Pomysłodawcą badania jest dr hab. inż. Maciej Pieczarka z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki, który wykonał swój przełomowy eksperyment w laboratoriach Politechniki Wrocławskiej wspólnie z doktorantką Aleksandrą Piasecką.

O badaniach z Nature Photonics poinformowali przedstawiciele PWr w przesłanym PAP komunikacie prasowym.

LASEROWY PRZEŁOM

“Swoje badania przeprowadziliśmy na urządzeniu praktycznie nieróżniącym się od tych stosowanych obecnie w przemyśle, np. w smartfonach, w telekomunikacji itd.” – mówi cytowany w komunikacie PWr dr Maciej Pieczarka. I dodaje: “Obserwacja kondensacji Bosego-Einsteina światła w takim urządzeniu jest kompletnie nowym spojrzeniem na zasady działania laserów półprzewodnikowych!”

^{Fragment płytki z urządzeniami laserowymi do przebadania. Źródło: Politechnika Wrocławska}

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.

Nasi naukowcy 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 Maciej 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.

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” – tłumaczy dr inż. Maciej Pieczarka. I dodaje, że w tym przypadku mechanizm działania jest całkowicie inny.

Dodatkowo naukowcy z Politechniki Wrocławskiej zbadali właściwości termodynamiczne gazu fotonowego.

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

JAKIE TO MA ZNACZENIE?

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. Taki tryb działania lasera ma także - zdaniem badaczy - ogromny potencjał aplikacyjny.

^{Sprzęt w laboratorium laserowym. Źródło: Politechnika Wrocławska}

Lasery VCSEL o dużej aperturze aktywnej (laser z PWr miał aperturę 23 mikrometrów) są znane z tego, że emitują wielomodowo, więc 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” – precyzuje 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.

Ich publikacja „Bose-Einstein condensation of photons in a vertical-cavity surface-emitting laser” („Kondensacja Bosego-Einsteina fotonów w laserze z pionową wnęką rezonansową z emisją powierzchniową”) powstała we współpracy z członkami Zespołu Fotoniki Instytutu Fizyki Politechniki Łódzkiej: prof. Tomaszem Czyszanowskim, dr. Marcinem Gębskim i dr. hab. Michałem Wasiakiem. Z kolei wsparcia teoretycznego naukowcom z Politechniki Wrocławskiej udzielił prof. Axel Pelster z RPTU Kaiserslautern.

Jeszcze przed wysłaniem swojego artykułu do publikacji dr Maciej Pieczarka spotkał dr. Rossa Schofielda z grupy prof. Ruperta Oultona Imperial College z Londynu, który prezentował tożsame wyniki uzyskane w tym samym czasie, ale w trochę innym układzie laserowym o otwartej wnęce.

^{Zbliżenie na pojedyncze lasery pod mikroskopem. Fot. Politechnika Wrocławska}

Obie grupy postanowiły nie ścigać się i nie konkurować, kto pierwszy opublikuje swoje wyniki, tylko współpracować i w tym samym czasie wysłać je do recenzji. Artykuły równocześnie opublikowano w Nature Photonics. Odkrycie to zostało więc potwierdzone przez dwie niezależne grupy, których prace pokazują różne aspekty tego samego efektu.

Więcej na ten temat na stronie uczelni. (PAP)

Nauka w Polsce

lt/ bar/