Lasery półprzewodnikowe - jak wyglądają, czym się wyróżniają na tle innych? Gdzie znajdują zastosowanie?
W bardzo ogólnym skrócie lasery VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) to takie diody LED na sterydach. Są one porównywalnych rozmiarów co klasyczne LEDy, jednak ich konstrukcja jest nieco bardziej skomplikowana. Składa się z dwóch zwierciadeł, z czego jedno całkowicie odbija światło, a drugie jest nieco przepuszczalne (gdyby tak nie było, to nic by nie świeciło), w środku którego znajduje się obszar czynny, gdzie dochodzi do wzmocnienia światła. W laserze VCSEL rolę luster pełnią zwierciadła Bragga.
Dzięki tym unikalnym atutom, możemy je spotkać niemalże na każdym kroku. Robiąc zakupy – przy skanowaniu produktów, korzystając z drukarki laserowej, odtwarzając płyty CD/DVD, korzystając z myszy optycznej czy odblokowując ekran twarzą na naszym iPhonie. To właśnie VCSELe odpowiedzialne są za przesyłanie informacji w sieciach światłowodowych, a spotkamy je w autonomicznych samochodach wykorzystujących technikę LIDAR do rozpoznawania otoczenia. Możemy ich użyć też do bardziej nietypowych rzeczy – rok temu firma Elona Muska opatentowała urządzenie do… zabijania much i innych owadów zbliżających się do szyby pędzącego samochodu. Narzędziem zbrodni według informacji patentowej jest właśnie laser VCSEL.
Interesuje się Pani również siatkami podfalowymi - jaka jest ich specyfika? Do czego mogą służyć?
Siatkę podfalową w makroskali możemy wyobrazić sobie jak rozłożone w równej odległości wafelki czekoladowe zawieszone w powietrzu. Gdyby chcieć skorzystać z jej unikalnych właściwości i zakładając, że wafelki ciągną się w nieskończoność, a szerokość wafelka wraz z przerwą powietrzną wynosi 1 cm, musielibyśmy wysłać w ich stronę falę elektromagnetyczną o długości niewiele mniejszą niż 1cm czyli falę o częstotliwości rzędu GHz, czyli mówimy tu już o dalekich falach radiowych.
A teraz wyobraźmy sobie, że te wafelki wykonane są ze szkła i są milion razy mniejsze. Gdy taką strukturę (szklane paski) zawiesimy w powietrzu i wyślemy w jej stronę wiązkę światła (na przykład ze wskaźnika laserowego) pod odpowiednim kątem, zaobserwujemy, że ulegnie ona załamaniu i odbiciu wewnątrz szklanych pasków wielokrotnie, sprawiając, że nasza wiązka zaczyna „podróżować” wewnątrz siatki. Eksperymentalnie możemy to zaobserwować, kierując wskaźnik laserowy na butelkę wody.
Taki efekt w fizyce nazywamy zjawiskiem falowodowym (wodzimy falę, czyli światło). W połączeniu ze zjawiskiem dyfrakcji (ugięcia fali), które zaobserwowalibyśmy, gdybyśmy oświetlili laserem szklane paski od góry, dostajemy całkiem nowe zjawisko, zwane resonansem Fano, dzięki któremu siatki podfalowe (szklane paski) zyskują swoje unikatowe właściwości. Oczywiście może się tutaj pojawić mały zgrzyt w głowie, ale jak to, szkło zawieszone w powietrzu? I jest to dość realny problem, ale dzięki wynikom mojej pracy okazuje się, że nie musimy nic wieszać w powietrzu, a możemy położyć naszą siatkę na stabilnym podłożu.
Unikalne właściwości siatek podfalowych o wysokim kontraście współczynnika załamania zostały pokazane już w 2004 roku, kiedy dowiedziono, że bardzo mała struktura (1/10 rozmiarów VCSELa) jest w stanie być idealnym lustrem lub przepuszczać całkowicie światło. W literaturze pokazano już przeróżne pomysły na wykorzystanie tych cech – np., że możliwe jest zbadanie poziomu glukozy we krwi, markerów chorobowych, czy chociażby ilości przeciwciał IgG, które obecnie bardzo często oznaczamy, chcąc sprawdzić czy i jak dużo przeciwciał ma nasz organizm po walce z COVID-19 (bądź po szczepieniu przeciwko niemu).
Prowadzi Pani swoje badania w zespole prof. Tomasza Czyszanowskiego. Nad czym aktualnie pracujecie?
