Mgr inż. Jakub Markiewicz, student Szkoły Doktorskiej Politechniki Białostockiej, zbada wpływ, jaki mogą mieć kropki kwantowe i jony ziem rzadkich na światło emitowane przez światłowody. Otrzymał 208 620 zł z konkursu Preludium 23 Narodowego Centrum Nauki.
Uzyskanie szerokopasmowej emisji promieniowania w zakresie bliskiej podczerwieni – istotnym w telekomunikacji czy zastosowaniach sensorowych, ma być efektem przeprowadzonych w Politechnice Białostockiej badań nad innowacyjnymi typami światłowodów. Ich wytworzenie będzie wykorzystywać kropki kwantowe.
– Do tej pory nie spotkano się ze światłowodami domieszkowanymi jednocześnie kropkami kwantowymi i jonami ziem rzadkich do zastosowań w bliskiej podczerwieni – wyjaśnia unikalność zaproponowanych badań mgr inż. Jakub Markiewicz. Żeby dojść do takiego wniosku wystarczył przegląd artykułów naukowych.
– Mamy rozwiązania światłowodów domieszkowanych kropkami kwantowymi i lantanowcami w zakresie widzialnym, ale brakuje wciąż rozwiązań w zakresie bliskiej podczerwieni – podkreśla Markiewicz. Student Szkoły Doktorskiej Politechniki Białostockiej ma za sobą jeszcze jeden atut. Laboratorium Światłowodów Specjalnych na Wydziale Elektrycznym Politechniki Białostockiej. To tu swoje badania prowadzą najwybitniejsi specjaliści technologii światłowodowej w Polsce, w tym promotor doktoranta – prof. dr hab. inż. Marcin Kochanowicz, kierownik Katedry Fotoniki, Elektroniki i Techniki Świetlnej Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej.
Dostęp do unikalnego laboratorium z 11-metrową wieżą do wyciągania światłowodów pozwala badaczom na wykonanie szeregu próbek. Zaplecze techniczne – analizator widma optycznego i monochromator na zakres bliskiej podczerwieni – daje możliwość zbadania, jaki wpływ na emitowane widmo będą miały szkła i światłowody współdomieszkowane kropkami kwantowymi i jonami ziem rzadkich.
Czym są kropki kwantowe?
Warto zaznaczyć, że 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 potrzebę badań Markiewicz. – Wciąż trwają prace nad poszerzaniem pasma wzmocnienia wzmacniaczy włóknowych. Zastosowanie kropek kwantowych pozwoli na przesunięcie pasma użytecznego wzmacniacza w stronę pasma 1,3 mikrometra, gdzie jest ciężko 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. Dodatkowo w swoich badaniach ująłem zastosowanie metody jednoetapowej w celu pominięcia dalszego procesu wygrzewania włókna.
Według badaczy z Politechniki Białostockiej do tej pory w literaturze naukowej nikt nie przedstawił światłowodu domieszkowanego kropkami kwantowymi i jonami lantanowców i jednocześnie nie zastosował metody jednoetapowej do wyciągania włókna domieszkowanego kropkami kwantowymi. Laboratorium Światłowodów Specjalnych na Wydziale Elektrycznym Politechniki Białostockiej stwarza takie możliwości badań.
– Dysponujemy laserowymi diodami półprzewodnikowymi wysokiej mocy, które pozwolą pompować optycznie uzyskane szkła i światłowody – podkreśla unikalność bazy laboratoryjnej mgr inż. Jakub Markiewicz. – Wyniki badań i opublikowane artykuły pomogą przede wszystkim rozwinąć wzmacniacze włóknowe w kierunku pasma 1.3 µm, gdzie trudno jest uzyskać luminescencję wykorzystując jony lantanowców, ale również do wielu innych zastosowań, tak jak chociażby medycyna, sensory czy szerokopasmowe źródła promieniowania ASE – wzmocnionej emisji spontanicznej.
Student Szkoły Doktorskiej Politechniki Białostockiej swoje badania będzie prowadził we współpracy z prof. Marcinem Kochanowiczem, współautorem patentu na tlenkowo-fluorkowe szkła tytanowo-germanianowe o właściwościach luminescencyjnych w zakresie średniej podczerwieni oraz sposobu ich otrzymywania czy współtwórcą innowacyjnego demonstratora światłowodowego, szerokopasmowego źródła ASE pracującego w paśmie 2 μm z regulowaną płynnie mocą wyjściową.
Mgr inż. Jakub Markiewicz jest absolwentem kierunku Elektronika i Telekomunikacja na Wydziale Elektrycznym Politechniki Białostockiej. Tytuł magistra inżyniera zdobył w 2022 roku. Aktualnie jest studentem Szkoły Doktorskiej Politechniki Białostockiej w dyscyplinie Automatyka, Elektronika, Elektrotechnika i Technologie Kosmiczne.
Narodowe Centrum Nauki dofinansowało badania kwotą 208 620 zł z konkursu Preludium 23.
Badania rozpoczynają się w styczniu 2025 roku, a okres realizacji projektu to trzy lata.
Celem naukowym 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. Nowa metoda zakłada 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. W szczególności, w telekomunikacji istnieje ciągła potrzeba zwiększania pojemności systemów WDM, co napędza rozwój wzmacniaczy optycznych.
(as)
