nauka dla gospodarki - konferencja

TECHNOLOGIE
LASEROWE
W
DIAGNOSTYCE
MATERIAŁOWEJ, TELEKOMUNIKACJI I INFORMATYCE
MEDYCZNEJ,
INZYNIERII
Halina Abramczyk*, Krzysztof Kurczewski, Małgorzata Kurczewska
Politechnika Łódzka, Instytut Techniki Radiacyjnej
Laboratorium Laserowej Spektroskopii Molekularnej
TECHNOLOGIE LASEROWE to jedna z najbardziej dynamicznie rozwijających się
dziedzin telekomunikacji, diagnostyki medycznej, optoelektroniki, fotoniki, inżynierii
materiałowej, informatyki światłowodowej. Odpowiedzią na gwałtowny rozwój technologii
laserowych jest wzrastające zapotrzebowanie na specjalistów mających z jednej strony wiedzę
z zakresu szeroko rozumianych technik laserowych a z drugiej - dobre rozeznanie w
możliwościach praktycznego zastosowania laserów w diagnostyce medycznej, optoelektronice
światłowodowej, współczesnej informatyce i inżynierii materiałowej. Nowoczesna technika
coraz częściej wykorzystuje bowiem światło do przesyłania i przetwarzania sygnałów.
Wykorzystuje się m.in. półprzewodnikowe źródła i detektory światła, oraz światłowody, które
zrewolucjonizowały współczesną elektronikę i telekomunikację. Jednocześnie optoelektronika
przyczyniła się w istotny sposób do rozwoju systemów informatycznych. Krótko mówią
tradycyjne podziały stają się powoli anachroniczne. Zaciera się granica między elektroniką,
informatyką, spektroskopia laserową. Współczesny inżynier telekomunikacji powinien znać
optykę nieliniową, technologie laserowe bardziej niż kiedykolwiek. Współczesny mechanik
badający np. korozję czy własności cienkich warstw deponowanych na podłożu powinien znać
laserowe metody spektroskopowe badania i modyfikowania powierzchni. Takich przykładów
można by podać jeszcze wiele. Nagroda Nobla dla spektroskopii laserowej w 2005 potwierdza
jej ważna rolę we współczesnej technice i ma trudny do przecenienia wpływ na współczesna
gospodarkę, co postaram się zilustrować w tym wykładzie.
LABORATORIUM LASEROWEJ SPEKTROSKOPII MOLEKULARNEJ należy do
najlepiej wyposażonych laboratoriów laserowych w kraju dysponując unikalną aparaturą
odpowiadającą najwyższym standardom światowym. W szczególności należy wymienić
femtosekundowy układ laserowy i układ laserowy do pomiarów światła rozproszonego
Ramana. W laboratorium znajdują się lasery ciągłe i impulsowe, wysyłające impulsy od
nanosekund po niewyobrażalnie krótkie impulsy rzędu femtosekund (1 fs= 10-15 s).
Laboratorium współpracuje ze szpitalami w celu opracowania optycznych metod
diagnostycznych, wydziałami inżynierii środowiska, mechanicznym, fizyki Politechniki
Łódzkiej w celu optycznego kontrolowania modyfikacji faz w inżynierii materiałowej dla
materiałów mających zastosowanie w optoelektronice, przemyśle maszynowym.
.Laboratorium współpracuje z laboratoriami zagranicznymi z USA, Francji, Niemiec oraz
przyczynia się do dostarczenia środowisku łódzkich chemików nowoczesnej i unikatowej
aparatury badawczej.
Aparatura znajdująca się w Laboratorium Laserowej Spektroskopii Molekularnej obejmuje:
•
spektrometr Ramana (Ramanor U1000, Yobin Jvon
•
laser jonowy argonowy 2017-04S (Spectra Physics),
1
•
femtosekundowy laser tytanowo-szafirowy (Ti+3Al2O3) Tsunami 3960-H3S (Spectra
Physics)
•
laser na ciele stałym (Nd:YVO4) (Millennia-P) (Spectra Physics)
•
wzmacniacz regeneratywny (Spitfire F-P-1, Spectra Physics)
•
laser impulsowy na ciele stałym Nd:YLF (Merlin, Spectra Physics)
•
autokorelator (Model 409-08, Spectra Physics)
•
autokorelator (SSA-F - Single Shot Autocorrelator)
•
oscyloskop cyfrowy (Tektronix, 500 MHz, 5Gs/s
•
spektrometr do ultraszybkiej analizy (Rees 201)
•
•
•
•
oscyloskop cyfrowy (Tektronix, TDS 210, 60 MHz, 1Gs/s)
generatory drugiej (395 nm) i trzeciej harmonicznej (263 nm)
monochromator Triax 550 (Jobin Yvon)
kamera CCD (1024x256, back illuminated, UV enhanced)
Typowe moce szczytowe współczesnych laserów femtosekundowych są rzędu megawatów
(MW), zaś po wzmocnieniu lasery femtosekundowe mogą osiągać moc szczytową rzędu
terrawatów (TW). Przykładem takiego układu jest ASTRA znajdująca się w Rutherford
Appleton Laboratory, UK, która bazuje na laserze tytanowo- szafirowym. Parametry lasera
tytanowo-szafirowego znajdującego się w naszym laboratorium są następujące: Moc
szczytowa lasera – 0.12 MW; (dla porównania moc elektrowni EC-2 200 MW), moc
szczytowa lasera po wzmocnieniu – 10 GW; (dla porównania – moc elektrowni Bełchatów 4
GW), gęstość mocy – 10 8 W/cm2 gęstość mocy po wzmocnieniu - 10 11 W/cm2
35000
intensywność
28000
21000
14000
7000
0
-300
-200
-100
0
100
200
-1
liczba falowa (cm )
300
Rys. 8a
intensywność
3000
2000
1000
0
-300
-200
-100
0
100
200
300
-1
liczba falowa (cm )
1. DO CZEGO POTRZEBNE SĄ LASERY FEMTOSEKUNDOWE?
Zainteresowania chemików można sprowadzić do dwóch podstawowych zagadnień:
Zajmują się oni cząsteczkami chemicznymi i zachodzącymi między nimi reakcjami i
zastanawiają się dlaczego niektóre reakcje przebiegają w temperaturze pokojowej, a inne
2
wymagają podgrzania do wysokich temperatur. Dlaczego niektóre procesy, jak korozja,
trwają latami, a inne, jak spalanie wodoru w tlenie zachodzą gwałtownie i kończą się
eksplozją? Odpowiedź na te pytania jest kluczowa dla zrozumienia mechanizmów przebiegu
reakcji chemicznych. Aby monitorować przebieg reakcji potrzebne są narzędzia badawcze.
