Przesuwanie granic kwantowych laserów kaskadowych
Naukowcy z Francji, Niemiec, Włoch i Zjednoczonego Królestwa połączyli siły, aby dokonać ważnego przełomu w zakresie technologii laserowej, umożliwiającego zastosowanie jej w takich nowych dziedzinach, jak szybkie wykrywanie gazów, metrologia, wykrywanie mikrofalowe czy badania nieniszczące. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu ULTRAQCL wykazano, że kwantowe lasery kaskadowe (ang. quantum cascade laser, QCL) działające w zakresie częstotliwości terahercowej, mogą zostać przystosowane do generowania bardzo krótkich impulsów, o długości nawet zaledwie 1 pikosekundy. „Oznacza to poprawę o rząd wielkości”, mówi dr Sukhdeep Dhillon, koordynator projektu pracujący w laboratorium fizyki w Krajowym Centrum Badań Naukowych (CNRS) i Ecole Normale Supérieure w Paryżu. „Dotychczas uważano, że ze względu na swoją naturę nie nadają się one do generowania bardzo krótkich impulsów”. Uczestniczący w projekcie badacze potwierdzili możliwość generowania bardzo krótkich impulsów w stabilizowanym grzebieniu częstości – szerokim zakresie częstotliwości złożonym z równomiernie rozmieszczonych wąskich linii – o dużej szerokości pasma widma. „Oznacza to możliwość zastosowania spektroskopii wykorzystującej optyczny grzebień częstości (ang. „dual comb spectroscopy”), która może być używana w metrologii i umożliwia wykrywanie wielu rodzajów gazów o sygnaturach spektralnych w zakresie terahercowym”, wyjaśnia dr Dhillon. Naukowcy wykazali również, że krótkie impulsy terahercowe mogą być wykorzystywane jako metoda generowania promieniowania mikrofalowego o niskim poziomem zakłóceń, a także użyli ich do ultraszybkiej detekcji terahercowej w kosmicznych zastosowaniach telekomunikacyjnych. Konsorcjum zademonstrowało ponadto, że lasery mogą być wykorzystywane do pomiarów czasu przelotu – tj. pomiaru czasu, jaki obiekt, cząsteczka lub fala potrzebuje na przebycie określonej odległości w danym ośrodku – dzięki czemu laser nadaje się także do badań nieniszczących.
Wykrywanie gazów
Niewątpliwie istnieje duże zainteresowanie komercjalizacją tych zastosowań. Wartość rynku zastosowań technologii terahercowych szacuje się na 272 mln EUR, przy czym ma ona sięgnąć 1,3 mld EUR w 2025 r. Zespół obserwuje szczególne zainteresowanie zastosowaniem generowania krótkich impulsów i grzebieni częstości do wykrywania wielu rodzajów gazów. Badacze chcieliby zająć się tym obszarem w ramach przyszłego projektu. Podczas realizacji celów projektu ULTRAQCL naukowcy opracowali już jednak wiele technologii nadających się do wykorzystania przez przemysł. Złożyli trzy wnioski patentowe, w tym jeden dotyczący przełączników fotoelektrycznych oraz rodzaju przełącznika kwarcowego dla układów opartych na wzmacniaczach. W ramach projektu używano ich do badania generowania impulsów w laserach QCL, a obecnie analizowane są możliwości ich komercjalizacji. Sukces projektu był zdaniem jego partnerów możliwy dzięki połączeniu doświadczenia europejskich ośrodków badawczych: Uniwersytetu w Leeds w Zjednoczonym Królestwie, który zajmował się hodowaniem materiałów, CNRS, który skupił się na wytwarzaniu impulsów przy użyciu metod aktywnych, oraz włoskiego CNR-Nano, prowadzącego badania w zakresie pasywnych metod generowania impulsów. Uniwersytet Paris-Sud przewodził badaniom dotyczącym metod wytwarzania, Uniwersytet w Ratyzbonie, w Niemczech, zajmował się ultraszybką dynamiką, natomiast włoski Narodowy Instytut Optyki odpowiadał za badania nad zastosowaniami nowej technologii, ze szczególnym uwzględnieniem metrologii. „Projekt miał charakter prawdziwie kooperacyjny, co było kluczem do osiągniętych postępów”, mówi dr Dhillon. „Chociaż poszczególni partnerzy pełnili różne role, to wszyscy wnieśli swój wkład w każdy obszar badań, przyczyniając się do osiągnięcia ostatecznych celów projektu”.
Słowa kluczowe
ULTRAQCL, kwantowe lasery kaskadowe, krótkie impulsy, terahercowy zakres częstotliwości, szybkie wykrywanie gazów, generowanie mikrofal
