Zespół naukowców z Politechniki Wrocławskiej pod kierunkiem prof. Krzysztofa Abramskiego otrzymał grant naukowy programu GRAF-TECH w wysokości jednego miliona euro. Program jest realizowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.
Grafen ma formę „plastra miodu”– pojedynczej warstwy atomówwęgla, która składa się z połączonych sześcioczłonowych pierścieni. Aplikacje grafenu w elektronice są intensywnie badane. Uważa się, że grafen może zastąpić krzem w technologii półprzewodnikowej.W 2010 r. Nagrodę Nobla z fizyki za
badania nad grafenem przyznano Andriejowi Gejmowi i Konstantinowi
Nowosiołowowi. Od roku zespół prof. Krzysztofa Abramskiego (W‑4, Grupa
Elektroniki Laserowej i Światłowodowej) prowadzi badania nad
zastosowaniem grafenu w technice laserowej.
youtube
– Od pewnego czasu zajmujemy się laserami światłowodowymi z tzw. mode-lockingiem, czyli z synchronizacją modów, a więc laserami o ultrakrótkich impulsach – mówi prof. Abramski. – W tym czasie powstały dwa bardzo dobre doktoraty z tej dziedziny: dr. Aleksandra Budnickiego i dr. Michała Nikodema. Dążymy do uzyskania coraz lepszych urządzeń. W ubiegłym roku pojawiły się pierwsze doniesienia, że na grafenie można osiągnąć ultrakrótkie impulsy laserowe. Ponieważ Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie wytworzył swoimi metodami grafen – sprawa była dosyć nagłośniona – zwróciliśmy się o próbki. Ale w tym czasie dwóch moich młodych współpracowników: dr Jarosław Sotor i mgr Grzegorz Soboń postanowiło wytworzyć własne próbki metodą „noblowską”, czyli przez zrywanie monoatomowej warstwy naturalnego grafitu. Przy szczęściu można uzyskać taką warstwę, którą montuje się w laserze jako tak zwany nasycalny absorber. Działa on jak modulator taktujący. Cienką, niemal niewidoczną dla oka warstwę grafenu nanosi się na powierzchnię czoła światłowodu (taka monowarstwa dobrej jakości ma maksymalną absorpcję 2%). Grafen jest niezwykle szybkim materiałem absorpcyjnym. Impulsy femtosekundowe, które otrzymujemy, mają bardzo szerokie widmo: tak jak delta Diraca odpowiada zakresem częstotliwości białemu szumowi – wyjaśnia kierownik projektu i kontynuuje:
– Powstające w układzie impulsy są precyzyjnie zsynchronizowane: każdy jest taktowany w takim samym czasie i zakresie częstotliwości. Otrzymujemy zatem czasowe i widmowe grzebienie (optical combs). Uzyskujemy w ten sposób użyteczne narzędzie metrologiczne (optyczne wzorce częstotliwości, dalmierze wojskowe, pomiary astronomiczne przesunięć dopplerowskich święcących gwiazd), znajdujące również zastosowanie w wielu innych technikach (telekomunikacja, mikroobróbka laserowa). To po prostu spektralna suwmiarka w świetle optycznym. Stawiamy sobie za cel, by poszerzać te „grzebienie” od bliskiej podczerwieni do głębszej (ok. 5 mikrometrów), jak również przenieść je w światło widzialne. Badania dopiero się zaczynają.
W międzyczasie ITME przekazało wrocławskiemu zespołowi próbki wytworzonego tam grafenu. – Stwierdziliśmy, że zarówno na naszych, jak i na warszawskich próbkach potrafimy uruchomić lasery z grafenem w podczerwieni (1550 nm). Znamy wrocławską firmę, która jest chętna do wdrożenia układów z synchronizacją modów na grafenie. Ponieważ nasz zespół ma wieloletnie doświadczenie w budowie laserów światłowodowych i w profesjonalnej elektronice (ze stabilizacją etc.), postanowiliśmy wystąpić o grant w ogłoszonym przez NCBiR projekcie GRAF-TECH. Mimo wielu aplikujących i wysokich wymagań recenzentów (wniosek był recenzowany przez pięć osób), znaleźliśmy się wśród 12 beneficjentów. Tworzą oni konsorcja z udziałem podmiotów gospodarczych, gdyż warunkiem konkursu było podjęcie prac nad finalną aplikacją i wdrożeniem – mówi prof. Abramski.
Zespół prof. Abramskiego jest teraz na etapie podpisywania umów prowadzących do powstania konsorcjum, w którym będzie liderem.