Podstawowy etap większości reakcji chemicznych przebiega bardzo szybko, Trudno w to
uwierzyć, gdy patrzymy na gładką i spokojną powierzchnię wody w szklance nie
podejrzewamy, że wewnątrz trwa wieczny ruch, a atomy z których składają się cząsteczki
wody drgają nieustannie w skali femtosekund oraz ma miejsce nieustanne zrywanie i
powstawanie wiązań wodorowych, przekazywanie energii oraz inne niezwykle szybkie
procesy fizyczne i chemiczne. I tu dochodzimy do sedna sprawy. Własności materiałów,
obecnych w naszym życiu, od materiałów ubraniowych, przez masy plastyczne, farby, ekrany
video, olej, benzynę, leki oraz wiele procesów (np. mechanizmy powodujące zdolność
widzenia) są zdeterminowane przez ultraszybkie procesy zachodzące na poziomie
molekularnym. Przebieg reakcji chemicznych, których wynikiem jest tak powszechnie
używany szampon, proszek, barwnik, mydło, margaryna zależy od elementarnych procesów
tworzenia i zrywania wiązań chemicznych zachodzących w skali czasowej femtosekund i skali
przestrzennej rzędu angstermów (10-8m). Dlatego zrozumienie ultraszybkich procesów jest
kluczowym etapem, od którego zależeć będzie wyprodukowanie doskonalszego materiału czy
leku. Aby jednak śledzić ultraszybkie procesy, należy znaleźć metodę ich monitorowania. Nie
uczyni tego żadna najszybsza kamera video, ale może sprawić to laser, który wysyła bardzo
krótkie impulsy. Badania spektroskopowe ultraszybkich reakcji chemicznych polegają
zazwyczaj na stosowaniu dwóch wiązek laserowych, choć bardziej wyrafinowane metody
stosują ich więcej. Pierwszy impuls pompujący inicjuje w próbce proces chemiczny przez
wzbudzenie cząsteczek do odpowiedniego poziomu elektronowego, wibracyjnego lub stanu, w
którym cząsteczka dysocjuje (czyli wiązanie chemiczne ulega rozerwaniu). Drugi impuls –
sondujący, opóźniony w stosunku do pierwszego o kilkanaście lub kilkadziesiąt femtosekund
(czyli impuls, który przeszedł trochę dłuższą drogę zanim napotkał próbkę) monitoruje
zmiany obsadzania stanów energetycznych reagentów, produktów przejściowych lub
substratów. Taki właśnie układ femtosekundowy jest w naszym laboratorium.
Rozwój technologii laserowych pozwolił wygenerować ultrakrótkie impulsy pikosekundowe
(10-12s) i femtosekundowe (10-15s), czyli trwające zaledwie niewyobrażalnie mały ułamek
sekundy, otwierając nowe możliwości badawcze metodami spektroskopii laserowej
rozdzielczej w czasie
zwane fotochemią. Do tej pory śledzenie przebiegu reakcji
zachodzących w czasach femtosekundowych, było jeszcze do niedawna w obszarze
teoretycznych spekulacji, Arrhenius nie dysponował metodami umożliwiającymi
monitorowanie reagujących cząsteczek. Zauważył tylko, że szybkość reakcji wzrasta razem ze
wzrostem temperatury. Założył również, że warunkiem zajścia reakcji, jest przekroczenie
przez cząsteczki pewnej bariery energetycznej - zwanej energią aktywacji. Gdy ten warunek
zostaje spełniony, powstaje tzw. kompleks aktywny, z którego mogą powstać owe produkty.
Teraz marzenie o „podejrzeniu” drogi reakcji stało się rzeczywistością i jest spektakularnym
przykładem zastosowań spektroskopii laserowej. Lasery femtosekundowe pozwalają śledzić
krok po kroku przebieg reakcji i jej najdrobniejsze szczegóły z dokładnością wyrażoną w
femtosekundach. Powstała nowa dziedzina badań, zwana femtochemią. Ziściły się marzenia o
eksperymentalnej weryfikacji teoretycznych modeli Arrheniusa i teorii stanu przejściowego
Eyringa.
Nagroda Nobla w 1999 w dziedzinie chemii dla femtosekundowej spektroskopii dla
Ahmeda Zewaila jest uhonorowaniem 30 letniego okresu badań ultraszybkich procesów
metodami spektroskopii laserowej. Pierwsze lasery femtosekundowe, takie same na których
pracował Noblista 1999 w dziedzinie chemii, dotarły do Polski w 1997 roku, tylko trzy lata
wcześniej niż pierwszy femtosekundowy laser zainstalowany na kontynencie afrykańskim. W
Polsce są 3-4 femtosekundowe układy laserowe, a uszczęśliwione jednostki borykają się z
trudnościami utrzymania aparatury. Dla porównania, w Niemczech liczba laserów
femtosekundowych i układów laserowych jest kilkadziesiąt razy wyższa.
3
Ponieważ wykład ten ma ilustrować związki z gospodarka, więc ominiemy tutaj nurt
badawczo-poznawczy prowadzony w Laboratorium Laserowej Spektroskopii Molekularnej.
