Unijny projekt wprowadza nowy porządek w branży laserów
Istnieje wiele zastosowań w różnych sektorach, od komunikacji (np. komunikacja w przestrzeni swobodnej), przez bezpieczeństwo (np. zabezpieczenie przed pociskami rakietowymi), po wykrywanie (np. materiałów wybuchowych), w których kompaktowe i opłacalne źródła laserowe przyniosłyby korzyści. Luki w spektrum, zwłaszcza w znacznej części dalekiej podczerwieni i THz, dają nadzieję na opracowanie nowych źródeł. Jednocześnie lasery na swobodnych elektronach (FEL) stanowią radykalną alternatywę dla tradycyjnych laserów, gdyż potencjalnie są najbardziej wydajnymi, wysokoenergetycznymi i elastycznymi generatorami dostrajanego promieniowania spójnego, od ultrafioletu po podczerwień. Jednak na dzień dzisiejszy lasery FEL są nazbyt duże i kosztowne. Partnerzy projektu GOSFEL (Graphene on Silicon Free Electron Laser) przeanalizowali odkryte niedawno specjalne własności grafenu. Dzięki tej analizie osiągnęli to, co koordynator projektu prof. Geoffrey Nash określił jako od dawna namierzany cel fizyków i inżynierów, a mianowicie, zbudowanie kompaktowej, stosunkowo przystępnej cenowo wersji tego typu lasera na ciele stałym. Od teorii, przez projekt, po realizację Nadrzędny priorytet projektu GOSFEL polegał na pogłębieniu teoretycznej znajomości leżącej u podstaw fizyki oraz zasad, a następnie przejście do projektowania i budowania grafenowo-metamateriałowej hybrydy, funkcjonującej jak wnęka laserowa, która znacznie nasila interakcję światło-grafen. Praca laserów FEL polega zazwyczaj na emitowaniu promieniowania przez wiązki elektronów poruszające się w próżni i przechodzące przez faliste pole magnetyczne. Długość emitowanej fali wyznacza energia wiązki elektronów i okres pola magnetycznego. Zamiast wykorzystywać pole magnetyczne, zespół GOSFEL opracował nową strukturę, opartą na modelowaniu grafenu w celu przyspieszenia/spowolnienia elektronów, tak aby emitowały promieniowanie w zakresie od 0,2 do 10 THz. Urządzenia o takiej konstrukcji przechodzą aktualnie testy, a zespół jest przekonany, że zademonstruje zasadę działania w ciągu kilku najbliższych miesięcy. Równolegle opracowana została nowa wnęka elektromagnetycznego sprzężenia zwrotnego, która zostanie ostatecznie wbudowana w urządzenie. Trochę nieoczekiwanym efektem hybrydowego urządzenia jest, jak ujął to prof. Nash, fakt, że: „Grafenowo-metamateriałowa hybryda miała posłużyć za wnękę dla lasera, ale odkryliśmy, że pełni także rolę platformy wyjściowej do badania fizyki interakcji światło-materia”. Liczne zastosowania Prof. Nash podkreśla, że demonstracja przez GOSFEL lasera FEL na bazie grafenu podważy dominujące poglądy na temat pracy laserów (takie jak działanie w temperaturze pokojowej), a także posłuży za zapowiedź postępu na wielu frontach badawczo-rozwojowych. Nowe komponenty na bazie grafenu (oferujące być może urządzenia tańsze od tych opartych aktualnie na półprzewodnikach) wzbudzą prawdopodobnie ogromne zainteresowanie producentów czujników, analizatorów i przyrządów. Zapytany o niektóre z możliwych, konkretnych zastosowań, prof. Nash stwierdził: „Wykazaliśmy już, że modulatory THz wykraczające poza aktualny stan techniki mogłyby stanowić część przyszłych systemów komunikacyjnych oraz fotodetektorów z wnęką na bazie grafenu”. Zapewnił także, iż: „Dostrajanie modów hybrydowych otwiera drogę do wykrywania bez spektrometru, co w połączeniu ze zintegrowanym detektorem otworzy możliwość powstania wysoce czułych, tanich i zminiaturyzowanych czujników na przykład do zastosowań medycznych w miejscu opieki nad pacjentem”. Dodał, że technologia może także zapoczątkować nowe czujniki do efektywniejszego monitoringu zanieczyszczeń atmosferycznych, takich jak dwutlenek azotu, co przełoży się na efektywniejsze działania łagodzące i kontrolne. Wybiegając w przyszłość, profesor utrzymuje, że kiedy tylko pozyskane zostaną odpowiednie środki, prace oprą się na tych sprawdzonych urządzeniach modulacyjnych i detekcyjnych, umożliwiając zbudowanie prototypów interesujących producentów komponentów i czujników. Więcej informacji: witryna projektu
Kraje
Zjednoczone Królestwo
