Akceptuję
W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczone w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce Prywatności

Zamknij X
Szkolenia
Strona główna Felieton

Badania naukowców PWr pomagają w ulepszaniu laserów

Naukowcy z W11 pracują nad optymalizacją obszarów aktywnych laserów przeznaczonych do pracy w średniej podczerwieni. Fale z tego zakresu spektralnego pomagają nam już m.in. w ochronie środowiska – poprzez monitoring niebezpiecznych substancji oraz w diagnostyce medycznej – dzięki optycznej analizie składu wydychanego powietrza, a to dopiero początek szerokiej gamy ich zastosowań

mmotyka_zdjecie_wlasciwe.jpgBadania te są prowadzone w Laboratorium Optycznej Spektroskopii Nanostruktur (LOSN), kierowanym przez prof.  Jana Misiewicza. Za ich realizację odpowiada dr Marcin Motyka, który od kilku lat zajmuje się tematyką procesów optycznych w półprzewodnikach i półprzewodnikowych układach niskowymiarowych, przeznaczonych do zastosowań w średniej i dalekiej podczerwieni. Za swoje osiągnięcia naukowe na początku tego roku został uhonorowany nagrodą „Iuvenes Wratislaviae” przyznawaną przez wrocławski oddział Polskiej Akademii Nauk.

Naukowcy z LOSN, we współpracy z Uniwersytetem w Würzburgu i z takimi firmami jak Nanoplus, Simens i Airoptic, od 10 lat realizują badania w ramach europejskich projektów badawczych. Ich efektem było stworzenie m.in. optycznych czujników gazów takich jak metan czy formaldehyd (składnik np. lakierów do włosów), uznany przez Światową Organizację Zdrowia za substancję o działaniu rakotwórczym.

Aktualnie w laboratorium trwa też projekt iCspec, którego uczestnicy chcą stworzyć laser dla rafinerii generujących prąd elektryczny poprzez spalanie odpowiedniej mieszaniny węglowodorów. Dzięki optycznej detekcji będzie możliwe analizowanie w czasie rzeczywistym składu mieszaniny tych gazów i poprawa efektywności procesu spalania.

A to tylko niewielka część badań dotyczących zastosowań takich laserów. Na całym świecie badacze pracują też nad rozwijaniem wykorzystywania optycznej detekcji w diagnostyce medycznej. Chodzi o wykrywanie w oddechu określonych substancji, których występowanie w wydychanym powietrzu mogłyby świadczyć o tym, że pacjent cierpi na jakieś schorzenie.

1,4 mln zł na duży projekt badawczy


Dr Motyka w swoich badaniach postanowił skupić się na promieniowaniu z zakresu 3-10 mikrometrów, m.in. ze względu na rosnące zapotrzebowanie na lasery emitujące fale właśnie z tego zakresu. Są potrzebne np. do wykrywania obecności wielu szkodliwych substancji jak tlenki azotu czy większość węglowodorów.

Aktualne badania dr. Motyki są możliwe dzięki grantowi z Narodowego Centrum Nauki, które przeznaczyło na nie prawie 1,4 mln zł w ramach programu Opus 8. W projekcie tym naukowiec wspólnie z kolegami z laboratorium przeprowadzi badania struktury poziomów energetycznych dla półprzewodnikowych układów niskowymiarowych. Są one  przeznaczone do emisji lub detekcji promieniowania z zakresu 3-8 mikrometrów (czyli w średniej podczerwieni). Dzięki temu projektowi zostanie także uruchomione stanowisko pomiarowe do badania dynamiki ładunku w wymienionych strukturach.

- Do takich badań w laboratorium wykorzystuje się zwykle spektroskopię modulacyjną, która  nie sprawdza się w badaniach średniej podczerwieni. Trudności te wynikają m.in. z mniejszej czułości spektralnej detektorów. Pozwala je przezwyciężyć stanowisko pomiarowe wykorzystujące próżniowy spektrometr Fourierowski, które uruchomiliśmy w 2008r. Od tej pory jako jedna z nielicznych grup badawczych na świecie możemy efektywnie prowadzić pomiary spektroskopowe w tym zakresie spektralnym.

Detektor nadprzewodzący

W projekcie bardzo istotne jest także poznanie procesów dynamiki nośników ładunków w badanych półprzewodnikowych strukturach niskowymiarowych. – Skupimy się na wyznaczeniu wpływu różnych modyfikacji w obszarze aktywnym na czasy życia nośników, czyli informacjach, które  pomogą nam w dalszej optymalizacji profili studni kwantowych i konsekwentnej poprawie parametrów pracy laserów – tłumaczy kierownik projektu.

Wykonanie tego typu badań jest stosunkowo łatwe w przypadku ich realizacji w zakresie widzialnym lub w bliskiej podczerwieni. Wykorzystuje się wówczas kamery smugowe sprzężone z monochromatorami siatkowymi, co umożliwia pomiary dynamiki w zakresie fal krótszych niż 1600 nanometrów ze stosunkowo dużą rozdzielczością czasową ok. 10 pikosekund. Nie ma natomiast kamer, które byłyby w stanie zarejestrować dynamikę nośników w strukturach przeznaczonych do pracy zakresie średniej podczerwieni.