Wspomnijmy tylko, że badanie procesów ultraszybkich dotyczy miedzy innymi pierwotynych
procesów fotocyklu bakteriorodopsyny. Bakteriorodopsyna (BR) jest proteiną z rodziny
rodopsyn (które są odpowiedzialne za procesy widzenia). Składa się z siedmiu gałęzi helisy i
chromoforu - retinalu przyłączonego do proteiny poprzez protonowaną zasadę Schiffa do
lizyny 216. Jej funkcją biologiczną jest pompowanie protonów z cytoplazmy bakterii na
zewnątrz membrany komórki. Powoduje to powstanie gradientu potencjału
elektrochemicznego, który z kolei uruchamia syntezę ATP, który jest podstawowym
pożywieniem dla organizmów żywych. Tak więc BR zamienia energię światła na energię
generującą pożywienie dla komórek. Dzieje się to dzięki procesowi izomeryzacji trans-cis w
chromoforze retinalu. Pierwsze etapy fotocyklu zachodzą w skali femtosekund i te pierwotne
procesy badamy za pomocą naszych układów laserowych. Aby zrozumieć te mechanizmy
używamy również modyfikowanej w retinalu bakteriorodopsyny. Ultraszybkie procesy z
pierwszej fazy fotocyklu są niezwykle ważne ze względów poznawczych, ale mają również
ważny aspekt praktyczny. Bakteriorodopsyna jest typowana na jedną z ważniejszych
cząsteczek mogacych mieć wpływ na rozwój komputerów optycznych jako potencjalne
urządzenia RAM do magazynowania pamięci o niezwykle szybkim dostępie i niewyobrażalnie
dużej pojemności. Blok o objętości 5 cm3 BR zatopionej w warstwie polimeru może
teoretycznie magazynować 512 Gbitów informacji, a szybkość dostępu wynosi 500fs i jest
zdeterminowana przez wyżej opisany proces izomeryzacji. Szybkość dostępu jest ograniczona
jedynie przez fakt, jak szybko wiązka laserowa może zostać skierowana na odpowiednie
miejsce pamięci.
W swojej najnowszej książce „The World is flat: A brief history of the twenty-first
century” (Świat jest płaski: Krótka historia XXI wieku”, jeden z czołowych współczesnych
ekonomistów świata Thomas L. Friedman pisze o trzech fazach globalizacji: 1) 1492-1800nawiązanie stosunków handlowych z Nowym Światem, rozpoczęte odkryciem Ameryki, 2)
1800-2000 – globalna integracja rozwija się poprzez spółki wielonarodowe, których rozwój
jest możliwy dzięki maszynie parowej, kolei żelaznej, ropie naftowej, 3) trzecia faza
globalizacji właśnie się rozpoczyna dzięki wiodącej technologii jaką jest światowa sieć
światłowodowa.
Tworzenie szybkich sieci optycznych wykorzystujących technologie zwielokrotnienia
wielofalowego WDM,DWDM,UWDM jest możliwe poprzez budowanie kompletnych
optycznych platform obejmujących:
1. światłowody
2. lasery i modulatory
3. wzmacniacze optyczne
4. urządzenia zwielokrotniające
5. przełączniki i terakomutatory.
Wave Star OLS 80 g
Lucent Technologies
80 Gb/s, 16 kanałów
optycznych
DWDM
o
szybkości 5 Gb/s każdy
Wave Star OLS 400G
Lucent Technologies
400 Gb/s(640 Gb/s), 2.5 Gb/s
lub 10 Gb/s w pojedynczym
kanale
Wave Star OLS 800G
Lucent Technologies
Optinex
Alcatel
Infinity MTS
Simens
Unishere Solutions
Simens
4
800 Gb/s, 320 kanałów
UWDM, (320*2.5 Gb/s lub
80*10 Gb/s)
5.12 Tb/s, 128 kanałów o 40
Gb/s każdy
3.2 Tb/s (80*40Gb/s, 160*10
Gb/s) w jednym włóknie
optycznym
Kompletowanie sieci nowej
generacji z równoczesną
integracją transmisji głosu i
danych
Programy rozszerzenia pasma transportowego, czyli zwiększenia przepływności na potrzeby
Internetu ( nie mniej niż 155 Mb/s) pod wspólnym hasłem Internet 2:
- new Generation Internet (USA)
- Information Society Technologies (Europa)
- Polski Internet Optyczny Pionier (Polska) –finansowany przez KBN dla rozwoju
infrastruktury nauki polskiej, połączenie 22 sieci metropolitalnych MAN, 5 krajowych
centrów superkomputerowych poprzez szerokopasmowa siec optyczną POL-34/155
(Optinex, Alcatel)
- TPSA, ogólnopolska sieć szkieletowa, 12 pierścieni transmisji międzystrefowej w
technologii SDH o przepływności 2.5 Gb/s każdy, Optinex
- Podpisano kontrakt (TPSA i Lucent) na instalację najnowocześniejszej krajowej
optycznej sieci szkieletowej o przepływności 400 Gb/s z wykorzystaniem platform
Wave Star OLS 400G
Krystalicznie czysta rozmowę między New Yorkiem i Łodzią zawdzięczamy magicznemu
kablowi- szklanemu, cienkiemu jak włos światłowodowi. Światłowód używa światła do
tramsmitowania informacji, zamiast impulsu elektrycznego transmitowanego kablem
miedzianym. Na jednym końcu jest nadajnik, czyli dioda LED lub laser, które akceptuje
elektryczne kodowane impulsy przychodzące z miedzianego kabla, zamienia je na impuls
świetlny, który wędruje w światłowodzie wykorzystując zjawisko całkowitego wewnętrznego
odbicia . Światło dociera do odbiornika, gdzie jest rejestrowane za pomocą zwykłej fotodiody
PIN lub fotodiody lawinowej, gdzie powtórnie jest zamienione na sygnał elektryczny. Ale po
drodze musi być wzmocnione. Elektroniczne regeneratory znacznie zmniejszały szybkość
transmisji, bowiem optyczny impuls musiał być zamieniony na elektryczny, wzmocniony i
powtórnie zamieniony na sygnał elektryczny. Całkowicie optyczne wzmacniacze, głównie
erbowe EDFA, ten probem usuwają i są zdolne przesyłać dane o przepływnościach terabitów
na sekundę. Zasada działania wzmacniacza optycznego – to całkowicie domena optyki
kwantowej. Również inne elementy traktu światłowodowego: modulatory, multipleksery i
demultipleksery w technikach WDM, izolatory, reflektometry wykorzystuje prawie wyłącznie
liniowe i nieliniowe zjawiska optyczne. Zjawisko rozpraszania Ramana, zjawiska dyspesji
nieliniowej GVD, zjawiska mieszania czterofalowego, które badamy w naszym laboratorium
od wielu lat, mają kluczowe znaczenie w uzyskaniu właściwych parametrów pracy
światłowodów, takich jak tłumienie, elementowa stopa błędu, przesłuchy między kanałami,
przepustowość. Współczesny elektronik powinien wiedzieć więcej o laserach, optyce, filtrach,
polaryzacji, dyspersji, rozpraszaniu Ramana i Brillouina niż o klasycznych układach
elektronicznych.