Miarą dorobku tej grupy badawczej jest osiem filadelfijskich publikacji, zamieszczonych w tym roku w dobrych czasopismach z wysokim IF, na temat różnych układów pracujących na grafenie. Przed badaczami trzy lata, w ciągu których należy doprowadzić do wdrożenia. Dwuipółletni cykl badawczy to projektowanie, konstruowanie, stworzenie niezawodnego rozwiązania, zaś pół roku zajmie wyprodukowanie wersji wdrożeniowej w firmie FOTS – Fiber Optic Technical Support, którą stworzył jeden z magistrantów zespołu prof. Abramskiego. Z przyznanych na realizację grantu blisko 4 mln zł zespół z PWr dostanie około 2 mln zł, ITME 1,5 mln zł, a 0,5 mln zł – FOTS.
Technologia wykonania grafenu opracowana w ITME ma dwa warianty. Pierwszy opiera się na epitaksji prowadzonej na różnych podłożach (metalicznych, z węgliku krzemu) metodą CVD; zaadaptowano tu aparaturę stosowaną dotąd do półprzewodników. Tak otrzymany materiał ma charakteryzować się podobno bardzo dobrymi parametrami (czystość, struktura). Druga technologia z ITME polega na robieniu zawiesiny z proszku grafitowego. Po rozbiciu grafitu za pomocą ultradźwięków i odwirowaniu otrzymuje się pojedyncze płatki pływające w zawiesinie. Z takiej substancji wylanej na szkło czy inną powierzchnię optyczną, po odparowaniu rozpuszczalnika, uzyskuje się rodzaj polikryształu.
Moc wykonywanych przez zespół prof. Abramskiego laserów jest niewielka, sygnał wymaga więc wzmocnienia. Jednakże wzmacnianie tak krótkich impulsów nie jest sprawą trywialną ze względu na zjawiska nieliniowe, które pogarszają wzmocnienie. Buduje się więc system, który najpierw poszerza widmo, by można było wzmacniać sygnał optyczny (gęstość mocy na dekrement częstotliwości jest wtedy dużo mniejsza), a potem ponownie się go kompresuje. W sumie z kilkunastu miliwatów osiąga się moc 2,5 W.
Zespół jest dumny ze zbudowanego na prostym interferometrze Michelsona optycznego autokorelatora, który pozwala na pomiar bardzo krótkich impulsów. Nie ma urządzenia, które pozwalałoby na tak szybki, bezpośredni pomiar, stąd wynika konieczność stosowania metody pośredniej. Czego można oczekiwać za trzy lata? – Chcemy mieć urządzenie dopięte do laptopa, z którego wyjścia będzie wychodził „grzebień optyczny impulsów” – stabilnych, o mocy kilkunastu miliwatów, z pełną kontrolą jej poziomu. Będzie to tzw. generator zadający (seed laser). Oceniamy, że nasze doświadczenie w teorii i praktyce doprowadzi nas do pożądanych wyników – mówi prof. Abramski. – Firma FOTS ma dobre kontakty zagraniczne, więc pozwoli dobrze rozpropagować produkt.
Zespół zresztą dba o nurt aplikacyjny. W tej chwili buduje dla Europejskiej Agencji Kosmicznej stabilny zielony laser na długości fali 532 nm o mocy wyjściowej 50 mW, a raczej laserek, gdyż małe gabaryty są tu istotnym wymogiem. Za 10 miesięcy mają powstać dwa urządzenia, które będą porównywane pod względem stabilności mocy i częstotliwości. Układ elektroniczny jest dziełem pracowników zespołu. System wymaga niezmiernie precyzyjnej stabilizacji termicznej. Konstrukcja lasera z tak zwanym filtrem Loyota wymusza jego pracę na jednej częstotliwości.
Zespół uczestniczył też w norweskim programie badawczym, w którym wykonano oryginalny wibrometr laserowo-światłowodowy, pozwalający bezdotykowo mierzyć drgania konstrukcji. Oferowane rozwiązanie oparte jest na czterech niezależnych laserach podczerwonych. Lasery mają wiązkę uzupełnioną o promieniowanie widzialne, by można było obserwować dokładnie punkt pomiaru. Można wykorzystać takie rozwiązanie w przemyśle. Podjęto już rozmowy o współpracy w trzech firmach norweskich i sześciu polskich, np. przy pomiarach wibracji turbin i przemysłowej produkcji silników czy sprzętu AGD.
Może i z tego zastosowania rozwinie się dochodowa firma?
Maria Kisza
Zdjęcia: Krzysztof Mazur
|