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

Polanica-Zdrój, czyli sztuka kurortowego umiaru

Polanica-Zdrój, czyli sztuka kurortowego umiaru

Umówmy się: Polanica-Zdrój to nie Sopot, nie ma tu rozmachu Krynicy, a widoki nie zapierają tchu w piersiach tak jak w Karkonoszach. I bardzo dobrze. Ta leżąca u stóp Gór Stołowych i Bystrzyckich miejscowość wygrywa właśnie tym, że nie próbuje nikogo oszołomić. W niewymuszony sposób jest kameralna, czysta i spokojna. Bywalcy, którzy zaglądają tu regularnie, doskonale wiedzą, że choć w Polsce znajdziemy miejsca bardziej spektakularne, to Polanica ma w sobie nonszalancję i grację, których trudno szukać gdzie indziej.
przeczytaj więcej
Rozmawialiśmy z Turkami o Dembélé. „Bardzo wartościowe ogniwo zespołu”

Rozmawialiśmy z Turkami o Dembélé. „Bardzo wartościowe ogniwo zespołu”

Śląsk Wrocław wzmocnił swoją kadrę podpisując kontrakt z Malaly Dembele, który ostatnie sezony spędził w Turcji. Skontaktowaliśmy się z dziennikarzami znad Bosforu by zapytać, jakie wrażenie po sobie pozostawił. Oto czego się dowiedzieliśmy.
przeczytaj więcej
Peugeot seria Edition - cena WOW

Peugeot seria Edition - cena WOW

Marka PEUGEOT wprowadziła na polski rynek nowe serie specjalne Edition swoich popularnych modeli PEUGEOT 208 i 2008. Wyróżniają się one nie tylko, typowym dla francuskiej marki spod znaku lwa, odważnym i wyrazistym stylem oraz przyjemnością z jazdy, ale również atrakcyjnym stosunkiem ceny do wartości.
przeczytaj więcej
Mieszkańcy Wrocławia mogą ponownie ubiegać się o najem mieszkania w ramach Społecznej Agencji Najmu

Mieszkańcy Wrocławia mogą ponownie ubiegać się o najem mieszkania w ramach Społecznej Agencji Najmu

Mieszkańcy Wrocławia mają szansę na stabilne i tańsze mieszkania. Urząd Miejski we Wrocławiu oraz Fundacja Inicjowania Rozwoju Społecznego ogłosiły nowy nabór wniosków dla osób chętnych do najmu mieszkań w ramach Społecznej Agencji Najmu (SAN).
przeczytaj więcej