Co więcej wszystkie nowoczesne technologie telekomunikacyjne są nierozerwalnie związane z
technologiami laserowymi. Technologie zwielokrotnienia długości fali, WDM, DWDM,
UDWM stawiają duże wymagania wobec nadajników światła, tradycyjne diody LED i filtry
maja zbyt małą rozdzielczość widmową, aby zapewnić niewielkie odstępy między kanałami
rzędu części nm, (12.5-25 GHz) i należy używać wąskopasmowych linii emisji laserów ze
stabilizacją częstotliwości za pomocą zewnętrznych siatek dyfrakcyjnych lub laserów typu
DFB (z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym - distributed feedback ) lub DBR (rozłożonym
odbiciem Bragga - distributed Bragg reflection).
Innym rozwiązaniem w celu poprawienia przepustowości łącz światłowodowych jest
zastosowanie laserów femtosekundowych. Na początku były to lasery barwnikowe, zupełnie
nieużyteczne w technikach światłowodowych, następnie lasery na ciele stałym, np. laser
tytanowo- szafirowy, nadal niezastąpione, jeśli chodzi o parametry fizyczne, ale niewygodne w
sieciach światłowodowych i zbyt drogie. Najnowsza generacja laserów femtosekundowych to
lasery światłowodowe [1]. Lasery światłowodowe zbudowane są z kabla światłowodowego
5
stanowiącego wnękę rezonansową, przewód ten ma zaplombowane końce, i jest pompowany
optycznie. Długość wnęki optycznej może wynosić dziesiątki lub nawet setki metrów w
odróżnieniu od znacznie krótszych wnęk optycznych laserów klasycznych, ale długość
światłowodu nie stwarza problemu ponieważ jest on elastyczny i można go zwinąć do małego
pudełka centymetrowych rozmiarów. W przeciwieństwie do laserów tradycyjnych
opierających się na elementach optycznych, skłonnych do zabrudzeń i niewspółosiowości,
wnęki optyczne laserów światłowodowych są niemalże wolne od tych niedogodności. Włókno
światłowodowe używane w laserach światłowodowych jest modyfikowane przez
domieszkowanie erbem lub innymi pierwiastkami (neodymem, talem) i wzbogacany
dodatkową warstwą okrywającą w porównaniu do typowego, handlowo dostępnego kabla.
Taki podwójnie okryty kabel składa się z okładziny wewnętrznej (szkło) i okładziny
zewnętrznej (polimer). To pozwala na zatrzymywanie zarówno światła wewnątrz wnęki
(rdzenia) jak i światła pompowanego w wewnętrznej warstwie okładziny poprzez całkowite
wewnętrzne odbicie. Przy takiej konfiguracji włókna światłowodowego dioda pompuje
promieniowanie do wnętrza światłowodu poprzez końcową ściankę włókna światłowodowego,
gdzie jest ono zatrzymywane w okładzinie wewnętrznej, rozprowadzane wzdłuż kabla i
wywołuje inwersje obsadzeń w rdzeniu światłowodu. Światłowody domieszkowane
pierwiastkami ziem rzadkich są niezwykle wygodne do stosowania w technikach
ultraszybkich z kilku powodów. Ich 6-THz wzmocnienie pasma jest wystarczająco szerokie do
wytwarzania impulsów krótszych niż 100fs. Pojawiające się obecnie nowoczesne ultraszybkie
lasery światłowodowe cechują się obecnie mocą i czasem trwania impulsu, pozwalającą
współzawodniczyć z laserami na ciele stałym. Komunikacja optyczna jest głównym
beneficjentem czerpiącym korzyści z rozwoju femtosekundowych laserów światłowodowych,
w tym przede wszystkim technologie WDM ( zwielokrotnienie w domenie długości fali
(wavelength division multiplexing). Rozwój technologii WDM stworzył rosnący rynek na
nadajniki laserowe wysokiej mocy. W przypadku światłowodowych laserów, moc musi zostać
podzielona na wiele kanałów. Dlatego moc laserów światłowodowych musi wzrastać. W
ostatnich latach, impulsowe lasery światłowodowe, zarówno z synchronizacją aktywną jak i z
synchronizacja pasywną modów stały się handlowo dostępne. Typowy układ laserowy z
synchronizacją modów jest przedstawiony na rys. 1.
semiconductor
saturable-absorber
mirror
915-nm
pump
high-reflectivity
mirror
pump/signal
multiplexer
polarization
controller
Yb-doped
fiber
output
isolator
grating
pair
7% output
coupler
Rys. 1. Układ laserowy lasera Yb:światłowodowego z synchronizacją aktywną [1].
Na rys. 1. światłowody domieszkowane Yb są pompowane przez laser diodowy światłem o
długości 915 nm o przeciętnej mocy 130mW. Półprzewodnikowe, półprzepuszczalne
zwierciadło pasywnie synchronizuje mody lasera. Półprzewodnikowe zwierciadło
wykorzystuje AlGaAs/Ga rozłożone odbicia Bragga, które zazwyczaj mają szerokość pasma
100 nm. Para siatek dyfrakcyjnych kompensuje dyspersję światłowodu. Laser może być
przestrajalny w zakresie od 980 do 1100 nm. Przestrajanie lasera osiąga się przez
dopasowanie położenia kątowego zwierciadła całkowicie odbijającego. Czas trwania
zsynchronizowanych impulsów waha się przeciętnie od 1,6 do 2,0 ps. Typowa średnia moc
wyjściowa wynosi około 3 mW. Typowe włókna światłowodowe wykazują niezmiernie niskie
straty, co pozwala niczym nie zakłóconemu światłu "podróżować" przez światłowód. Niestety,
6
promieniowanie wytwarzane z powodu dodatkowych efektów spowodowanych zjawiskami
nieliniowymi takimi jak: wymuszone rozpraszanie Ramana, mieszanie się częstości fali,
dyspersja prędkości grupowej (GVD), także "podróżują " bez zakłóceń wzdłuż włókna. Dużo
zjawisk nieliniowych występujących dla rdzenia włókna może powodować poważne
zniekształcenie impulsu dla laserów światłowodowych, co uniemożliwia osiągnięcie dużych
szybkości transmisji danych i transmisji na dalekie odległości. Należy przeciwdziałać
powstawaniu zjawisk nieliniowych albo je redukować, aby komunikacja światłowodowa była
w ogóle możliwa.. Kiedy zjawiska rozpraszania, nieliniowego GVD i SPM równoważą się
powstaje impuls zwany optycznym solitonem (optical soliton), który biegnie wzdłuż włókna
bez zakłóceń na duże odległości.
