Laserowe love. "Synowi tłumaczę, że budujemy miecz świetlny" [EUREKA DGP]

Kiedy Bóg powiedział «niech stanie się światłość», musiał mieć na myśli wiązkę spójnego światła” – miał zażartować fizyk Charles Townes, który odegrał niebagatelną rolę w budowie lasera. Urządzenia te rozpalają naszą wyobraźnię od początku lat 60., kiedy udało się zbudować pierwsze egzemplarze. Dowód? Na srebrny ekran trafiły już w 1964 r. wraz z premierą „Goldfingera”. To właśnie strumieniem spójnego światła złoczyńca chciał przeciąć na pół agenta 007 w trzeciej ekranizacji przygód szpiega Jej Królewskiej Mości.

Dzisiaj za pomocą laserów tniemy znacznie więcej różnych rzeczy. Jeśli czytacie ten tekst na komputerze stacjonarnym, to z pewnością otwory w jego obudowie zostały wycięte za pomocą lasera. To samo tyczy się laptopów ubranych w aluminium lub magnez. Fakt, że lasery mają tyle zastosowań komercyjnych sprawia, że apetyt na udoskonalenia tej technologii jest niewyczerpany. Jedną z możliwych ścieżek poszli naukowcy z warszawskiego Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, należącego do Sieci Badawczej Łukasiewicz (Ł-ITME): udoskonalili światłowody wykorzystywane do konstrukcji laserów.

– Swojemu dziewięcioletniemu synowi tłumaczę, że budujemy miecz świetlny. Oczywiście jest to nieco bardziej skomplikowane, ale na szczęście nie pyta, kiedy przyniosę do domu gotowy egzemplarz – śmieje się dr inż. Marcin Franczyk z instytutu.

Aby zrozumieć, w jaki sposób światłowód – kojarzony z sieciami telekomunikacyjnymi – nadaje się do konstrukcji lasera, należy się przyjrzeć, czym właściwie jest laser. To nic innego jak urządzenie, które emituje jednokolorową wąską wiązkę światła – inaczej niż żarówka czy latarka. Efekt ten osiągamy dzięki zastosowaniu specjalnych materiałów, które można zmusić do świecenia właśnie w taki uporządkowany sposób. Materiał ten trzeba jednak najpierw pobudzić – i można to zrobić za pomocą innego źródła światła. W ten sposób dochodzi tak jakby do wymiany: używamy zwykłego światła na wejściu, aby na wyjściu uzyskać to pożądane.

W światłowodzie, jak wskazuje sama nazwa, światło już jest. Materiał, który można zmusić do świecenia w konkretny sposób, też jest, o ile do budowy światłowodu wykorzystamy szkło domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich, jak np. iterb, erb, holm, tul, prazeodym. Dzięki nim światło podawane na wejściu zostanie zamienione w to pożądane – laserowe. Jak jednak tłumaczy dr Franczyk, to jeszcze nie wszystko.

– Sercem światłowodu jest cienka szklana nić. To ten rdzeń przewodzi światło. Do tej pory wykonywano go z jednolitego materiału, np. szkła krzemionkowego. My jednak doszliśmy do wniosku, że lepiej byłoby podejść do budowy rdzenia jak do klocków: użyć do jego budowy różnych typów szkła. Dzięki temu możemy układać je w różny sposób i otrzymywać odmienne właściwości, np. zbudować laser kilkukolorowy, niespotykany do tej pory na świecie. Co najlepsze, jesteśmy w stanie te własności precyzyjnie projektować na papierze, a następnie zrealizować w sposób również bardzo precyzyjny – tłumaczy naukowiec.

Do budowy rdzenia światłowodu wykorzystujemy nanotechnologię. Jego struktura wygląda jak ułożone obok siebie na przemian kropki i sześciokąty – każdy z kształtów reprezentuje inny typ szkła o rozmiarach ponad 100 razy mniejszych niż grubość włosa, stąd nazwa – światłowody nanostrukturalne. Dzięki podejściu do budowy rdzenia jak do klocków naukowcy mogą nie tylko projektować właściwości światłowodu, lecz także polepszają jego parametry. Wśród nich jest moc urządzenia, niezwykle istotna we współczesnym przemyśle, m.in. do cięcia metali i innych materiałów, czy też w obronności do dział laserowych – w tym sensie analogia do miecza świetlnego nie jest bardzo przesadzona. Dzięki rozwiązaniu z Ł-ITME możliwa będzie konstrukcja laserów światłowodowych o znacznie większej mocy – W tej chwili najlepsze tego typu urządzenia budują w Stanach Zjednoczonych. Nie będę ukrywał, że mamy zamiar być znacznie lepsi – śmieje się dr Franczyk. – Nasze rozwiązania są chronione patentami w USA i w Europie, dlatego nie obawiamy się nieuczciwej konkurencji i zaczynamy współpracę z firmami. ©℗

Eureka! DGP

Trwa siódma edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do końca maja w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej. Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi na początku czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej), ufundowana przez organizatora