Laser kaskadowy Łukasiewicz – IMiF, który wykrywa niebezpieczne gazy w przemyśle

Czas czytania: 3 min

Półprzewodnikowy laser kaskadowy opracowany w warszawskim laboratorium Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki może wykrywać śladowe ilości substancji chemicznych, np. metanu w kopalniach czy też monitorować poziom glukozy w organizmie. Dzięki temu Polska zyskała własną technologię laserów kaskadowych. a Łukasiewicz – IMiF należy do nielicznego grona laboratoriów światowych, które mogą wytwarzać tego typu urządzenia.

Od 2005 roku naukowcy z Łukasiewicz – IMiF prowadzą badania nad przyrządami fotonicznymi wykorzystującymi zakres promieniowania nazywany średnią podczerwienią. Promieniowanie – niewidzialne dla ludzkiego oka – otacza nas z każdej strony, ponieważ emitowane jest przez znajdujące się dookoła przedmioty. Zjawisko emitowania promieniowania przez przedmioty o określonej temperaturze (tzw. promieniowanie cieplne lub termiczne) zostało wykorzystane np. w termometrach bezdotykowych. Własności światła podczerwonego są inne niż światła widzialnego i wiele materiałów przezroczystych dla światła widzialnego jest całkowicie nieprzezroczystych w zakresie podczerwieni, np. szkło. 

dr inż. Kamil Pierściński, lider projektu w Łukasiewicz – IMiF

Opracowanie tej technologii było zadaniem złożonym i wymagało opanowania szeregu elementów składowych, począwszy od wzrostu materiału półprzewodnikowego po system wytwarzania przyrządów i ich charakteryzacji. Skomplikowane projekty trwały długo i pochłaniały duże nakłady finansowe. Niemniej jednak, dzięki pracom prowadzonym w Łukasiewicz – IMiF, Polska należy do państw posiadających własną technologię laserów kaskadowych. Dołączyliśmy do nielicznego grona laboratoriów światowych, które mogą wytwarzać tego typu urządzenia

Czym jest kwantowy laser kaskadowy?

W nauce funkcjonujący jako QCL (Quantum Cascade Laser) to rodzaj unipolarnego lasera półprzewodnikowego, emitującego promieniowanie w zakresie od średniej do dalekiej podczerwieni. Źródłem promieniowania są elektrony, które relaksują pomiędzy podpasmami w pasmie przewodnictwa emitując fotony. W emisji fotonów biorą udział tylko elektrony – stąd określenie unipolarny, w odróżnieniu od laserów półprzewodnikowych bipolarnych, w których emisja następuje w wyniku rekombinacji elektronów z dziurami.

Pierwsze QCLe, zademonstrowane w Łukasiewicz-IMiF w 2009 roku, wykonane były z arsenku galu i alumino-arsenku galu (GaAs/AlGaAs). Emitowały one impulsy promieniowania podczerwonego o długości fali 9 mikrometrów. W temperaturze pokojowej ich moc sięgała kilkudziesięciu miliwatów, a w warunkach chłodzenia kriogenicznego – pięciu watów.

Obecnie tworzone w Łukasiewicz – IMiF lasery umożliwiają konstruowanie przenośnych detektorów wykrywających śladowe ilości substancji chemicznych, np. metanu w kopalniach czy niebezpiecznych gazów w przemyśle chemicznym. W medycynie lasery kaskadowe mogą wykrywać markery chorobowe w wydychanym powietrzu, czy monitorować poziom glukozy w organizmie.  

Do niedawna prowadzenie tego rodzaju badań wiązało się z koniecznością dostępu do wyrafinowanej aparatury i przy konieczności użycia tego źródła światła wybór źródeł promieniowania był mocno ograniczony. Przełom nastąpił w momencie opracowania unikatowego i bardzo małego półprzewodnikowego lasera kaskadowego. Jego typowe wymiary to 2-4 mm długości i 0.5 mm szerokości, czyli mniej więcej tyle, ile mierzy komar. Pomimo tego, że QCL wymaga oczywiście zasilania i chłodzenia, możliwe stało się już skonstruowanie układów pomiarowych, które zmniejszyły się do rozmiaru walizki. Opcja zasilania z akumulatora czyni te przyrządy bardzo uniwersalnymi źródłami promieniowania w podczerwieni.

W diagnostyce medycznej QCL można używać do oznaczania markerów różnych chorób, np. astmy w wydychanym powietrzu albo poziomu glukozy w organizmie bez potrzeby nakłuwania skóry, poprzez analizę absorpcji promieniowania przez glukozę dzięki sondzie znajdującej się na skórze pacjenta. Możliwe też jest wykrywanie wirusów w pomieszczeniu. Oczywiście każda z tych czynności może być wykonana dzięki systemom optoelektronicznym wykorzystującym lasery bądź diody elektroluminescencyjne (LED – to dezynfekcja; diody UV świetnie się sprawdzają w niszczeniu zarazków i są już stosowane komercyjnie).

Rozwój laserów kaskadowych w Łukasiewicz – IMiF

W niedalekiej przyszłości można się spodziewać wdrożenia laserów kaskadowych do produkcji, na początku pewnie małoseryjnej i oczywiście potem ich komercjalizacji. Technologia rozwija się dynamicznie i z pewnością nie odkryliśmy jeszcze wszystkich możliwości laserów kaskadowych. Już teraz jednak wiemy, że urządzenia na pewno otwierają drogę do obiecujących zastosowań przemysłowych i medycznych. Współpracujemy w tym zakresie z różnymi firmami. Obecnie naukowcy z Łukasiewicz – IMiF realizują projekt strategiczny finansowany przez NCBR o akronimie SENSE. Rozwijamy go razem z firmą Airoptic, Politechniką Warszawską, Wojskową Akademią Techniczną, Politechniką Wrocławską i Politechniką Rzeszowską.

Lider projektu
dr inż. Kamil Pierściński

Absolwent Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. W Łukasiewicz – IMiF pracuje od 2004 r. Od początku związany z tematyką laserów półprzewodnikowych, spektroskopii optycznej i optoelektroniki. W swojej pracy naukowej uczestniczyłem w wielu projektach badawczo-rozwojowych krajowych i międzynarodowych o tematyce dotyczącej laserów półprzewodnikowych.

Grupa badawcza Fotonika Podczerwieni funkcjonująca w Łukasiewicz – IMiF realizuje prace B&R, których celem jest utrzymanie i umocnienie wiodącej pozycji zespołu w dziedzinie optoelektroniki i fotoniki w zakresie średniej i dalekiej podczerwieni. Niezależnie od realizacji badań podstawowych i publikacji wyników, celem Grupy jest opracowywanie i wdrażanie innowacyjnych rozwiązań i technologii dla przedsiębiorców krajowych w dziedzinie optoelektroniki i systemów optycznych.

Artykuł poświęcony technologii laserów kaskadowych został opracowany przez Agnieszkę Kubasik i pierwotnie opublikowany na portalu tek.info.pl

DOWIEDZ SIĘ WIĘCEJ

przeczytaj również​

This will close in 0 seconds

This will close in 0 seconds

This will close in 0 seconds