Lasery światłowodowe są udoskonalane w laboratoriach na całym świecie jako
alternatywa dla tradycyjnych laserów na ciele stałym. Jednak, w wielu zastosowaniach
laserów wymagana moc średnia jest raczej rzędu watów niż miliwatów, które mogą
zaoferować lasery światłowodowe. Z tego powodu laser tytanowo-szafirowy wciąż w dużej
mierze pozostaje niezastąpiony jako źródło przestrajalnych, ultrakrótkich impulsów z mocą
przeciętnie około 2 W, z czasem trwania impulsu 100 fs. Dotychczasowa generacja laserów
światłowodowych nigdy nie przekroczyła tych parametrów. Jednakże ta sytuacja zmienia się z
powodu ulepszania metod wzmacniania. Ostatnio powstały światłowodowe lasery o pracy
ciągłej 2 kW do celów przemysłowych. Dla światłowodowych laserów impulsowych osiągnięto
moce rzędu 13 W i czasy trwania impulsu rzędu 2 - 5 ps.
Rozwój komunikacji optycznej stworzył rosnący rynek dla wzmacniaczy optycznych o
dużych mocach opartych całkowicie na technologii światłowodowej. Rozwój technologii
podwójnie okrywanych włókien światłowodowych i diod pompujących spowodował wzrost
wydajności światłowodowych laserów o pracy ciągłej do poziomu porównywalnych laserów
na ciele stałym. Jednakże, osiągnięcie kilkuwatowej mocy przez światłowodowe układy
laserowe o ultrakrótkich impulsach nie jest tak proste jak w przypadku laserów na ciele
stałym.. Ograniczenia są spowodowane zjawiskami optyki nieliniowej (SPM i GVD), które
mogą zaburzać impulsy femtosekundowe wewnątrz rdzenia włókna światłowodowego.
Przeszkody dotyczące wzmacniania impulsu mogą zostać zredukowane poprzez użycie
włókien o większych rdzeniach. Typowe włókno światłowodowe lasera jednomodowego ma
średnicę poniżej 10 µm, większe średnice rdzeni są stosowane w laserach wielomodowych.
Jednakże stwierdzono, że jest możliwa praca jednoomodowa dla bardzo starannie
zaprojektowanego lasera światłowodowego o większym rdzeniu. Zwiększenie obszaru
aktywnego rdzenia włókna światłowodowego umożliwia wydajne pompowanie włókna
krótszymi długościami fali co z kolei ogranicza powstawanie zjawisk nieliniowych. Co więcej,
włókna wykazujące dodatnie GVD mają częstsze zastosowania dla osiągnięcia wysokich mocy
niż włókna o ujemnym GVD. Typowy wzmacniacz optyczny jest pokazany na rys. 2.
7
pump II
Yb-fiber pulse
source
pump I
Yb-fiber amplifier
chirp-control fiber
(GVD>0)
compressor
Rys. 2 Układ wzmacniania lasera światłowodowego [1]
Układ składa się z lasera światłowodowego emitującego ultrakrótkie impulsy (laser o
włóknach światłowodowych domieszkowanych Yb), (1050 nm, 2 ps, 300 mW, 50 MHz), które
przechodzą przez włókno światłowodowe jednomodowemodowe wykazujące dodatnią GVD w
celu rozciągnięcia pojedynczego impulsu. Następnie impuls jest wzmacniany we wzmacniaczu
światłowodowym. Wzmacniacz światłowodowy (włókna domieszkowane Yb, 4,3 m długości, o
średnicy rdzenia 25 µm) jest pompowany z obu końców przez dwie sprzężone diody laserowe
emitujące 976 nm i 14 W. Impuls zasiewający jest wzmacniany do 13 W i jego czas trwania
wzrasta do 2 ps - 5 ps. Następnie impuls jest ponownie skracany do 100 fs podczas
przechodzenia przez kompresor z tradycyjną siatką dyfrakcyjną, aby osiągnąć moc 5 W przy
1050 nm.
Oprócz ewidentnych korzyści płynących z laserów femtosekundowych w
telekomunikacji i w badaniu szybkich reakcji jakie dziedziny gospodarki i nauki mogą być
beneficjentami laserów femtosekundowych [3]?
Promieniowanie emitowane przez konwencjonalne źródła światła, jak żarówki, lampy
błyskowe itd., nie jest monochromatyczne ani spójne w czasie i przestrzeni. Natężenie pola
elektrycznego promieniowania emitowanego z konwencjonalnych źródeł światła jest
niewielkie (10-103V/cm) i jego oddziaływanie z materią (odbicie, rozpraszanie, absorpcja,
załamanie światła) nie zmienia własności mikroskopowych materii. Jest bowiem kilka rzędów
mniejsze niż natężenie pola elektrycznego panującego w materii (rzędu 109V/cm). Natężenie
światła laserowego, szczególnie z laserów impulsowych generujących krótkie impulsy, może z
łatwością osiągać wartości rzędu 1012W/cm2, a odpowiadające mu natężenie pola
elektrycznego promieniowania rzędu 105V/cm -108V/cm są porównywalne z natężeniem pól
elektrycznych w materii.
Typowe moce szczytowe współczesnych laserów femtosekundowych są rzędu
megawatów (MW), zaś po wzmocnieniu lasery femtosekundowe mogą osiągać moc szczytową
rzędu terrawatów (TW). Przykładem takiego układu jest ASTRA znajdująca się w
Rutherford Appleton Laboratory, UK, która bazuje na laserze tytanowo-szafirowym i wysyła
impulsy femtosekundowe o długości 40 fs, długości fali 800 nm i energii pojedynczego
8
impulsu 500 mJ. Takie układy femtosekundowe są w stanie dostarczyć natężeń rzędu 1019
Wcm-2 i oferują nowe, nieznane dotąd możliwości w badaniu oddziaływania światła z
materią. Astra jest obecnie rozbudowywana (projekt Gemini), aby dostarczyć jeszcze
wyższych natężeń, rzędu 1022Wcm-2. Przy natężeniach 1022Wcm-2 możliwe będą eksperymenty
z przyśpieszaniem elektronów do energii GeV. Nie jest to mrzonka, bowiem już obecnie
pracujące lasery dostarczające natężeń rzędu 1020 Wcm-2 produkują elektrony o energii 200
MeV. Tak więc potężne współczesne akceleratory zostaną w przyszłości zastąpione całkowicie
optycznymi układami generującymi elektrony o energii GeV. Może się okazać, że potężne
centra badawcze, w rodzaju CERN, zostaną zastąpione przez femtosekundowe centra
optyczne do generowania cząstek elementarnych. Rzeczywiście, gdy dwie wiązki laserowe o
natężeniu 1020 Wcm-2 każda, uderzą z naprzeciwka w bardzo cienką warstwę materiału
wytworzą gęstość energii zdolną do wygenerowania elektronów o energii TeV, a te z kolei
spowodują powstanie par elektron-pozytron w wyniku oddziaływania z jądrami o dużej
liczbie Z, a nawet pionów (gdy uda się wyprodukować protony o odpowiednio wysokiej
energii) i neutrino (gdy druga wiązka laserowa przyśpieszy piony).
