Izolatory topologiczne jako nowa klasa nasycalnych absorberów dla laserów światłowodowych


Opis projektu


W ramach projektu badano grupę materiałów zwanych izolatorami topologicznymi, jako zupełnie nową klasę nasycalnych absorberów dla laserów światłowodowych. Izolatory topologiczne to materiały, które w formie objętościowej zachowują się jak typowe izolatory, natomiast ich powierzchnia cechuje się stanami przewodzącymi. Własności te zaobserwowano po raz pierwszy w 2007 roku, natomiast w 2016 roku przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za badania nad topologicznymi fazami materii. Struktura energetyczna izolatorów topologicznych powoduje, że możliwe jest ich zastosowanie jako szerokopasmowe nasycalne absorbery.

W wyniku realizacji projektu opracowano relatywnie niedrogą i powtarzalną technologię wytwarzania nasycalnych absorberów dla laserów światłowodowych poprzez nanoszenie cienkich warstw materiałów będących izolatorami topologicznymi na światłowody (np. na czoło światłowodu lub powierzchnię włókna zeszlifowanego z boku). Badania wykazały, że tak wykonane nasycalne absorbery z tellurku antymonu (Sb2Te3, będący izolatorem topologicznym) cechują się znakomitymi parametrami nieliniowymi i stanowią idealny nasycalny absorber dla laserów, lepszy niż typowe rozwiązania stosowane w dzisiejszej technice laserowej. Wykonano, scharakteryzowano i przetestowano dziesiątki różnych nasycalnych absorberów, następnie opracowano szereg laserów femtosekundowych w różnych konfiguracjach, badając mechanizmy fizyczne odpowiedzialne za formowanie się impulsów femtosekundowych. Realizacja projektu zaowocowała bardzo wieloma interesującymi wynikami, często unikatowymi i pionierskimi w skali świata, mającymi duży wpływ na rozwój fotoniki. Do najważniejszych osiągnięć projektu należą:

  • opracowanie technologii wytwarzania nasycalnych absorberów poprzez nanoszenie cienkich warstw materiałów będących izolatorami topologicznymi (np. Sb2Te3) na podłoża optyczne,
  • zbadanie nieliniowych własności optycznych (głębokość modulacji, natężenie nasycenia) cienkich warstw izolatorów topologicznych o różnych grubościach, umieszczonych na różnych podłożach, pod kątem zastosowania jako nasycalny absorber w laserach światłowodowych,
  • opracowanie i demonstracja pierwszego na świecie lasera pracującego w reżimie dyspersji normalnej, wykorzystującego nasycalny absorber na bazie Sb2Te3 (uzyskano impulsy o czasie trwania 170 fs),
  • zbadanie mechanizmu kształtowania impulsów w laserze erbowym wykorzystującym amorficzny tellurek antymonu – porównanie warunków generacji dla różnych długości warstw,
  • rozwój laserów opartych na mechanizmie pasywnego przełączania dobroci (Q-switching), w tym laserów całkowicie światłowodowych utrzymujących stan polaryzacji światła, będących pierwszymi tego typu konstrukcjami na świecie,
  • opracowanie laserów iterbowych (emisja na długości fali 1,05 μm) oraz tulowych (1,95 μm) wykorzystujących cienkie warstwy Sb2Te3 jako nasycalny absorber .

Wymiernym efektem projektu jest opublikowanie łącznie 6 artykułów w renomowanych czasopismach z Listy Filadelfijskiej, w tym uznawanych za najbardziej prestiżowe w dziedzinie fotoniki (np. Optics Express, Optics Letters, Scientific Reports)