Jestem zaangażowana w trzy projekty. Pierwszy to moja praca doktorancka o tytule „Towards electrically pumped Fano lasers”, której celem jest stworzenie siatki podfalowej sterowanej prądowo. Dotychczas zaprezentowane siatki kontrolowane były jedynie za pomocą światła. Prądowe sterowanie byłoby krokiem milowym do produkcji masowej i wykorzystywania tych urządzeń na dużą skalę. Biorąc pod uwagę aspekt praktyczny, w swojej pracy badam na jakich podłożach mogę umieścić membranę, aby osiągnąć najlepsze gromadzenie światła wewnątrz struktury (wysoką dobroć). Pierwsze wyniki są bardzo obiecujące i chciałabym w przyszłości wyprodukować podfalowy laser, czy też sensor.
Poza tym m.in. jestem zaangażowana w projekt prowadzony w konsorcjum z firmą VIGO Systems oraz Politechniką Warszawską. Naszym zadaniem (PŁ) jest projektowanie struktur laserów VCSEL emitujących promieniowanie na daną długość fali. Te dane przesyłane są do VIGO, gdzie tworzony jest rzeczywisty laser, a potem otrzymując dane z pomiarów w VIGO, my w Łodzi możemy na podstawie symulacji powiedzieć, którą warstwę należy pocienić/pogrubić, żeby idealnie trafić w zadaną długość fali, a jednocześnie zagwarantować najlepsze parametry optyczno-elektryczno-termiczne. Moją rolą w tym projekcie jest wykonywanie projektów struktur optycznych, tzn. obliczam, jakie grubości mają mieć dane warstwy w laserze, żeby wszystko ze sobą współgrało. Do tej pory możemy się pochwalić tym, że stworzyliśmy pierwszy, polski laser VCSEL (pisano o nim m.in. w „Forum Akademickim”) emitujący promieniowanie na 850 nm. Dotychczas zaprojektowałam również strukturę lasera do zegara atomowego.
Jak trafiła Pani do zespołu prof. Czyszanowskiego?
W czasie studiów zainteresowałam się fizyką medyczną, głównie zastosowaniem protonoterapii w terapii nowotworów, jednak trudno było mi znaleźć promotora. Nie ma jednak przypadków – byłam pod wrażeniem pasji do nauki prof. Czyszanowskiego i zdecydowałam się pod Jego kierunkiem w pracy dyplomowej rozwinąć temat związany z optoelektroniką. Pracę inżynierską napisałam, obroniłam, jednak czułam niedosyt. Temat mnie wciągnął i pozostawił w mojej głowie więcej pytań niż odpowiedzi. Dlatego zdecydowałam się zostać w Łodzi i kontynuować studia na drugim stopniu na specjalności optoelektronika, gdzie mogłam zgłębiać tematy stricte związane, co jak się okazało, z tym co mnie bardzo interesuje. Zagadnienia były bardziej praktyczne, tzn. dotyczyły przyrządów, z którymi mamy do czynienia na co dzień i które są przyszłością. W międzyczasie wyjechałam do Berlina na staż związany z laserami półprzewodnikowymi, gdzie trzy miesiące spędziłam w laboratorium, mierząc różne charakterystyki. Myślę, że to właśnie wtedy utwierdziłam się na 100%, że jest to coś, z czym chcę wiązać moją przyszłość. Uwielbiałam pracę w laboratorium, a gdy nudziły mnie monotonne pomiary, mogłam usiąść do kodu i projektować dalej struktury do pracy magisterskiej. Wiedziałam, wtedy że chcę się rozwijać, aby w końcu móc stworzyć działające urządzenie, które być może w przyszłości będzie szeroko stosowane w różnych dziedzinach życia.
Dlaczego warto być naukowcem?
W popkulturze naukowiec zwykle jest przedstawiany jako introwertyczny szaleniec z poczochraną fryzurą i plamą kawy na fartuchu.
Chociaż czasem, gdy dobiega deadline możemy tak wyglądać, to nie jest to zgodne z prawdą. Bycie naukowcem to bawienie się w detektywa starającego się rozwikłać problemy świata. Jako naukowcy możemy pomóc innym zrozumieć świat dookoła nas, albo udoskonalić go, stwarzając coś z niczego (metaforycznie, oczywiście energia nie może być zniszczona ani stworzona ?). Świat nauki jest światem otwartym na nowości, na poznawanie nowych ludzi i ich ciekawych idei. Nie ma tu mowy o rutynie ani nudzie. I myślę, że to właśnie dlatego warto być naukowcem, bądź naukowczynią.