Новейшие направления в науке, которыми занимаются в Университете ИТМО
Лазерные технологии, Новости науки и техники 18.07.2018 Комментариев к записи Новейшие направления в науке, которыми занимаются в Университете ИТМО нетВузы, где образование совмещено с научной работой, привлекают многих абитуриентов: это дает возможность еще на студенческой скамье включиться в разработку перспективных технологий. В числе таких технологий будущего, например, оптические методы передачи и обработки информации, солнечная энергетика, биомедицинские лазерные технологии. Фотонику и другие научные дисциплины можно изучать в Университете ИТМО в Санкт-Петербурге на образовательных программах бакалавриата и магистратуры. Для того чтобы узнать, как именно строится научная работа в Университете ИТМО, мы посетили несколько лабораторий и поговорили с их сотрудниками о темах текущих исследований.
Перовскиты и нанофотоника
Физики из Международной лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники используют нанофотонику для улучшения перовскитных солнечных элементов — нового вида источников тока, эффективность которых находится на одном уровне с традиционными элементами, а стоимость производства значительно ниже.
Перовскит хорошо изучен, его характеристики хорошо известны, и поэтому мы можем четко выделить на нем вклад наночастиц. Обычно эффективность таких элементов составляет примерно 18 процентов, а добавление наших частиц увеличило ее до 19 процентов. Казалось бы, это не очень много. Однако стоимость производства и внедрения наноантенн в элемент питания очень низкая. Мы просто фокусируем лазер на специальном составе, и буквально за несколько минут нарабатываем столько частиц, что их хватит на модуль. Нанести их тоже несложно — достаточно капнуть составом на наполовину изготовленное устройство, а потом размазать его ровным слоем. Это очень просто и дешево сделать, и эффективность элемента вырастет на целый процент. Ну и, конечно, следующий шаг — взять текущих рекордсменов среди перовскитов и добавить наноантенны уже в них. Тогда мы побьем текущий рекорд.
Разумеется, наша работа ограничивается не только солнечными элементами. Например, мы используем перовскиты для производства дисплеев. В настоящее время заметную часть рынка светодиодов занимают органические светодиоды (OLED), которые дешевы в производстве и имеют высокую энергоэффективность. Постепенно их замещают квантовые точки, эффективность которых еще выше.
Терагерцы из воды
Ученые из международной Лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Международного института «Фотоника и оптоинформатика» изучают генерацию терагерцового излучения в струе жидкости. О том, что такое терагерцовое излучение, где оно применяется и почему для генерации пришлось использовать струи жидкости, рассказывает руководитель лаборатории, кандидат физико-математических наук Антон Цыпкин:
Генерация терагерцового излучения в жидкости — это довольно молодое направление, основанное группой ученых под руководством профессора Си-Чэн Чжана (Xi-Cheng Zhang). Буквально в прошлом году они показали, что под действием лазерного импульса продолжительностью около 400 фемтосекунд (одна фемтосекунда равна 10−15 секунд) вода начинает испускать излучение в терагерцовом диапазоне, то есть с частотами порядка одного терагерца. Для сравнения: частота СВЧ-излучения микроволновой печки примерно равна 0,002 терагерца, а частота инфракрасного излучения человеческого тела — примерно 50 терагерц. До этого считалось, что заставить воду излучать в терагерцовом диапазоне невозможно.
Принцип генерации излучения в жидкости сравнительно прост. Как известно, вода очень хорошо поглощает терагерцовое излучение. Если направить этот процесс в обратную сторону, то можно заставить ее так же хорошо излучать — только нужно правильно на нее воздействовать. Например, направить на нее короткий (спектрально ограниченный), но мощный лазерный импульс, который называют импульсом накачки. Проблема в том, что подобрать параметры этого импульса очень сложно, и терагерцовое излучение на выходе получается очень слабое. Однако группа Чжана обнаружила, что при уширении спектра импульса и увеличении его продолжительности до 300–500 фемтосекунд (такие импульсы называют чирпированными) тонкую пленку воды все-таки можно заставить испускать излучение в диапазоне от 0,1 до 3 терагерц.
Основная задача, над которой мы работаем, — это повышение эффективности генерации, то есть увеличение энергии терагерцового импульса при фиксированной мощности импульса накачки. Поскольку «жидкая» генерация позволяет использовать двухцветную филаментацию, есть надежда, что с ее помощью можно получить бо́льшую эффективность, чем у существующих способов. Филаменты — это тонкие лазерные нити, возникающие в прозрачной среде из-за нелинейных эффектов, в результате которых мощный световой импульс самопроизвольно фокусируется и дефокусируется.
Радиофотоника
В радиофотонных устройствах электрический сигнал высокой или сверхвысокой частоты («радио-») подается на лазер или светодиод, модулируя во времени излучение прибора («-фотоника»). Чтобы такая модуляция была эффективной, нужно согласовать сопротивления диода и высокочастотного тракта. Для решения этой задачи сотрудники центра численно моделируют устройства, изготавливают макетные платы для проверки корректности модели и исследуют их на векторном анализаторе цепей.
В вузовской лаборатории был разработан лазер с пассивной синхронизацией мод на длине волны 1550 нанометров, излучающий импульсы длительностью 6 пикосекунд с частотой повторения 10 гигагерц. Пассивная синхронизация — это метод согласования фаз продольных колебаний в лазере, полагающийся на различные нелинейные оптические эффекты (например, самофокусировку света) и позволяющий получать сверхкороткие импульсы. Как и для фотоприемника, для лазера также был проведен полный цикл производства, начиная с моделирования гетероструктуры кристалла и заканчивая сборкой готового прибора. Выходные характеристики лазера измерялись на оптическом анализаторе спектра — BOSA 100 фирмы Aragon Photonics. Этот прибор отличается очень хорошей разрешающей способностью (0,1 пикометра), что позволяет детально исследовать спектр лазерного излучения.
Полное содержание статьи: https://nplus1.ru/material/2018/07/12/ifmo-gallery
Leave a comment
You must be logged in to post a comment.