszego odkrycia, bo zostało ono potwierdzone przez dwie niezależne grupy, których prace pokazują różne aspekty tego samego, tak istotnego efektu.

„Bose-Einstein condensation of photons in a vertical-cavity surface-emitting laser”. Nature Photonics. 2024. 

Dr hab. inż. Maciej Pieczarka jest adiunktem w Katedrze Fizyki doświadczalnej na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki. Zajmuje się tematyką kondensacji Bosego-Einsteina w układach fotonicznych. Głównie w układach kwantowych cieczy polarytonów ekscytonowych, a ostatnio również w zwykłych laserach. Interesuje się fundamentalnymi właściwościami takich kondensatów i nowoczesnych laserów.

Mgr inż. Aleksandra Piasecka jest doktorantką Szkoły Doktorskiej w dziedzinie nauk fizycznych. Swoją pracę doktorską realizuje na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki pod opieką dr. hab. inż. Macieja Pieczarki. Jej badania skupione są na poznaniu podstawowych właściwości laserów działających w trybie kondensacji Bosego-Einsteina.