TWOJA PRZEGLĄDARKA JEST NIEAKTUALNA.
Wykryliśmy, że używasz nieaktualnej przeglądarki, przez co nasz serwis może dla Ciebie działać niepoprawnie. Zalecamy aktualizację lub przejście na inną przeglądarkę.
Jak wygenerować impuls laserowy o długości równej pojedynczej oscylacji pola elektromagnetycznego? Czy możliwa jest kontrola przebiegu tak krótkiego impulsu? Współautorami publikacji odpowiadającej na te pytania są naukowcy z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów PWr. Wyniki ich badań zostały właśnie opisane w „Nature Photonics”.
Artykuł „Single-cycle infrared waveform control” powstał na podstawie wspólnych badań przeprowadzonych przez międzynarodowy zespół naukowców z węgierskiego instytutu CMF (Center for Molecular Fingerprinting), monachijskigo Uniwersytetu Ludwika i Maksymiliana oraz Instytutu Max Plancka Optyki Kwantowej w Garching we współpracy z chińskim uniwersytetm Huazhong w Wuhan oraz naukowcami z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów Politechniki Wrocławskiej. Trzema głównymi autorami są: dr Maciej Kowalczyk z Politechniki Wrocławskiej oraz dr Philipp Steinleitner i dr Nathalie Nagl.
Polsko-niemiecka współpraca
Generacja i kontrola ultrakrótkich impulsów laserowych o długości pojedynczych oscylacji pola elektromagnetycznego – często nazywana syntezą laserową – została do tej pory zrealizowana jedynie w zakresie spektralnym światła widzialnego i bliskiej podczerwieni (długość fali poniżej ok. 1 μm).
Na przełomie lat 90 i dwutysięcznych naukowcy rozwijali lasery tytanowo-szafirowe, które generują impulsy laserowe o długości pojedynczych femtosekund (1 fs = 10-15 s). Źródła laserowe tego typu zrewolucjonizowały dziedzinę nauki obejmującą badania nad fundamentalnymi oddziaływaniami między światłem a materią na poziomie atomowym. Jednym z przełomowych odkryć, zrealizowanych dzięki tej technologii, była generacja pierwszych w historii attosekundowych impulsów laserowych (1 as = 10-18 s), przeprowadzona w grupie badawczej prof. Ferenca Krausza (laureata tegorocznej Nagrody Wolfa).
Do grupy badawczej Attoworld (zlokalizowanej w naukowym centrum badawczym w Garching-Monachium i prowadzonej przez tego wybitnego naukowca), w sierpniu 2020 r. dołączył dr Maciej Kowalczyk. Badacz w 2019 r. na dawnym Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej obronił pracę doktorską napisaną pod kierunkiem dr. hab. inż. Jarosława Sotora. Zainicjowana wtedy współpraca naukowa pomiędzy obiema grupami badawczymi doprowadziła do uzyskania wyników, które właśnie opublikowano w prestiżowym czasopiśmie.
Technologie laserowe nowej generacji
W grupie prof. Krausza dr Maciej Kowalczyk zajął się rozwojem technologii laserowej nowej generacji, która w przyszłości może stać się odpowiednikiem ultraszybkich laserów tytanowo-szafirowych dla pasma średniej podczerwieni. Lasery, nad którymi pracują naukowcy, bazują na ośrodkach aktywnych domieszkowanych jonami chromu.
- Skupiliśmy się na generacji jak najkrótszych impulsów i po raz pierwszy na świecie zaprezentowaliśmy chromowy układ laserowy wytwarzający impulsy o czasie trwania zaledwie 7 fs – wyjaśnia dr Maciej Kowalczyk z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów. – Kolejnym pionierskim aspektem naszych eksperymentów była pierwsza demonstracja stabilizacji fazowej, tak aby oscylacje pola elektrycznego każdego ultrakrótkiego impulsu przyjmowały dokładnie ten sam przebieg. Jest to kluczowy krok w kierunku laserowej syntezy, ponieważ aby mieć kontrolę nad ewolucją fali elektromagnetycznej, najpierw trzeba wyeliminować jej przypadkowe zaburzenia - wyjaśnia dr Kowalczyk.
