Znajdź zawartość

Chciałbyś uchwycić na żywo przemianę chemiczną we wnętrzu komórki? A może zrewolucjonizować produkcję mikrochipów drukując ścieżki w warstwie grubej na zaledwie 100 mikronów? Takie i wiele innych celów pozwala osiągnąć najnowszy femtosekundowy laser stworzony przez zespół naukowców pod kierunkiem dr. Jurija Stepanenki. Źródeł światła laserowego jest dziś bardzo dużo. Każde ma swoje charakterystyki i służy do czegoś innego: np. do obserwacji gwiazd, leczenia, mikroobróbki powierzchni. Naszym celem jest rozwijanie nowych – mówi Jurij Stepanenko, szef zespołu Ultraszybkich Technik Laserowych przy Instytucie Chemii Fizycznej PAN. Zajmujemy się źródłami, które produkują mega-krótkie impulsy światła. Naprawdę bardzo, bardzo krótkie – femtosekundowe (to część sekundy z 15 zerami po przecinku). W tej skali zachodzą np. reakcje chemiczne w komórce. Żeby je zobaczyć, musimy „zrobić zdjęcie” właśnie w takim ultrakrótkim czasie. I dzięki nowemu laserowi to się udaje. Naszego źródła możemy też używać do bardzo precyzyjnego usuwania materiałów z różnych powierzchni bez ich zniszczenia – opowiada naukowiec. Moglibyśmy tą metodą np. precyzyjnie oczyścić Monę Lisę nie uszkadzając warstw farby. Zdjęlibyśmy tylko kurz i brud, warstwę grubości jakichś 10 mikronów – precyzuje dr Stepanenko, jeden z autorów pracy opublikowanej niedawno w Journal of Lightwave Technology. Ale do takich prac nasz laser jest nawet zbyt precyzyjny – zaznacza dr Bernard Piechal, współautor publikacji. Do tego wystarczają takie nanosekundowe, czyli o tysiąckrotnie dłuższych czasach trwania impulsu . Tamte nie potrafiłyby jednak, powiedzmy, rysować ścieżek o precyzyjnie zaplanowanej głębokości w ultracienkich materiałach, np. usuwając złoto napylone na mikrochipy z precyzyjną regulacją grubości usuwanej warstwy. A nasz laser to potrafi! Potrafi też robić otworki w hartowanym szkle albo ultracienkich, krzemowych płytkach. Laser nanosekundowy w takich warunkach stopiłby krzem albo „potłukł” szkło, bo wytwarza za dużo ciepła. Za dużo energii jest skupione lokalnie, na bardzo niewielkiej powierzchni. Nasz działa stanowczo, ale delikatnie – uśmiecha się dr Stepanenko. Chcieliśmy, żeby nasze źródło spełniało dwa warunki: było jak najmniej podatne na mechaniczne zakłócenia i było mobilne – wyjaśnia dr Piechal. Nie chcieliśmy tworzyć wielkiej, nieruchomej konstrukcji. Z pomocą zespołowi przyszły lasery światłowodowe. Taki laser to w zasadzie światłowód zamknięty w pierścień. Impuls laserowy w nim biega nie będąc narażonym na mechaniczne zakłócenia. Światłowód można dotykać, przenosić go, nawet wstrząsnąć bez narażania stabilności impulsu. Oczywiście, gdyby światło tylko tak biegało w kółko, nie byłoby do niczego przydatne, dlatego część tego impulsu jest w jednym miejscu wyprowadzana poza pętlę w postaci użytecznych błysków – wyjaśnia dr Stepanenko. Tu dochodzimy do innego ważnego parametru takiego impulsowego lasera: częstotliwości, z jaką impulsy pojawiają się na wyjściu. W konwencjonalnych konstrukcjach częstotliwość ta zależy od długości światłowodowej pętli, w której biega impuls. Jej praktyczna długość to kilkadziesiąt metrów. Sporo, prawda? A co, gdybyśmy chcieli, aby błyski światła pojawiały się jak najczęściej? Można to zrobić zmniejszając obwód pierścienia, w którym impuls biega. Tyle że takie postępowanie ma swoje granice. W naszych laserach najmniejsza pętelka daje impulsy co 60 nanosekund, a to wciąż za wolno jak na nasze marzenia – wyjaśnił badacz. Jak tę częstotliwość zwięszyć? Tu wkracza nowy wynalazek zespołu z IChF PAN: układ, który pozwala tę podstawową częstotliwość powielać, trochę jakby