Przełomowy eksperyment w laboratorium Politechniki Wrocławskiej opisany w „Nature Photonics”

Wroclife • 2024-08-20 Przełomowy eksperyment w laboratorium Politechniki Wrocławskiej opisany w „Nature Photonics”

Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej pracują nad optymalizacją działania laserów. Wyniki swojego eksperymentu opublikowali właśnie w czasopiśmie „Nature Photonics”, dają one zupełnie nowe spojrzenie na zasady działania laserów półprzewodnikowych.

Nad projektem „Kondensacja Bosego-Einsteina fotonów w laserze o pionową wnęką rezonansową z emisją powierzchniową” pracuje dr hab. inż. Maciej Pieczarka z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki, który wykonał swój przełomowy eksperyment w laboratoriach Politechniki Wrocławskiej wspólnie z doktorantką Aleksandrą Piasecką. Zaś praca naukowa dla „Nature Photonics” powstała we współpracy wrocławskich naukowców z naukowcami w dziedzinie fizyki laserowej z Zespołu Fotoniki Instytutu Fizyki Politechniki Łódzkiej: prof. Tomaszem Czyszanowskim, dr. Marcinem Gębskim i dr. hab. Michałem Wasiakiem. Wsparcia teoretycznego naukowcom z Politechniki Wrocławskiej udzielił uznany fizyk prof. Axel Pelster z RPTU Kaiserslautern.

Odkrycie dokonane przez wrocławskich naukowców może spowodować przełom w dziedzinie wykorzystania laserów. – Swoje badania przeprowadziliśmy na urządzeniu praktycznie nieróżniącym się od tych stosowanych obecnie w przemyśle, np. w smartfonach, w telekomunikacji itd. Obserwacja kondensacji Bosego-Einsteina światła w takim urządzeniu jest kompletnie nowym spojrzeniem na zasady działania laserów półprzewodnikowych – mówi dr Maciej Pieczarka.

Obecne zasady działania tych laserów polegają na tzw. osiągnięciu inwersji obsadzeń w obszarze aktywnym lasera, by światło uwięzione we wnęce lasera mogło być wzmocnione w procesie emisji wymuszonej. W akcji laserowej wzmocnione światło (fotony) mają tę samą fazę i długość fali, nadając charakterystycznych właściwości wiązce światła. Naukowcy z PWr w swoim projekcie wybrali laser o innym niż zazwyczaj zestrojeniu spektralnym między długością fali obszaru aktywnego a długością fali rezonatora laserowego.

Co ciekawe, w przemyśle takiego zestrojenia zazwyczaj się unika, bo urządzenie ma nieco gorsze parametry pracy – tłumaczy dr Pieczarka. – W tych warunkach spontaniczna emisja i absorpcja w laserze spowodowała, że fotony w nim uwięzione „stermalizowały”, czyli zachowywały się jak gaz o zadanej temperaturze, który uwięziony jest w pudełku – dodaje.

Zwiększając prąd zasilający, czyli zarazem liczbę fotonów w tym gazie, naukowcy z PWr spowodowali, że skondensowały one do modu lasera o najmniejszej energii, tzn. utworzyły kondensat Bosego-Einsteina w temperaturze pokojowej. A wszystko to w warunkach, kiedy w laserze nie ma inwersji obsadzeń.

Jest to istotne z punktu widzenia fizyki, jak również aplikacji, ponieważ emisja z takiego kondensatu fotonów ma również podobne właściwości, jak gdyby laser pracował w warunkach klasycznych. W tym przypadku jednak mechanizm działania jest jednak całkowicie inny – kontynuuje naukowiec.

Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej zbadali też właściwości termodynamiczne gazu fotonowego.

Zweryfikowaliśmy, że fotony w naszym laserze zachowują się dokładnie tak, jak podręcznikowy gaz bozonów z dobrze określoną temperaturą. Zmierzyliśmy parametry tzw. równania stanu gazu, potwierdzając zgodność z fundamentalną teorią – mówi Aleksandra Piasecka z W11.

Jakie zmiany może spowodować to odkrycie? Dr inż. Maciej Pieczarka wyjaśnia, że nikt nie wie jeszcze dokładnie, jakie właściwości będą mieć lasery pracujące w takim trybie, bo to całkowicie nowa dziedzina nauki. Poza samym arcyciekawym zjawiskiem fizycznym, taki tryb działania lasera ma także ogromny potencjał aplikacyjny, bo lasery VCSEL o dużej aperturze aktywnej (laser z PWr miał aperturę 23 mikrometrów) są znane z tego, że emitują wielomodowo. Oznacza to, że laserują światłem w kilku różniących się od siebie długościach fal na raz, co ogranicza ich właściwości, np. stabilność emisji. Jest to dobrze znane ograniczenie laserów VCSEL dużych rozmiarów.

Nasz laser, w kontraście do obecnego stanu wiedzy, skondensował, a nie laserował, do pojedynczej długości fali, rozwiązując ten problem technologiczny – tłumaczy badacz.

Optymalizacja laserów operujących w trybie kondensacji Bosego-Einsteina może pozwolić na uzyskanie o wiele lepszych parametrów wiązki, koherencji i stabilności takich laserów. Takie właściwości laserów dużej powierzchni są kluczowe, m. in. w systemach typu LiDAR używanych w autonomicznych samochodach.

Najpopularniejsze

19 września w Porcie Węglowym koncert żegnający lato

19 września w Porcie Węglowym koncert żegnający lato

Na wydarzeniu będą dominować rap i muzyka klubowa.
przeczytaj więcej
SOS dla wody! Wielka akcja Sprzątanie świata – Polska rusza już 18 września

SOS dla wody! Wielka akcja Sprzątanie świata – Polska rusza już 18 września

Rzeki, jeziora, Bałtyk i tereny wokół zbiorników wodnych, to właśnie na nie zwrócona będzie szczególna uwaga podczas tegorocznej, 33. edycji Akcji Sprzątanie świata - Polska. W dniach 18–20 września w całym kraju uczestnicy będą sprzątać śmieci i przypominać, że odpady pozostawione na lądzie wcześniej czy później mogą trafić do wody. Tegoroczna akcja odbywa się pod hasłem „SOS dla wody! Niech będzie wolna od śmieci”.
przeczytaj więcej
Wrocław wśród najzdrowszych miast? Sprawdzamy, co naprawdę pokazuje raport

Wrocław wśród najzdrowszych miast? Sprawdzamy, co naprawdę pokazuje raport

Wrocław zajął 8. miejsce wśród dziewięciu polskich miast liczących ponad 300 tys. mieszkańców. Stolica Dolnego Śląska zdobyła 45 punktów. Dla porównania średnia w tej grupie wyniosła 55,1 punktu. Nie oznacza to jednak, że Wrocław nie ma się czym pochwalić. W trzech z ośmiu analizowanych obszarów znalazł się w pierwszej piątce całego zestawienia. Jak czytać Indeks Zdrowych Miast 2026 i co raport mówi o kondycji Wrocławia?
przeczytaj więcej
„URBANCARD dla biznesu” przegłosowany. Tańsze bilety dla pracowników od 2027 roku

„URBANCARD dla biznesu” przegłosowany. Tańsze bilety dla pracowników od 2027 roku

Rada Miejska Wrocławia przyjęła zmiany w taryfie biletowej. Od 1 stycznia 2027 roku firmy będą mogły kupować pracownikom imienne bilety okresowe z rabatem do 15 proc.
przeczytaj więcej