Gigantyczne pola magnetyczne rzędu gigagaussów generowane w plazmie laserowej
stworzą w laboratorium optycznym warunki do badania zjawisk astrofizycznych, bowiem
takie pola magnetyczne panują w gwiazdach neutronowych. Już obecne lasery generujące
światło o natężeniu 1020 Wcm-2 wytwarzają w plazmie pola magnetyczne rzędu 200
megagaussów.
Procesy jądrowe kontrolowane przez lasery o natężeniu 1022 Wcm-2 uczynią możliwa
bezpośrednia syntezę lekkich jonów, włączając reakcję syntezy deuteru i trytu.
Femtosekundowe lasery o natężeniu 1022 Wcm-2 wytworzą wyższe harmoniczne, o
czasie trwania rzędu attosekund, tysiąc razy krótszych od femtosekund, i pozwolą badać
dynamikę elektronów w cząsteczkach (dotychczasowe impulsy femtosekundowe pozwalają
badać dynamikę drgań wibracyjnych). Jednocześnie będą źródłem ultra-krótkich impulsów
promieniowania X.
Ponadto, lasery o natężeniu 1022 Wcm-2 są w stanie wywołać bezpośrednią jonizację
atomów z powłoki K. Spowoduje to krótkotrwałą inwersję obsadzeń z fotonami o energii 10
keV, czyli zbudowanie pierwszych laserów wysoko energetycznego promieniowania X. W
laserach X będą zachodzić zjawiska optyki nieliniowej, takie jak mieszanie częstości, co
spowoduje
wygenerowanie
jeszcze
krótszego
promieniowania.
Terapeutyczne
wykorzystywanie promieniowania gamma może odejść w zapomnienie, i nuklearna medycyna
zacznie korzystać z dobrodziejstw optyki.
Lasery w diagnostyce medycznej
Lasery są od dawna stosowane w medycynie i kosmetyce jako narzędzie chirurgiczne
do koagulacji, ablacji i przecinania tkanki wykorzystując termiczne, fotochemiczne i
fotomechaniczne zmiany w strukturze molekularnej tkanki pod wpływem spójnego światła
laserowego. Usuwanie włosów, fotodynamiczna terapia, stymulacja laserowa niewielkimi
mocami, trądzik,celulit czy bakterie w jamie ustnej, lasery w okulistyce. Ponadto, optyczna
tomografia, wielofononowa mikroskopia – jako sposób na bezinwazyjne monitorowanie
tkanek. Monitorowanie z kolei pomaga przeprowadzać nanooperracje, światlo penetruje
komórkę bez uszkodzeni membrany, a obrazowanie pomaga widzieć co aktualnie jest robione
kiedy wykonuje się manipulacje przy tkance.
Czy lasery femtosekundowe wprowadzają jakąś nowa jakość?
Przede wszystkim bez laserów ultraszybkich, nie byłyby możliwe nanooperacje.
bowiem warstwa koagulacyjna zmniejsza znacznie selektywność przestrzenną. Uszkodzenie
tkanki w otoczeniu zawsze, w mniejszym lub większym stopniu towarzyszy oddziaływaniu
tradycyjnych laserów z tkanką. Czasy oddziaływania tradycyjnych laserów z tkanką są
porównywalne z czasami charakterystycznymi dla procesów przewodnictwa cieplnego
odpowiedzialnych za koagulacje, poparzenia itd.. Ultraszybkie lasery wysyłają impulsy
trwające kilka rzędów mniej niż czas potrzebny do przewodzenia ciepła i dlatego tylko one są
9
zdolne do diagnostyki i terapii na poziomie komórkowym. Femtosekundowe lasery są
używane do niszczenia sub-mikronowych organelli w żywej komórce, bez zniszczenia
otaczającego materiału tkanki. Używając zaledwie kilku impulsów o energii nJ (ale o dużej
gęstości 1012 W/cm2 ) prof. Mazur z Harvardu selektywnie zniszczył mitochondria w żywych
kapilarnych nabłonkowych komórkach bydlęcych i dokonał rozcięcia pojedynczych włókien
białka mięśniowego w komórkach siateczki endoplazmatycznej ludzkich komórek
fibroblastów. Adela Ben-Yakar, Stanford University, Nature 2004 użył femtosekundowego
skalpela laserowego, aby usunąć pojedynczy neuron w obleńcu (roundwarm C elegans), aby
badać regenerację nerwu bez powodowania żadnego zniszczenia w otaczającej tkance. Udało
się to z precyzją dotąd niemożliwą.
Co więcej, operacje okulistyczne za pomoca laserów femtosekundowych stanowią nowa
jakość. Gdy krótki impuls jest zogniskowany na transparentnej tkance (np. w oku) może on
ciąć wewnątrz oka (np. usuwać kataraktę) bez konieczności otwierania oka, tak jak to ma
miejsce n.p. w procedurze LASIK. Wyżej wymienione eksperymenty demonstrują, że
ultraszybkie lasery stanowią zupełnie nowa jakość w badaniu funkcji komórek , które mogą
doprowadzić nawet do tak ryzykownych etycznie nanooperacji jak wpływanie na wybór
płci czy reprodukcję komórek.