tworzyć częstotliwości harmoniczne na podstawowej częstotliwości struny gitary. Wykorzystujemy tzw. Harmonic Mode Locking – wyjaśnia dr Stepanenko. W naszej konstrukcji innowacyjne jest to, że potrafimy w kontrolowany sposób przełączać tę częstość powtórzeń i wyłuskiwać spośród wielu możliwych harmonicznych tylko jedną, tę która jest nam akurat potrzebna. Można powiedzieć, że jesteśmy jak gitarzysta: na pustej strunie, czyli naszej pętli światłowodu uzyskujemy określoną częstotliwość wynikającą z jej długości. Gdy przyłożymy palec dokładnie w połowie struny, to uzyskujemy tzw. drugą harmoniczną. Wysokość dźwięku rośnie o oktawę, a częstotliwość drgań rośnie dwa razy. Gdy przyłożymy palec w 1/3 długości struny, otrzymamy częstotliwość równo trzy razy wyższą, niż na pustej. W naszym przypadku podwyższamy częstotliwość impulsów kręcąc gałką. Możemy to robić tylko skokowo, za każdym razem uzyskując jakby kolejną harmoniczną, podobnie jak skokowo zmienia się harmoniczne w gitarze, ale zakres jest całkiem spory: możemy nasze świetlne harmoniczne zmieniać od 2 aż do 19 razy powyżej częstości podstawowej, czyli osiągać częstotliwość impulsów aż do nieco ponad 300 MHz. Niezwykle ważne jest to, że uzyskiwane częstości są stabilne i można je precyzyjnie wyodrębniać. Jeśli wybierzemy sobie jakąś harmoniczną, to wszystkie pozostałe będą tak wytłumione, że ich „głośność” będzie jakieś 10 mln razy mniejsza niż tej wybranej. Można powiedzieć, że generujemy czysty dźwięk, a eliminujemy wszelkie szumy. Do tego im wyższa częstotliwość, tym lepiej jest zdefiniowana. Jesteśmy pierwsi, którym się to tak dobrze udało – mówi z dumą badacz. Nam pozostaje czekać na wdrożenie wynalazku do bardziej przemysłowych zastosowań. Być może dzięki niemu zyskamy jeszcze cieńsze i lżejsze laptopy albo lepiej poznamy, co dzieje się we wnętrzu ludzkiego ciała. « powrót do artykułu

Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych (AFOSR) postanowiło przyznać grant doktorowi Chunlei Guo, o którego badaniach już wcześniej informowaliśmy. Guo używa femtosekundowego lasera do zmiany struktury powierzchni metali. Uzyskał już bardzo wydajną żarówkę i potrafi zmieniać kolor powierzhni metalu. Lotnictwo wojskowe jest jednak zainteresowane przede wszystkim stworzeniem urządzeń, które będą efektywnie chłodziły elektronikę najnowszych myśliwców. To właśnie dzięki zaawansowanym podzespołom elektronicznym USA dysponują najbardziej efektywnymi samolotami bojowymi. Jednak, jak w przypadku każdego urządzenia elektronicznego, podzespoły wydzielają sporo ciepła, które może prowadzić do ich zniszczenia. Jak łatwo się domyślić, awaria elektroniki w nowoczesnym myśliwcu w ogóle nie powinna się wydarzyć. Dlatego też wojskowi chcą, by Guo z jednej strony stworzył idealnie czarny metal absorbujący niemal 100% promieniowania cieplnego, a z drugiej - taką powierzchnię, która będzie oddziaływała z molekułami wody silniej, niż one oddziałują ze sobą. Jeśli się to uda, możliwe będzie stworzenie pasywnych systemów, w których ciecz chłodząca będzie samodzielnie przemieszczała się w wybranym kierunku, niezależnie od siły ciążenia. To z kolei pozwoli na bardziej efektywne chłodzenie i zmniejszy ryzyko wystąpienia awarii systemów elektronicznych. Femtosekundowe lasery coraz częściej udowadniają swoją przydatność. Nie tylko Guo je wykorzystuje. Khon-Thon Tsen z Arizona State University potrafi zabijać za ich pomocą wirusy, nie uszkadzając przy tym tkanki. Z kolei w ramach projektu Teramobile uczeni próbują wykorzystać terawatowy laser femtosekundowy do "sprowadzenia" błyskawic z chmur burzowych na ziemię i pozyskania z nich energii.

