Ultrastabilne lasery impulsowe pokrywające zakres spektralny od bliskiej do dalekiej podczerwieni

Ultrastabilne lasery impulsowe od bliskiej do dalekiej podczerwieni

Naukowcy z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów Politechniki Wrocławskiej pod kierunkiem dr. Macieja Kowalczyka, we współpracy z laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z 2023 r., prof. Ferencem Krauszem z Monachiumoraz partnerem przemysłowym – VIGO Photonics podejmują się ambitnego zadania stworzenia nowej klasy laserów impulsowych. Ich celem jest skonstruowanie źródeł promieniowania obejmujących niezwykle szeroki zakres spektralny – od bliskiej do dalekiej podczerwieni – łącząc przy tym cechy, które dotychczas nie były osiągalne w jednym urządzeniu: wysoką moc, szerokie pokrycie widmowe, ultrakrótkie impulsy, a przede wszystkim – wysoką stabilność emitowanych impulsów. Badania te są finansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG), w działaniu FIRST TEAM.

"Promieniowanie z zakresu średniej i dalekiej podczerwieni (o długości fali między 2 a 300 μm) posiada kluczowe znaczenie dla wielu dziedzin nauki i technologii. W tym obszarze spektralnym znajdują się charakterystyczne pasma absorpcyjne większości cząsteczek chemicznych umożliwiające ich identyfikację. To takie „odciski palców” związków chemicznych, unikalne dla każdego z nich. Właśnie na tej zasadzie opiera się spektroskopia molekularna, która znajduje zastosowanie m.in. w monitoringu środowiskowym (np. do wykrywania szkodliwych gazów w atmosferze) oraz w badaniach biomedycznych. Jednak obecnie dostępne źródła laserowe pracujące w tym zakresie są nieliczne i obarczone istotnymi ograniczeniami: zazwyczaj oferują albo niski poziom mocy, albo wąski zakres spektralny,albo emitowane przez nie promieniowanie jest niestabilne. Brakuje laserów, które byłyby wszechstronne, czyli posiadały jednocześnie wszystkie cechy kluczowe do zaawansowanych zastosowań technologicznych czy biomedycznych” – mówi dr Maciej Kowalczyk.

Dlatego celem realizowanego przez niego projektu jest opracowanie i zbudowanie nowego typu laserów impulsowych, które połączą szerokie pokrycie zakresu od bliskiej do dalekiej podczerwieni z wysoką mocą wyjściową, generacją ultrakrótkich impulsów w skali femtosekundowej (femtosekunda to 10⁻¹⁵ sekundy) oraz wysoką stabilnością. Ultrastabilność, czyli zdolność do emitowania impulsów o niezwykle stałych parametrach z minimalnymi fluktuacjami ich fazy bądź mocy, jest kluczowa w kontekście badań spektroskopowych związków o bardzo słabych sygnałach molekularnych. Wówczas nawet niewielkie fluktuacje parametrów emitowanych impulsów przez źródło laserowe mogą całkowicie zakłócić pomiary. „Wstępne prace prowadzone przez nasz zespół wskazują, że opracowywane przez nas lasery mają potencjał do osiągnięcia stabilności niespotykanej w dotychczas dostępnych źródłach promieniowania tego typu” – podkreśla dr Maciej Kowalczyk.

Do czego mogą posłużyć opracowywane lasery? Jedno z potencjalnych, niezwykle ciekawych zastosowań jest rozwijane w ramach współpracy z grupą prof. Ferenca Krausza z Monachium w Niemczech. To zaawansowane techniki spektroskopowe umożliwiające analizę próbek ludzkiej krwi pod kątem bardzo wczesnej detekcji chorób nowotworowych. Lasery opracowane na Politechnice Wrocławskiej będą służyły do oświetlania próbek krwi, co umożliwi uzyskanie szczegółowych „odcisków palców” różnych biomolekuł obecnych w organizmie. Analiza tych danych z wykorzystaniem sztucznej inteligencji pozwoli na wykrycie choroby nowotworowej gdy pojawią się jakiekolwiek jej objawy. Takie podejście – łączące zaawansowaną spektroskopię i uczenie maszynowe – może zrewolucjonizować wczesną diagnostykę medyczną i znacząco zwiększyć szanse na skuteczne leczenie nowotworów.

Inne zastosowanie będzie testowane we współpracy z partnerem przemysłowym projektu – polską firmą VIGO Photonics będącą jednym z globalnych liderów w produkcji półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych dla średniej podczerwieni. W ramach tej współpracy opracowywane lasery będą wykorzystywane do budowy nowoczesnych fotodetektorów i układów fotoniki scalonej – technologii, która znajduje zastosowanie m.in. w nowoczesnym przemyśle motoryzacyjnym czy w miniaturowych sensorach stosowanych w smartfonach.

Realizacja projektu może więc otworzyć całkowicie nowe możliwości zarówno w badaniach podstawowych, jak i w aplikacjach przemysłowych oraz biomedycznych. Połączenie szerokiego zakresu spektralnego, wysokiej mocy, ultrakrótkich impulsów i niespotykanej stabilności w jednym systemie laserowym jest dużym wyzwaniem technologicznym, ale także ogromną szansą na przełom w tej dziedzinie nauki.

Dr Maciej Kowalczyk uzyskał tytuł magistra na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, a następnie obronił pracę doktorską na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej. W trakcie doktoratu zajmował się rozwijaniem laserów iterbowych, które generują ultrakrótkie impulsy o czasie trwania kilkudziesięciu femtosekund w zakresie bliskiej podczerwieni. W 2020 r. rozpoczął staż podoktorski w grupie prof. Ferenca Krausza (laureata Nagrody Nobla z fizyki w 2023 r.) na Uniwersytecie Ludwika i Maksymiliana w Monachium w Niemczech, w ramach którego rozwijał technologie laserów chromowych, które emitują ultrakrótkie impulsy w zakresie średniej podczerwieni do zastosowań biomedycznych. W 2023 r., dzięki grantowi Polskie Powroty (NAWA/NCN) wrócił na Politechnikę Wrocławską, gdzie na Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów założył zespół badawczy, w ramach którego kontynuuje rozpoczęte za granicą badania. Prace naukowe prowadzone są we współpracy z Max Planck Institute of Quantum Optics, dzięki czemu zespół dr. Macieja Kowalczyka został jedną z dwóch aktywnych polskich Grup Partnerskich Towarzystwa Maxa Plancka.