W Instytucie Chemii Fizycznej PAN powstał nowy laser femtosekundowy

[KopalniaWiedzy.pl 357]

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