Wpływ kropek kwantowych i jonów ziem rzadkich na światło emitowane przez światłowody bada doktorant Politechniki Białostockiej. Otrzymał na ten cel ponad 200 tys. zł.
Uzyskanie szerokopasmowej emisji promieniowania w zakresie bliskiej podczerwieni – kluczowym w telekomunikacji czy zastosowaniach sensorowych – ma być efektem przeprowadzonych w Politechnice Białostockiej badań nad innowacyjnymi typami światłowodów.
Do tej pory nie spotkano się ze światłowodami domieszkowanymi jednocześnie kropkami kwantowymi i jonami ziem rzadkich do zastosowań w bliskiej podczerwieni. Mamy rozwiązania światłowodów domieszkowanych kropkami kwantowymi i lantanowcami w zakresie widzialnym, ale brakuje rozwiązań w zakresie bliskiej podczerwieni – tłumaczy mgr inż. Jakub Markiewicz ze Szkoły Doktorskiej Politechniki Białostockiej.
Kropki kwantowe to inaczej nanokryształy półprzewodnikowe. Ich odkrycie przyniosło zespołowi Moungiego G. Bawendiego, Louisa E. Brusa i Alexeia I. Ekimova Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2023 roku.
Zakres bliskiej podczerwieni jest szczególnie użyteczny przy zastosowaniach sensorowych czy telekomunikacji – wyjaśnia Markiewicz. – Trwają prace nad poszerzaniem pasma wzmocnienia wzmacniaczy włóknowych. Zastosowanie kropek kwantowych pozwoli na przesunięcie pasma użytecznego wzmacniacza w stronę pasma 1.3, gdzie trudno uzyskać emisję z wykorzystaniem lantanowców, ale kropki kwantowe na to pozwalają. Będziemy szukać odpowiedzi na pytanie, czy jest możliwe opracowanie światłowodu współdomieszkowanego kropkami kwantowymi i jonami ziem rzadkich, pozwalającego uzyskać szerokopasmową emisję promieniowania w zakresie bliskiej podczerwień, czyli od 1 mikrometra do 1,5 mikrometra czy nawet do 1,8 mikrometra.
Prace będą prowadzone w Laboratorium Światłowodów Specjalnych na Wydziale Elektrycznym Politechniki Białostockiej. To tu swoje badania prowadzą najwybitniejsi specjaliści technologii światłowodowej w Polsce. Dostęp do laboratorium z 11-metrową wieżą do wyciągania światłowodów pozwala badaczom na wykonanie szeregu próbek. Zaplecze techniczne – optyczne analizatory widma i monochromator na zakres bliskiej podczerwieni – od razu daje możliwość sprawdzenia, jaki wpływ na emitowane widmo będą miały współdomieszkowane kropki kwantowe i jony ziem rzadkich.
Dysponujemy laserowymi diodami półprzewodnikowymi wysokiej mocy, które pozwolą pompować optycznie uzyskane szkła i światłowody – podkreśla mgr inż. Jakub Markiewicz. – Wyniki badań i opublikowane artykuły pomogą przede wszystkim rozwinąć wzmacniacze włóknowe w kierunku pasma 1.3, gdzie trudno jest uzyskać luminescencję wykorzystując jony lantanowców, ale również do wielu innych zastosowań.
Celem projektu jest opracowanie nowych nanokompozytowych włókien optycznych współdomieszkowanych kropkami kwantowymi (QDs) i jonami ziem rzadkich (RE), charakteryzujących się szerokopasmową emisją w zakresie bliskiej podczerwieni (NIR). Projekt opiera się na hipotezie, że możliwe jest osiągnięcie ultra-szerokopasmowej emisji (1,0-1,7 μm) w światłowodzie jednordzeniowym dzięki transferowi energii między kropkami kwantowymi i jonami ziem rzadkich oraz superpozycji ich pasm emisji.
Aby zweryfikować tę hipotezę, zaproponowano innowacyjne podejście polegające na kontrolowanym wzroście kropek kwantowych w włóknach optycznych, stosując metodę jednoetapową. Zakłada ona użycie dodatkowego pieca na wieży światłowodowej, co ma na celu kontrolowanie procesu wzrostu kropek kwantowych w rdzeniu włókna podczas jego wyciągania. Proces ten zostanie porównany z aktualnie stosowaną w literaturze metodą obróbki cieplnej za pomocą wygrzewania w piecu, lasera CO2 lub femtosekundowego.
Szerokopasmowa emisja w bliskiej podczerwieni ma kluczowe znaczenie dla wielu dziedzin, takich jak telekomunikacja, medycyna (OCT), metrologia i sensory gazowe. Projekt uzyskał finansowanie w wysokości ponad 200 tys. zł z Narodowego Centrum Nauki.
Agnieszka Sakowicz-Stasiulewicz