Kierownik projektu :
dr hab. inż. Grzegorz Soboń, prof. PWr
Politechnika Wrocławska

Panel: ST7

Konkurs : SONATA 6
ogłoszony 16 września 2013 r.

Lasery, ze względu na mnogość zastosowań w najróżniejszych obszarach naszego życia, są urządzeniami szalenie istotnymi zarówno dla nauki, jak i przemysłu. Potrafią emitować impulsy światła o wręcz niewiarygodnie krótkim czasie trwania rzędu femtosekund (1 femtosekunda to 10-15 sekundy). Nie każdy wie, że chociażby ekrany dotykowe naszych smartfonów, wykonane z bardzo twardych szkieł, są wycinane przy użyciu laserów femtosekundowych. Lasery tego typu, w fachowej nomenklaturze naukowej, nazywa się laserami z pasywną synchronizacją modów.

fot. Michał Łepeckifot. Michał Łepecki Jak nietrudno się domyślić, ogromny wysiłek naukowców wkładany jest w opracowanie laserów generujących jeszcze krótsze impulsy, o jeszcze większej mocy, możliwie niewielkim stopniu skomplikowania i jak najniższych kosztach produkcji finalnego urządzenia. Podstawowym czynnikiem ograniczającym czas trwania impulsu laserowego jest tak zwana dyspersja chromatyczna. Jest to zjawisko powodujące „rozmycie się” impulsu podczas propagacji w medium, np. w światłowodzie optycznym. Dlatego też, aby móc wygenerować krótsze impulsy, konieczne jest zastosowanie odpowiednich mechanizmów kompensacji dyspersji.

Szczególną grupę laserów stanowią lasery światłowodowe (to takie, w których światło „uwięzione” jest w światłowodach). Długość fali emitowanej wiązki (bardziej popularnie mówiąc: kolor) zależy od domieszki atomów użytej do produkcji światłowodu. Na przykład, lasery wykorzystujące światłowody domieszkowane jonami tulu (pierwiastek z grupy lantanowców) emitują promieniowanie optyczne z zakresu spektralnego średniej podczerwieni, niewidzialnego dla nas, tj. około 1800-2100 nanometrów. Jest to tzw. zakres długości fal bezpiecznych dla oka ludzkiego, gdyż promieniowanie to jest absorbowane w rogówce i ciele szklistym, nie docierając do siatkówki i nie powodując jej uszkodzenia. Dlatego też, dla tego typu laserów otwierają się nowe możliwości ich zastosowania, np. w dalmierzach, czujnikach, czy też w łączności optycznej. Główną motywację do rozwoju tego typu laserów stanowią jednak ich liczne potencjalne aplikacje w medycynie  (szczególnie dermatologii) oraz spektroskopii. Światło laserowe o długości fali z zakresu 1800- 2100 nm jest bardzo silnie pochłaniane przez wodę. Dzięki temu możliwe jest precyzyjne nacinanie bądź selektywne usuwanie tkanek przy użyciu lasera emitującego fale o tej długości. Ponadto, w zakresie  1800- 2100 nm swoje linie absorpcyjne posiadają dwa podstawowe gazy cieplarniane – dwutlenek węgla (CO2) oraz podtlenek azotu (N2O). Zatem, badania te mogą istotnie przyczynić się do rozwoju bardzo czułych systemów detekcji śladowych ilości molekuł w atmosferze. Takie  aplikacje są bardzo istotne w kontekście postępującego efektu cieplarnianego, oraz konieczności monitorowania emisji i wychwytywania dwutlenku węgla.

fot. Michał Łepeckifot. Michał Łepecki Celem projektu było zbadanie możliwości generowania ultrakrótkich impulsów optycznych z laserów całkowicie światłowodowych domieszkowanych tulem, z wykorzystaniem różnych technik kompensacji dyspersji. Opracowana konstrukcja laserów otwiera zupełnie nowe możliwości zastosowania w realnych warunkach poza laboratorium, gdzie istotna jest niezawodność oraz niewrażliwość na zakłócenia zewnętrzne. Zademonstrowano m.in. pierwszy na świecie całkowicie światłowodowy laser domieszkowany tulem o zerowej dyspersji, wykorzystujący grafen jako materiał wymuszający pracę impulsową. Uzyskano impulsy o czasie trwania ok. 200 fs. Przed podjęciem tych badań uważano, iż grafen nie jest w stanie wymusić pracy impulsowej w takich warunkach, ze względu na jego niski próg uszkodzenia optycznego. Opracowano również całkowicie światłowodowy laser tulowy o najszerszym kiedykolwiek uzyskanym spektrum emisji – sięgającym 100 nm. Tak szerokie pasmo jest niezmiernie istotne z punktu widzenia aplikacji w spektroskopii laserowej, gdyż pozwala np. na opracowanie systemów monitorujących jednocześnie stężenie wielu związków chemicznych w atmosferze. Oprócz realizacji wielu laserów mających ogromne znaczenie praktyczne, przeprowadzone badania pozwoliły na znaczne poszerzenie istniejącego stanu wiedzy na temat zjawisk zachodzących w laserach tulowych.

Pełny tytuł finansowanego projektu : Pasywna synchronizacja modów w ultraszybkich laserach światłowodowych domieszkowanych tulem z kompensacją dyspersji

dr hab. inż. Grzegorz Soboń, prof. PWr

Kierownik - dodatkowe informacje

Związany jest z Politechniką Wrocławską, gdzie pracuje na stanowisku profesora uczelni. Jego główne zainteresowania naukowe dotyczą techniki laserowej, w szczególności zagadnień generacji ultrakrótkich impulsów laserowych. Od 2018 r. prowadzi zespół badawczy zajmujący się m.in. rozwojem optycznych grzebieni częstotliwości dla potrzeb spektroskopii laserowej oraz laserów obrazowania biomedycznego. Jest laureatem wielu nagród i wyróżnień, m.in. Nagrody Prezesa Rady Ministrów.

fot. Michał Łepecki