Dr Maciej Kowalczyk z PWr w Laboratory for Extreme Photonics na Ludwig Maximilian University of Munich (fot. Thorsten Naeser)
Realizacja tego drugiego pionierskiego osiągniecia była możliwa dzięki wykorzystaniu - opracowanej na Politechnice Wrocławskiej - elektroniki sterującej o ultraniskich szumach własnych. – Wykorzystanie tych sterowników pozwoliło na 10-cio krotne zmniejszenie szumów fazowych opracowanego lasera, co jest kluczowe dla docelowej aplikacji tych źródeł jaką jest spektroskopia krwi – tłumaczy dr hab. inż. Jarosław Sotor z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów.
Opracowali je doktoranci, wybitni elektronicy Arkadiusz Hudzikowski i Aleksander Głuszka pod promotorską opieką dr. hab. Jarosława Sotora z Grupy Elektroniki Laserowej i Światłowodowej, działającej w Katedrze Teorii Pola, Układów Elektronicznych i Optoelektronki na Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów.
Synteza laserowa w paśmie średniej podczerwieni
Grafika autorstwa Dennisa Luck'a i Alexandra Gelina.
Wyniki badań nad laserami chromowymi były imponujące, ale jeszcze bardziej ekscytujące okazały się być ich zastosowania.
– Naszym celem była pierwsza na świecie demonstracja laserowej syntezy w średniej podczerwieni. W tym celu wykorzystaliśmy proces kaskadowego mieszania częstotliwości w nieliniowym krysztale ZnGeP2 (fosforan germanu cynku). To pozwoliło nam na generację impulsów w paśmie obejmującym niemal 4 optyczne oktawy: od 0.9 aż do 12 μm – opowiada dr Maciej Kowalczyk. – Ultrakrótkie impulsy składają się z pojedynczej oscylacji pola elektromagnetycznego, którego przebieg możemy swobodnie kontrolować poprzez modyfikację fazy naszego stabilizowanego lasera chromowego.
Oprócz fundamentalnego znaczenia dla badań podstawowych to źródło laserowe może zostać także wykorzystane do budowy urządzeń elektronicznych nowej generacji, w których ruch elektronów jest sterowany światłem. Umożliwi to przeprowadzanie poszczególnych operacji z sub-femtosekundową rozdzielczością czasową, pozwalając w przyszłości na projektowanie elektroniki o petahercowym taktowaniu.
– Innym rozwiązaniem, nad którym w głównej mierze skupia się nasz zespół w Garching, są zastosowania w biomedycynie – dodaje dr Kowalczyk.
Opisane eksperymenty, w połączeniu z nowatorskimi technikami spektroskopowymi, umożliwią badania ludzkiej krwi o precyzji niedostępnej przy użyciu innych metod. Cel jest jeden – jak najwcześniejsze wykrywanie chorób nowotworowych. Dr Maciej Kowalczyk: – Mamy nadzieję, że nasze odkrycia w fizyce laserów doprowadzą w przyszłości do przełomu w opiece zdrowotnej.
Dalsza perspektywa
Współpraca naukowców z W12N z badaczami z grupy Attoworld nabiera tempa. W planach są kolejne publikacje naukowe, a jesienią tego roku ma się zacząć rozbudowa politechnicznych laboratoriów ze wsparciem infrastrukturalnym strony niemieckiej.
Pod kierunkiem dr. Macieja Kowalczyka będą prowadzone dalsze badania nad rozwojem tego typu źródeł laserowych, ze szczególnym uwzględnieniem ich praktycznych zastosowań.
– Potencjał planowanych wspólnie eksperymentów jest ogromny i można go będzie zrealizować dzięki pracy zespołu młodych osób o uzupełniających się kompetencjach z zakresu: fizyki, fotoniki i elektroniki. Jestem przekonany, że to dopiero początek fascynującego ciągu eksperymentów – mówi dr hab. inż. Jarosław Sotor.
Realizacja układów sterowania była możliwa dzięki wykorzystaniu aparatury kontrolno-pomiarowej dostępnej na Politechnice Wrocławskiej dzięki realizacji projektu inwestycyjnego „NLPQT – Narodowe Laboratorium Fotoniki i Technologii Kwantowych”.