LABORATORIUM LASEROWEJ SPEKTROSKOPII MOLEKULARNEJ (LLSM) Instytutu Techniki
Radiacyjnej Politechniki Łódzkiej LLSM prowadzi badania nad opracowaniem nowoczesnej
techniki diagnostycznej metodą światła rozproszonego Ramana dla wykrywania wczesnych
zmian nowotworowych in vivo w ludzkiej tkance we współpracy z I Szpitalem Miejskim im. dr
E. Sonnenberga w Łodzi oraz Publicznym Ośrodkiem Zdrowia w Andrespolu. Badania
dotyczą ustalenia empirycznych korelacji między widmem wibracyjnym i emisyjnym a
zmianami wywołanymi chorobami takimi jak: rak pęcherza, rak sutka, rak żołądka,
nowotwór płuc, białaczka, rak jelita, wodobrzusze, czerniak złośliwy. Dotychczasowe badania
obejmują około 100 pacjentów chorych i 100 pacjentów zdrowych. Dotychczas uzyskane
wyniki zachęcają do rozszerzenia współpracy na Oddział Chirurgii Onkologicznej
Wojewódzkiego Szpitala Specjalistycznego im. M. Kopernika w Łodzi w celu podjęcia badań
widm tkanki piersi ludzkiej pobranej do analizy histopatologicznej w biopsji igłowej
metodami spektroskopii Ramana.
Badania te leżą w nurcie najbardziej „gorących” i najbardziej obiecujących technik
diagnostycznych i zabiegowych, które dążą do tego, aby zastąpić inwazyjną analizę
histopatologiczną zmienionej chorobowo tkanki metodą nieinwazyjną polegającą na badaniu
tkanki in situ w czasie realnym, tj. w trakcie rutynowego badania lekarskiego. Można to
osiągnąć za pomocą technik optycznych, takich jak spektroskopia Ramana wykorzystując igły
światłowodowe sprzężone ze spektrometrem, mikroskopem i detektorem. Choć projekty
badawcze dotyczące zastosowania spektroskopii Ramana w diagnostyce medycznej in vivo na
świecie nie osiągnęły jeszcze fazy komercjalizacji trwa fascynujący wyścig. W Massachusetts
Institute of Technology trwają prace nad końcowym etapem ustalenia optymalnej
konfiguracji układu eksperymentalnego mające na celu użycie techniki Ramana jako metody
optycznego rozpoznawania w diagnostyce nowotworów tkanki ludzkiej in vivo. 23
października, 2003 firma Intel (największy światowy producent procesorów komputerowych)
oraz Fred Hutchinson Cancer Research Center (z dwoma laureatami nagród Nobla w swoim
składzie) ogłosili, że rozpoczynają prace nad budową diagnostycznego spektrometru Ramana,
zwanego INTEL RAMAN BIOANALYZER,. 19 kwietnia, 2004 Palo Alto Research Center
(Stanford University) w kooperacji z firmą Xerox i Scipps Research Institute zaanonsował
pracę, która może być przełomem w diagnostyce medycznej nowotworów, prezentując szybki
cytometr monitorujący zmiany nowotworowe w rutynowym badaniu krwi ludzkiej
Zastosowanie spektroskopii Ramana w inżynierii materiałowej [2]
Spektroskopia Ramana jest niezwykle użytecznym narzędziem stosowanym w inżynierii
materiałowej do charakterystyki fizycznej, chemicznej, morfologicznej cienkowarstwowych
filmów deponowanych różnymi technikami na podłożu. Tutaj przedstawimy wyniki
otrzymane w naszym laboratorium, dla różnych faz węglowych oraz różnego rodzaju stali i
10
produktów korozji, które wykonaliśmy usługowo dla Instytutu Fizyki oraz Wydziału
Mechanicznego Politechniki Łódzkiej.
Fazy węglowe badane są intensywnie jako materiały o wielorakich potencjalnych
zastosowaniach w elektronice, optyce i trybologii. Spektroskopia Ramana jest bardzo
użyteczną metodą w diagnozowaniu różnych faz węglowych: diamentu, filmów DLC
(diamond-like carbon), faz CVD (chemical vapor deposited), węgla amorficznego, czy grafitu.
Pozwala ona jednoznacznie określić udział faz węglowych na podstawie linii D i G.
Krystaliczna faza grafitu, należącego do grupy D6h charakteryzuje się dwoma intensywnymi
pikami występującymi dla częstości 1580 cm-1 (linia G) i 1360 cm-1 (linia D). Diament należy
do grupy Oh i charakteryzuje się jednym wąskim pasmem występującym dla 1332 cm-1,
odpowiadającym trójkrotnie zdegenerowanemu drganiu o symetrii T2g. Fazy pośrednie DLC i
węgiel amorficzny reprezentowane są przez szerokie pasma D i G, których maksimum zależy
od podłoża, na które deponowane są materiały węglowe oraz od rodzaju fazy. Na rys.1
przedstawiono widma różnych faz węglowych na różnych typach podłoży: aluminiowym,
krzemowym, ceramicznym, platynowym wykonane w naszym laboratorium.
Rys.1 Widma Ramana faz węglowych na a) podłożu aluminiowym, b) krzemowym, c)
ceramicznym, d) platynowym
Konkludując, relacja między linią D i G obserwowana metodą spontanicznego rozpraszania
Ramana wydaje się być użytecznym kryterium określania struktury węglowej, stopnia
uporządkowania oraz hybrydyzacji węgla.
Inny rodzaj badań dla różnego rodzaju stali i produktów korozji wykonaliśmy usługowo dla
Wydziału Mechanicznego Politechniki Łódzkiej. Rdza jest jak wiadomo czerwono-brązowym
produktem żelaza składającego się z kilku różnych składników. Uwodniony tlenek żelaza (II)
(uwodniony tlenek żelazawy) albo wodorotlenek żelaza (II) (wodorotlenek żelazawy) są
pierwszą warstwą tworzoną na powierzchni. Kolor (Fe(OH)2) jest zielony. Reakcja z tlenem z
otoczenia powoduje powstanie czerwono-pomarańczowego uwodnionego tlenku żelaza (III)
(uwodnionego tlenku żelazowego) albo wodorotlenku żelaza (III) (wodorotlenku żelazowego).