Guo i Vorobyev, którzy badając wpływ oddziaływania lasera femtosekundowego na różne metale znacząco ulepszyli żarnik tradycyjnej żarówki, informują o kolejnym ważnym odkryciu. Tym razem udało im się tak zmienić powierzchnię metalu, że znacząco wzmocnili zjawiska kapilarne zachodzące na styku woda-metal. Ich prace mogą pomóc w produkcji wykorzystujących ciecz systemów chłodzących układy scalone. Możemy zmienić strukturę powierzchni niemal każdego metalu tak, że jesteśmy w stanie kontrolować sposób, w jaki reaguje on z przepływającym płynem. Możemy kontrolować kierunek tego przepływu i zdecydować, czy w ogóle płyn ma się przemieszczać - mówi Chunlei Guo. Wraz z Anatoliyem Vorobyevem jest on w stanie stworzyć taką powierzchnię, która spowoduje, iż dzięki zjawiskom kapilarnym płyn będzie przemieszczał się z prędkością 1 centymetra na sekundę. Przy wielkościach liczonych w skali nano molekuły metalu oddziałują na molekuły wody silniej, niż inne molekuły wody. To pozwala na przepływ. Stworzenie za pomocą lasera odpowiednich kanałów na powierzchni metalu umożliwia sterowanie tym przepływem. Na udostępnionym filmie możemy zobaczyć, jak woda błyskawicznie "wspina się" po powierzchni metalu.

W najnowszym numerze Nature Physics ukazał się artykuł, którego autorzy opisują, w jaki sposób wykorzystać laser do przyspieszenia 100 000 razy operacji odczytu i zapisu na dyskach twardych. Zespół z francuskiego Instytutu Chemii i Fizyki Materiałów pod przewodnictwem Jeana-Yvesa Bigota użył femtosekundowego lasera. Obecnie korzystamy z zapisu magnetycznego i mówimy o spintronice, czyli elektronice spinu. Nasza metoda to fotonika spinu, gdyż używamy fotonów do zmiany i odczytu spinu elektronów - wyjaśnia Bigot. Odczyt i zapis danych na współczesnych dyskach twardych odbywa się za pomocą pola magnetycznego i zmiany w spinie elektronów. Metoda ta jest jednak dość powolna. Francuzi udowodnili, że femtosekundowy laser pozwala na zmianę spinu elektronów, a tym samym, na znaczne przyspieszenie całej operacji. Niestety, w najbliższej przyszłość nie powinniśmy się spodziewać, że kupimy bardzo szybko działające dyski twarde. Femtosekundowe lasery to obecnie bardzo duże urządzenia o wymiarach około 30x10 centymetrów. Jednak wraz z postępującą miniaturyzacją mogą one w przyszłości stanowić część HDD. Zainteresowanie pracami Francuzów wyrazili już najwięksi producenci dysków twardych.