Superszybkie lasery wykorzystujące grafen - owoc prac polskich naukowców

Polacy potrafią nie tylko wytwarzać bardzo wysokiej jakości grafen, ale również znaleźć dla niego sensowne zastosowania. Jednym z nich są ultra-szybkie impulsowe lasery wykorzystujące grafen, które skonstruowała Grupa Elektroniki Laserowej i Światłowodowej na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej. Medycyna, precyzyjna obróbka materiałów w mikroskali, telekomunikacja mogą zyskać na zastosowaniu takich laserów.

Entuzjazm związany z sukcesami w pracach nad superszybkimi laserami wykorzystującymi grafen sprawił, że pojawiły się doniesienia o szaleństwie na świecie związanym z naszymi laserami. Doktorant Grzegorz Soboń z Politechniki Wrocławskiej tonuje te doniesienia, aczkolwiek zwraca uwagę, że mimo iż sama koncepcja takich laserów z 2009 roku nie jest naszym pomysłem, to niektóre rozwiązania jako pierwsze powstały właśnie w zakamarkach Politechniki Wrocławskiej

Pierwsze doniesienia o grafenie, po ogłoszeniu Nagród Nobla, wiązały się z nadziejami dla branży procesorów. I choć okazało się, że nie będzie to takie proste, lista pomysłów, w których grafen odgrywa ważną rolę, cały czas rośnie. Do ostatnich doniesień o pamięciach flash czy superwytrzymałych akumulatorach należy dodać osiągnięcia całkowicie polskie. Są to superszybkie lasery wykorzystujące grafen jako element, który pozwala na generowanie stabilnych i krótkich impulsów światła.

Kierownik całego zespołu, prof. Krzysztof Abramski oraz odpowiedzialni za odkrycia dr inż. Jarosław Sotor i Grzegorz Soboń.

Pierwsze w Polsce prototypowe lasery wykorzystujące grafen zostały uruchomione przez J. Sotora i G. Sobonia na Politechnice Wrocławskiej pod koniec 2011 roku. Bardzo przydatne w ich skonstruowaniu okazały się bardzo wysokiej jakości próbki grafenu, wytworzone w warszawskich zakładach ITME (Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych). Uzyskany we Wrocławiu czas trwania impulsów w tych laserach wyniósł 315 fs (femtosekund). W jednej sekundzie mieści się milion miliardów femtosekund. Trwają prace nad skróceniem czasu impulsu do mniej niż 100 fs, aczkolwiek na razie takich laserów nie udało się jeszcze skonstruować nikomu na świecie.

Do unikalnych konstrukcji laserów, które wykorzystują grafen, a które powstały we Wrocławiu, zaliczamy - lasery z liniową polaryzacją wiązki czy lasery o najwyższej dotychczas zademonstrowanej częstotliwości powtarzania impulsów (nie należy mylić z czasem trwania impulsu). Na Dolnym Śląsku powstał także pierwszy na świecie układ lasera ze zintegrowanym wzmacniaczem. Wzmacniacz jest konieczny, gdyż impulsy z takich laserów nie są zbyt silne. Uzyskana moc to około 1 W i choć wydaje się to niewiele, to jest to najlepszy obecnie wynik na świecie.

Zanim jako kontrargument przytoczycie lasery o znacznie krótszym czasie trwania impulsu, nawet 2-3 fs, musimy wyjaśnić, że są to kompletnie innego typu konstrukcje. I, jak podkreśla Grzegorz Soboń, bardzo drogie (cena rzędu 100 tysięcy euro, za laser tytanowo-szafirowy o czasie impulsów 10 fs) i przydatne tylko w laboratoriach badawczych. Zespół z Wrocławia chce doprowadzić do tego, by lasery wykorzystujące grafen stały się powszechne. Mówiąc inaczej, znacznie tańsze i niewielkie - o rozmiarach porównywalnych z rozmiarami płyty głównej mini-ITX.

Laser z grafenem to tak zwany laser światłowodowy. Wiązka laserowa propaguje się w światłowodzie, a nie w otwartej przestrzeni. Jest niepodatna na czynniki zewnętrzne - drgania, temperaturę. Powyżej "serce" lasera światłowodowego. Zielone światło, jak się dowiedzieliśmy, jest jedynie spektakularnym efektem ubocznym.

