Niedawno przez przypadek zespół naukowców ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie w Szwajcarii i Tokijskiego Instytutu Technologii w Japonii użył ultraszybkich impulsów laserowych z lasera femtosekundowego do napromieniowania atomów w szkle tellurytowym i odkrył wzmiankę o zaskakującym sekret.
Atomy szkła tellurowego napromieniowane laserem femtosekundowym uległy reorganizacji, co umożliwiło naukowcom odkrycie sposobu na przekształcenie szkła tellurytowego w materiały półprzewodnikowe. Dlaczego to odkrycie jest niesamowite? Głównym powodem jest to, że materiały półprzewodnikowe wystawione na działanie światła słonecznego wytwarzają energię elektryczną, co oznacza, że w przyszłości możliwe będzie przekształcenie okien używanych na co dzień w jednomateriałowe urządzenia zbierające i wykrywające światło, które niewątpliwie mają ogromny potencjał.
Zespół eksperymentalny ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie (EPFL) w Szwajcarii natknął się na powstawanie półprzewodnikowych nanokrystalicznych faz telluru na powierzchniach szklanych, próbując zrozumieć procesy samoorganizacji w szkle, co zainspirowało pomysł zbadania możliwych właściwości fotoprzewodzące i związane z nimi urządzenia przechwytujące światło.
Naukowcy dokonali odkrycia, modyfikując szkło i analizując efekty za pomocą szkła tellurytowego wyprodukowanego przez kolegów z Tokijskiego Instytutu Technologii w Japonii i lasera femtosekundowego.
Po wytrawieniu prostego wzoru linii na powierzchni szkła tellurowego o średnicy 1- cm odkryto, że szkło jest w stanie generować prąd elektryczny, który pod wpływem promieniowania w zakresie ultrafioletu i światła widzialnego utrzymuje się przez wiele miesięcy.
Jak więc robi to laser femtosekundowy? Zaczyna się od zasady obróbki laserem femtosekundowym.
Obróbka laserem femtosekundowym to zaawansowana technologia przetwarzania oparta na wielofotonowym mechanizmie nieliniowej absorpcji i jonizacji. Kiedy femtosekundowy impuls świetlny zostanie przyłożony do powierzchni materiału lub do wnętrza przezroczystego materiału, obszar działania impulsu świetlnego jest niezwykle mały ze względu na wyjątkowo krótki czas trwania impulsu świetlnego (poziom femtosekundowy), podczas gdy natężenie światła jest niezwykle wysokie. W tym przypadku energia impulsu laserowego nie ma czasu na okrążenie punktu działania, przez co działanie lub przetwarzanie impulsu świetlnego kończy się w bardzo krótkim czasie.
Ten wyjątkowo krótki czas działania pozwala na absorpcję energii impulsu laserowego przez materiał głównie w procesie absorpcji nieliniowej, zamiast konwencjonalnej liniowej absorpcji energii fotonów. Ze względu na nieliniową absorpcję energia impulsu laserowego nie jest akumulowana przez materiał w postaci ciepła, dlatego też wytwarzane ciepło jest prawie pomijalne.
Ponieważ wytwarzana jest bardzo mała ilość ciepła, praktycznie nie dochodzi do uszkodzeń termicznych obrabianego materiału, co jest główną zaletą obróbki laserem femtosekundowym. Ten rodzaj obróbki pozwala uniknąć efektu przenoszenia ciepła, co skutkuje znacznie większą precyzją i wynikami.
Dzieje się tak właśnie dlatego, że obróbka laserem femtosekundowym wyzwala zlokalizowane zjawisko jonizacji wywołane procesem absorpcji wielofotonowej, które jest dodatkowo wzmacniane przez kolejne zdarzenia kaskadowe, takie jak jonizacja lawinowa i/lub tunelowa.
Mówiąc najprościej, gdy wewnętrzna struktura materiału jest zakłócona i znajduje się ona w stanie, powstają warunki dla rekombinowanych faz materiału, które są bardziej stabilne w porównaniu z ich początkowo substabilnymi (szklistymi lub nieszklistymi) odpowiednikami.
W przypadku szkła tellurowego, gdy jego struktura zmienia się pod wpływem działania lasera femtosekundowego, tworzą się zarodki składające się ze skupisk atomów telluru, które ostatecznie w miarę rozpadu fazy szklanej rosną w nanokryształy telluru.
Początkowo materiał nie przewodzi prądu i nie jest w stanie zbierać fotonów, jednak po transformacji laserem femtosekundowym jego lokalne zachowanie jest zupełnie inne.
Zadziwiające jest również to, że do wytworzenia tej pracy nie potrzeba różnorodnych materiałów, a jedynie wykorzystuje się laser do lokalnej zmiany materiału, tak aby zmieniony obszar zachowywał się inaczej niż materiał oryginalny. Niski koszt i prostota użycia lasera sprawiają, że można go skalować do dowolnego rodzaju/rozmiaru podłoża, po prostu skanując wiązkę lasera po powierzchni materiału.
Nadal istnieją problemy związane z badaniami, które należy dogłębnie zrozumieć, a także pozostaje proces, który należy przejść, aby poprawić wydajność urządzenia i przenieść koncepcję z eksperymentów do lądowania przemysłowego.
Jednym z największych wyzwań jest zapewnienie, aby ulepszone obszary pochłaniające światło były również obszarami niewidocznymi gołym okiem, tak aby okno mogło zachować swoją funkcjonalność, a jednocześnie umożliwiać ludziom wyraźne widzenie przez szybę na zewnątrz, zachowując estetykę szkła przyjemny.
Jednak na tym etapie można z tego skorzystać w przypadku niektórych potencjalnych zastosowań fotoniki wymagających pracy, takich jak wykrywanie i ilościowe określanie obecności światła o określonych długościach fal lub zakresach widmowych.
