Przełomowy eksperyment w laboratorium Politechniki Wrocławskiej opisany w „Nature Photonics”

Wroclife • 2024-08-20 Przełomowy eksperyment w laboratorium Politechniki Wrocławskiej opisany w „Nature Photonics”

Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej pracują nad optymalizacją działania laserów. Wyniki swojego eksperymentu opublikowali właśnie w czasopiśmie „Nature Photonics”, dają one zupełnie nowe spojrzenie na zasady działania laserów półprzewodnikowych.

Nad projektem „Kondensacja Bosego-Einsteina fotonów w laserze o pionową wnęką rezonansową z emisją powierzchniową” pracuje dr hab. inż. Maciej Pieczarka z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki, który wykonał swój przełomowy eksperyment w laboratoriach Politechniki Wrocławskiej wspólnie z doktorantką Aleksandrą Piasecką. Zaś praca naukowa dla „Nature Photonics” powstała we współpracy wrocławskich naukowców z naukowcami w dziedzinie fizyki laserowej z Zespołu Fotoniki Instytutu Fizyki Politechniki Łódzkiej: prof. Tomaszem Czyszanowskim, dr. Marcinem Gębskim i dr. hab. Michałem Wasiakiem. Wsparcia teoretycznego naukowcom z Politechniki Wrocławskiej udzielił uznany fizyk prof. Axel Pelster z RPTU Kaiserslautern.

Odkrycie dokonane przez wrocławskich naukowców może spowodować przełom w dziedzinie wykorzystania laserów. – Swoje badania przeprowadziliśmy na urządzeniu praktycznie nieróżniącym się od tych stosowanych obecnie w przemyśle, np. w smartfonach, w telekomunikacji itd. Obserwacja kondensacji Bosego-Einsteina światła w takim urządzeniu jest kompletnie nowym spojrzeniem na zasady działania laserów półprzewodnikowych – mówi dr Maciej Pieczarka.

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. Naukowcy z PWr 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 Pieczarka. – W tych warunkach spontaniczna emisja i absorpcja w laserze spowodowała, że fotony w nim uwięzione „stermalizowały”, czyli zachowywały się jak gaz o zadanej temperaturze, który uwięziony jest w pudełku – dodaje.

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. W tym przypadku jednak mechanizm działania jest jednak całkowicie inny – kontynuuje naukowiec.

Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej zbadali też właściwości termodynamiczne gazu fotonowego.

Zweryfikowaliśmy, że fotony w naszym laserze zachowują się dokładnie tak, jak podręcznikowy gaz bozonów z dobrze określoną temperaturą. Zmierzyliśmy parametry tzw. równania stanu gazu, potwierdzając zgodność z fundamentalną teorią – mówi Aleksandra Piasecka z W11.

Jakie zmiany może spowodować to odkrycie? 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, bo lasery VCSEL o dużej aperturze aktywnej (laser z PWr miał aperturę 23 mikrometrów) są znane z tego, że emitują wielomodowo. 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.

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.

Najpopularniejsze

Dodatkowa rekrutacja na Politechnice Wrocławskiej. Są jeszcze wolne miejsca na studiach

Dodatkowa rekrutacja na Politechnice Wrocławskiej. Są jeszcze wolne miejsca na studiach

Politechnika Wrocławska prowadzi dodatkową rekrutację na studia I stopnia. Kandydaci mogą wybierać spośród około 40 kierunków we Wrocławiu oraz w filiach uczelni w Legnicy, Wałbrzychu i Jeleniej Górze.
przeczytaj więcej
Około 400 osób na wieczornym Nightskatingu. Rolkarze przejechali ulicami Wrocławia

Około 400 osób na wieczornym Nightskatingu. Rolkarze przejechali ulicami Wrocławia

Około 400 uczestników wzięło udział w piątkowym Nightskatingu we Wrocławiu. Miłośnicy rolek, wrotek i longboardów pokonali wieczorem trasę prowadzącą przez główne ulice miasta, rozpoczynając i kończąc przejazd przy Narodowym Forum Muzyki.
przeczytaj więcej
Kino plenerowe wraca na Partynice. W weekend dwa bezpłatne seanse pod chmurką

Kino plenerowe wraca na Partynice. W weekend dwa bezpłatne seanse pod chmurką

W najbliższy weekend, 25 i 26 lipca, Wrocławski Tor Wyścigów Konnych – Partynice ponownie zamieni się w plenerowe kino. Tym razem pokazy odbędą się na Padoku Zielonym, gdzie będzie można bezpłatnie obejrzeć filmy „Drama” i „Wielka Warszawska”.
przeczytaj więcej
We Wrocławiu powstaje Uniwersyteckie Centrum Neurologii i Neurochirurgii. „Ekstraklasa w leczeniu udarów”

We Wrocławiu powstaje Uniwersyteckie Centrum Neurologii i Neurochirurgii. „Ekstraklasa w leczeniu udarów”

Według lekarzy to ma być oddział aspirujący do „europejskiej ekstraklasy w leczeniu udarów”. Mowa o Uniwersyteckim Centrum Neurologii i Neurochirurgii, które zostało zawiązane w Uniwersyteckim Szpitalu Klinicznym przy ul. Borowskiej. To kolejne działanie w ramach projektu RozwijaMY, który ma poprawić jakość leczenia pacjentów z regionu.
przeczytaj więcej