I tu pytanie: dlaczego tańsze, kto miałby na tym skorzystać? Bo to chyba wynalazek nie do szuflady. Grzegorz Soboń odpowiada, że zastosowań „laserów emitujących bardzo krótkie femtosekundowe impulsy jest cała masa i nie sposób ich wszystkich nawet wymienić. Wśród najbardziej powszechnych wymienia się obróbkę materiałów, gdyż krótkie impulsy pozwalają na uzyskanie znacząco lepszej jakości obrabianej powierzchni, precyzyjnych cięć, mikrootworów, pomocne są również w diagnostyce. Przydadzą się w obróbce np. półprzewodników (używa się ich do tzw. teksturyzowania oraz selektywnego domieszkowania krzemowych ogniw fotowoltaicznych). Jest także cała lista zastosowań biomedycznych (mikrochirurgia oka, obróbka implantów stomatologicznych, itd.)”. Niewątpliwie im łatwiej dostępny będzie taki laser, tym więcej kolejnych zastosowań dla niego będzie można wymyślić.

Widmo optyczne przykładowego lasera grafenowego. Kształt tego widma oznacza, że generowane impulsy są tzw. solitonami optycznymi (soliton to impuls, którego kształt nie ulega zmianie podczas propagacji).

Jeden z projektów realizowanych we Wrocławiu zakłada wykorzystanie wspomnianego lasera ze wzmacniaczem do „budowy kompaktowego systemu, który docelowo mógłby służyć jako narzędzie do mikroobróbki materiałów, w szczególności np. struktur biodegradowalnych stentów.” Gwoli wyjaśnienia, stenty to siatkowe rurki, które wykorzystuje się do przywracania drożności naczyń krwionośnych.

Dowiedzieliśmy się również, że lasery generujące femtosekundowe impulsy dzięki wykorzystaniu grafenu to „podstawa najdokładniejszych obecnie wzorców zegarowych, o rząd lepszych niż wzorce cezowe. Takie lasery stanowią doskonały wzorzec czasu dla sieci synchronicznych.”

Na koniec pozostawiliśmy sobie odpowiedź na pytanie, dlaczego grafen? Można mówić na ten temat bardzo wiele, o czym przekonał nas Grzegorz Soboń. W skrócie, wyjaśnienie jest następujące.

Grafen wykorzystywany jest jako absorber, który moduluje wiązkę światła laserowego, co odpowiada za generację impulsów. Grafen potraktowany światłem lasera, z materiału, który absorbuje 2,3% światła (dla lasera to bardzo dużo), staje się zupełnie przeźroczysty. Jednak w bardzo krótkim czasie (około 100 fs) regeneruje się, czyli wraca do pierwotnego stanu. Bardzo istotny jest również fakt, iż grafen wykazuje takie same własności absorpcyjne dla każdej długości fali światła, w związku z czym może być użyty do niemal wszystkich rodzajów laserów.

Tego nie da się osiągnąć za pomocą laserów z absorberami półprzewodnikowymi. I w końcu, grafen jest w ostatecznym rozrachunku znacznie tańszy w produkcji. Warszawskie zakłady ITME wytwarzają grafen za pomocą epitaksji z fazy gazowej na węgliku krzemu i podłożach metalicznych, a także dzięki szerokiej gamie bardzo tanich technologii chemicznych.

Płytka szklana z naniesioną podwójną warstwą grafenu, którą wykonano w warszawskich zakładach ITME.

Niskie koszty produkcji, które pozwolą na komercjalizację laserów wykorzystujących grafen, to właśnie cel jaki stawia przed sobą zespół z Wrocławia. Technologia jest nasza, a zatem i produkcja mogłaby mieć miejsce w kraju, a sprzedaż na całym świecie. W celu wdrożenia technologii zespół z Politechniki Wrocławskiej stworzył w ramach programu GRAF-TECH Narodowego Centrum Badań i Rozwoju wraz z ITME w Warszawie oraz firmą Fiber Optic Technical Support z Wrocławia konsorcjum.

Naukowe efekty współpracy możemy już podziwiać, natomiast w ciągu roku powinny pojawić się pierwsze prototypy gotowych do wdrożenia polskich ultra-szybkich laserów światłowodowych.

Źródło: Inf. własna, Grzegorz Soboń - Grupa Elektroniki Laserowej i Światłowodowej na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej, foto wejściowe: Bartek Sadowski