Grafen, Laser i Politechnika Wrocławska

Grzegorz Soboń i Jarosław Sotor z Grupy Elektroniki Laserowej i Światłowodowej Politechniki Wrocławskiej, kierowanej przez prof. Krzysztofa Abramskiego, pracują nad zastosowaniem grafenu do generacji ultrakrótkich impulsów laserowych. Ich rozwiązanie może być stosowane w przemyśle np. do niezwykle precyzyjnej obróbki materiałów, gdyż pozwala na zwiększenie jakości procesu obróbki przez eliminację niekorzystnych efektów termicznych, powstających podczas oddziaływania światła z obrabianym materiałem.

Opowiedzcie, nad czym w tej chwili pracujecie.
Naszym celem jest opracowanie technologii oraz budowa prototypów kilku egzemplarzy laserów światłowodowych wykorzystujących grafen do generacji bardzo krótkich – femtosekundowych – impulsów światła. Nasz zespół z PW w ramach projektu Ultra-GRAPH, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, stworzył konsorcjum wraz z Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie oraz firmą Fiber Optic Technical Support z Wrocławia.

Czyli istnieje współpraca nauki z biznesem. Do czego będzie można wykorzystać wasze prototypy, a może później seryjnie produkowane lasery?
Jesteśmy tuż po największych na świecie targach laserowo-optycznych, odbywających się w Monachium. Tam mieliśmy okazję zobaczyć dostępną aktualnie na rynku całą gamę laserów femtosekundowych. W porównaniu z zeszłym rokiem można mówić o boomie na takie rozwiązania. Wszystko dlatego, że takie lasery mają bardzo wiele zastosowań w różnych dziedzinach. Od narzędzia dla nas, czyli naukowców, do badania struktury materiałów, inicjowania procesów fizycznych i chemicznych w laboratoriach, po niezwykle praktyczne narzędzie dla medycyny i przemysłu. Trzeba zaznaczyć, że nie pracujemy nad całym systemem wykorzystywanym do cięcia. Na razie opracowujemy źródło światła promieniowania sygnałowego, które należy dalej odpowiednio wzmocnić w układzie wzmacniacza optycznego. Wzmocnione promieniowanie może już być użyte w większości aplikacji przemysłowych.

A coś więcej?
Na chwilę obecną znacząca część przemysłu opiera się na procesach obróbki materiałów wykorzystujących lasery o impulsach nanosekundowych. Powoli nowe systemy wyposażane są w lasery pikosekundowe i właśnie femtosekundowe. Nasz laser femtosekundowy będzie można wykorzystać jako źródło światła np. do skalpeli optycznych, które mogą być pomocne w stomatologii czy chirurgii naczyniowej.

Za pomocą takiego lasera można np. przeprowadzać procesy mikrowiercenia, strukturyzacji powierzchni, kolorowego laserowego znakowania metali itp. Zaletą zastosowania promieniowania laserowego o impulsach krótszych niż 1 ps jest eliminacja efektów termicznych występujących w tego typu procesach, np. przy stosowaniu laserów nanosekundowych. Pozwala to na znaczną poprawę jakości procesu obróbki. Podsumowując, opracowywane przez nas systemy laserowe znajdą zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzebna jest bardzo wysoka jakość obróbki bez generowania efektów termicznych.

Rozumiem, że na targach w Monachium zobaczyliście szereg urządzeń podobnych do waszego. Na czym polega wyjątkowość lasera znajdującego się obok nas?
Założeniem projektu jest opracowanie lasera generującego impulsy o czasie trwania na poziomie kilkuset femtosekund o małej mocy. Innymi słowy, chcemy doprowadzić nasz produkt do postaci prototypu w obudowie wielkości kasety VHS, która będzie mogła być zastosowana jako podzespół do produkcji maszyn, choćby do precyzyjnej obróbki materiałów.

Bo pamiętajmy, że takie maszyny to nie tylko źródło światła, ale także całe skomplikowane instalacje wzmacniające sygnały optyczne czy automatyka służąca do precyzyjnego sterowania. My jednak pracujemy nad czymś nowym, gdyż wykorzystujemy do produkcji naszego lasera grafen jako superszybki przełącznik światła. Ważnym faktem jest również to, że zarówno technologia grafenu, jak i układ lasera zostały opracowane przez polskie grupy badawcze, co daje szanse na wytworzenie polskiej technologii laserów femtosekundowych, wykorzystujących grafen.

Jakie grafen ma zalety?
Grafen ma tę zaletę, że ze względu na jego szerokopasmową i praktycznie niezależną od długości fali absorpcję możemy użyć jednej próbki (tzw. nasycalnego absorbera) do uruchamiania laserów pracujących na różnych długościach fali, np. 1 μm, 1,5 μm czy 2 μm.

Przewiduje się również większą w porównaniu z aktualnie stosowanymi absorberami żywotność tych na bazie grafenu, co powinno przełożyć się na zmniejszenie kosztów serwisowania takich systemów. Dodatkowo opracowana przez nas konfiguracja lasera zapewnia samoistną pracę impulsową, co nie jest typowe dla wszystkich komercyjnie dostępnych rozwiązań.

Kiedy skończycie swoje badania i zobaczymy gotowy produkt?
Z punktu widzenia naukowego moglibyśmy już zamknąć ten projekt. W wypadku opracowywania technologii musimy zadbać jednak o powtarzalność parametrów budowanych laserów. Proszę nam wierzyć, że to nie takie proste.

Przeskok od 1 sztuki do 100 takich samych to naprawdę spory wyczyn. Dobrym znakiem jest to, że mamy w naszym laboratorium zbudowany przez nas laser testowy, który pracuje bez przerwy już prawie od dwóch miesięcy i nie wymaga żadnej obsługi. Nie zaobserwowaliśmy degradacji grafenu ani zmiany parametrów wyjściowych lasera. I o to nam chodzi.

Nie ma się jednak co oszukiwać, że dzięki naszym badaniom w ciągu roku jest szansa, aby wyprzeć to, co jest teraz powszechnie używane, czy to w medycynie, czy w przemyśle. Jeżeli nam się uda, to opracujemy źródło generujące ultrakrótkie impulsy światła, które ma nie tylko unikalne właściwości, ale prawdopodobnie będzie znacznie tańsze niż te dostępne obecnie. A obecnie potentaci na rynku biją się o te femtosekundy.

Dlaczego?
Różnica między np. impulsem o czasie trwania 900 femtosekund, a 20 pikosekund jest bardzo istotna. Przy impulsach pikosekundowych dochodzi do termicznego obrabiania materiału. Ogromną różnicę w jakości obrabianej powierzchni można bez większego problemu zauważyć już przy obserwacji prostym mikroskopem optycznym.

Jeden z naszych kolegów z zespołu pracuje obecnie nad zastosowaniem laserów (w tym naszego systemu) do wycinania stentów używanych do przywracania drożności naczyń krwionośnych. Stenty te są z materiału biodegradowalnego, który z czasem całkowicie się wchłonie w organizmie. Do tej pory, ze względu na niekorzystne efekty termiczne przy obróbce, nie można było używać takich szybkodegradowalnych w organizmie materiałów. To będzie spora rewolucja.