 – Aby tego dokonać, trzeba posłużyć się znacznie bardziej zaawansowanymi eksperymentami w domenie czasowej wymagającymi np. umiejętności mieszania wiązek laserowych o różnych długościach fali czy konwertowania promieniowania za pomocą odpowiednich kryształów – wyjaśnia dr Motyka. – W naszym projekcie wykorzystamy jeszcze inne podejście eksperymentalne. Firma Scontel skonstruowała dla nas dwa detektory nadprzewodzące, które nam na to pozwolą. Pierwszy będzie pracował w systemie zliczania pojedynczych fotonów z rozdzielczością czasową 50ps w zakresie fal krótszych niż 2,5mikrometra. Padający na detektor foton wyprowadza detektor ze stanu nadprzewodnictwa, zmieniając jego opór i pozwalając na rejestrację takiego zdarzenia. Analizując statystykę padających na detektor fotonów w funkcji czasu po wzbudzeniu laserowym, można otrzymać informację o czasach życia nośników w badanych strukturach półprzewodnikowych. Drugi detektor będzie pracował z nieco mniejszą rozdzielczością czasową ok. 100 pikosekund, ale w znacznie szerszym zakresie spektralnym (2-10 mikrometra).

Naukowcy mają już za sobą kilka miesięcy badań struktury poziomów energetycznych nośników ładunków. Obecnie – po instalacji i pierwszych testach detektorów – zaczną  eksperymenty w domenie czasowej, czym będą zajmować się do końca trwania projektu.

– A to tak naprawdę początek – zastrzega dr Motyka. – Ta aparatura otworzy nam nową ścieżkę możliwości badawczych i wzmocni współpracę z wieloma ośrodkami, które zajmują się wytwarzaniem źródeł laserowych na zakres średniej podczerwieni. Obecnie, oprócz Uniwersytetu w Würzburgu, współpracujemy także z Instytutem Technologii Elektronowej w Warszawie, gdzie są wytwarzane kwantowe lasery kaskadowe oraz Instytutem IOFFE z Sankt Petersburga w badaniach, których celem jest  podniesienie temperatury pracy wytwarzanych tam tzw. laserów złączowych.

Dr Motyka podkreśla, że prowadzone  na Politechnice Wrocławskiej projekty wykorzystujące spektroskopię w średniej podczerwieni pozwolą stopniowo rozwiijać parametry pracy laserów i detektorów, a te znajdą wiele zastosowań w nauce i przemyśle.

Na razie jednak wykorzystywanie optycznej detekcji gazów wiąże się wciąż z dużymi kosztami. – Stąd też nie jest ona jeszcze powszechna – zaznacza naukowiec. – To jednak temat przyszłościowy. Z biegiem czasu, podobnie jak w przypadku każdej nowej technologii, ceny będą spadać wraz z wprowadzeniem masowej produkcji takich czujników.

***W maju tego roku na Politechnice Wrocławskiej jest organizowana międzynarodową konferencja MIRSENS 4 poświęcona właśnie tej tematyce.  Szczegóły na stronie internetowej wydarzenia

Lucyna Róg

Źródło: www.pwr.edu.pl



Drukuj PDF
wstecz Podziel się ze znajomymi

Informacje dnia: Polskie instytuty otwarte na zagraniczną współpracę Bieganie to również trening psychiki Analiza genomu grzybów dla skuteczniejszej terapii Mało prawdopodobne, że odkryjemy nieznane pierwiastki Krawcy widzą najlepiej Polski przemysł szuka innowacyjnych rozwiązań Polskie instytuty otwarte na zagraniczną współpracę Bieganie to również trening psychiki Analiza genomu grzybów dla skuteczniejszej terapii Mało prawdopodobne, że odkryjemy nieznane pierwiastki Krawcy widzą najlepiej Polski przemysł szuka innowacyjnych rozwiązań Polskie instytuty otwarte na zagraniczną współpracę Bieganie to również trening psychiki Analiza genomu grzybów dla skuteczniejszej terapii Mało prawdopodobne, że odkryjemy nieznane pierwiastki Krawcy widzą najlepiej Polski przemysł szuka innowacyjnych rozwiązań

Partnerzy

GoldenLine Fundacja Kobiety Nauki Obywatele Nauki NeuroSkoki Biomantis Uni Gdansk MULTITRAIN I MULTITRAIN II Nauki przyrodnicze KOŁO INZYNIERÓW PB ICHF PAN FUNDACJA JWP NEURONAUKA BIOOPEN 2016 Mlodym Okiem Nanotechnologia Lodz Genomica SYMBIOZA 2017 Nauka w Polsce CITTRU - Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju Uniwersytetu Akademia PAN Chemia i Biznes Farmacom Świat Chemii Forum Akademickie Biotechnologia     Geodezja „Pomiędzy naukami – zjazd fizyków i chemików” WIMC WARSZAWA 2016 Konferencja Biomedyczna Projektor Jagielloński Instytut Lotnictwa EuroLab