11
Uwodniony tlenek żelaza (III) istnieje jako niemagnetyczny hematyt α-Fe2O3 albo
magnetyczny γ- Fe2O3 maghemit. Utlenianie jonów żelaza Fe2+ w zielonych kompleksach
prowadzi do powstania lepidokrokitu (γ- FeO(OH)) w obecności tlenu oraz magnetytu Fe3O4
w środowisku ubogim w tlen. Magnetyczny uwodniony żelazian (III) żelaza (II) i żelaza (III)
(uwodniony żelazian (III) żelazowo-żelazawy) często tworzy czarne plamy Fe3O4 między
warstwami uwodnionych Fe2O3 i FeO. Tak więc, rdza składa się z trzech warstw tlenków
żelaza w różnym stanie utlenienia. Skład rdzy zmienia się z czasem, lepidokrokit transformuje
się w bardziej stabilną formę goethytu (α-FeO(OH)). Po pewnym czasie goethyt transformuje
się w maghemit albo hematyt. Konwersja w hematyt wymaga zazwyczaj wysokiej
temperatury. Tlenki metali, w przeciwieństwie do większości metali, mogą być łatwo
rozróżnialne metodami fluorescencji i spektroskopii Raman. Dlatego są bardzo użytecznym
narzędziem do badania procesów korozji. Produkty korozji takie jak magnetyt, maghemit,
goethyt i lepidoktrokit mogą być rozróżniane metodą spektroskopii Ramana. Niżej
przedstawiliśmy wyniki wykonane usługowo dla prof. Pietrowskiego z Wydziału
Mechanicznego Politechniki Łódzkiej.
10000
szare11 (488nm, 150mW,)
armco (2) (488nm, 130mW,)
sfero (8) (488nm, 150mW,)
stal 45 (1) (488nm, 150mW,)
intensywnosc
8000
6000
4000
2000
0
450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
dlugosc fali, nm
Rys. Widma fluorescencyjne otrzymane w spektrometrze Ramana dla różnych rodzajów stali
Zastosowanie spektroskopii Ramana w konserwacji i renowacji dzieł sztuki [2]
Technika Ramana w połączeniu z mikroskopem staje się jeszcze bardziej użyteczną
techniką, bowiem pozwala skierować wiązkę laserową na wybrany fragment próbki i
zogniskować ją na obszarze o średnicy 0,5-0,7 µm. Można w ten sposób badać np. wybrane
fragmenty tkanek widzialnych pod mikroskopem. Mikroskopowa technika Ramana stwarza
ogromne możliwości w dziedzinie konserwacji, renowacji i identyfikacji dzieł sztuki, takich
jak obrazy, druki średniowieczne, itd., bowiem ziarna pigmentów zastosowanych w farbach
są oddalone o więcej niż 0,7 µm. Identyfikacja materiałów użytych w manuskryptach o
historycznej wartości, obrazach, drukach znajdowała się od dawna w centrum
zainteresowania historyków sztuki. Niejednokrotnie odkrycia te prowadziły do rozszerzenia
stanu naszej wiedzy o technologii chemicznej, szlakach handlowych, sposobach przenoszenia
wpływów kulturowych w tamtych czasach. Techniki chemii analitycznej były przez lata
wykorzystywane w badaniu obiektów sztuki. Większość tych technik są metodami
destrukcyjnymi: trzeba zdrapać, zerwać, odłamać i rozpuścić fragment badanego obiektu,
aby przekonać się co to jest; nie można dokonać pomiaru in situ. W ostatnim przeglądzie
różnych technik stosowanych w analizie pigmentów porównując: mikroskopię skaningową,
fluorescencję promieniowania X, dyfrakcję promieniowania X, IR, UV/VIS oraz
spektroskopię Ramana, autorzy dochodzą do wniosku, że technika Ramana oddaje
12
największe usługi w analizie pigmentów dzieł sztuki. Mikroskopowa technika Ramana jest
idealną metodą analityczną: czułą, niedestrukcyjną, selektywną oraz in situ do badania
pigmentów w obrazach i drukach. Dzięki wysokiej rozdzielczości przestrzennej (mikroskop),
przestrajalności laserów, optymalizacji układów optycznych i elektronicznych można
otrzymywać silne sygnały Ramana (które mogą być słabe w nieobecności rezonansowego
efektu Ramana). Charakterystyka pigmentów polega na ich identyfikacji, określeniu czy
użyto pojedynczych pigmentów, czy też mieszaniny do osiągnięcia optycznie tego samego lub
podobnego koloru, czy efekt końcowy osiągnięto przez budowanie warstw farby o różnym
składzie pigmentów, czy poprzez warstwy o różnych rozmiarach pigmentów.
Charakterystyka pigmentów pomaga w: renowacji – aby naprawiać zniszczone obrazy trzeba
dopasować się do oryginalnych pigmentów, konserwacji – aby opiekować się dziełem sztuki
trzeba znać wpływ ciepła, światła i zanieczyszczenia środowiska i aby to było możliwe,
konieczna jest pełna identyfikacja materiałów, określeniu daty powstania i autentyczności
dzieła sztuki - nasza wiedza historyczna o technologii chemicznej danego okresu pozwala
określić dzieło jako oryginał czy falsyfikat. Ultramaryna (wyprodukowana w 1828 r. jako
syntetyczna wersja lazurytu) nie dziwi na obrazie Renoira „Les Parapluies” czy Moneta
„Gare Saint Lazare”, ale zdziwiłaby na inicjałach śpiewnika z XIII. Żółty pigment (siarczek
kadmu używany od 1818 r.) nie dziwi na obrazach impresjonistów, ale dziwiłaby na obrazie
„Death of Acteon” Tycjana znajdującym się w National Gallery i do malowania którego użyto
cynianu ołowiu. Jeżeli zastosowano egipski błękit - to dzieło może być bardzo stare (nawet 3
tysiąclecia p.n.e.), ale gdyby w obrazie uznawanym za średniowieczny zidentyfikowano
ftalocyjaninę, to falsyfikat nie może być wcześniejszy niż 1936 r., kiedy to zsyntetyzowano po
raz pierwszy ten barwnik. Widma Ramana wszystkich barwników i pigmentów są dobrze
znane od dawna i pozwalają na jednoznaczną identyfikację materiałów .
[1] H. Abramczyk, Introduction to laser spectroscopy, Elsevier, 2005 i publikacje tam
cytowane
[2] H. Abramczyk, Zastosowanie spektroskopii Ramana w chemii radiacyjnej i innych
dziedzinach, Wiadomości Chemiczne, 54, 2000
[3] http://www.clf.rl.ac.uk/
13