Konkurs SONATA 19 był skierowany do badaczek i badaczy ze stopniem doktora, uzyskanym od 2 do 7 lat przed rokiem wystąpienia z wnioskiem. Jego głównym celem było wsparcie osób rozpoczynających karierę̨ naukową w prowadzeniu innowacyjnych badań.
Celem projektu dr. inż. Tomasza Raginia jest opracowanie innowacyjnych falowodów szklano-ceramicznych, które wykazują duży potencjał wdrożeniowy. Zastosowane w konstrukcji mikrolaserów – w różnych dziedzinach nauki i przemysłu, m.in. medycynie i telekomunikacji – mogą rozszerzyć granice technologii optycznej. Na realizację swojego pomysłu młody naukowiec ma trzy lata, a do dyspozycji dofinansowanie Narodowego Centrum Nauki w wysokości 1 522 560 złotych.
Projekt nosi nazwę: „Opracowanie falowodów szkło-ceramicznych o niskiej energii fononów domieszkowanych jonami ziem rzadkich o emisji w zakresie 1,8-3,1 μm do budowy mikrolaserów”. Jego metodologia obejmuje trzy główne etapy: 1) rozwój cienkich warstw szkła za pomocą techniki RF-sputteringu; 2) zastosowanie indukowanej laserem CO2 nanokrystalizacji do osadzenia jonów rzadkich ziem w fazach krystalicznych; 3) i finalnie, zastosowanie lasera femtosekundowego do precyzyjnego formowania struktur falowodowych w tych warstwach. Ostatecznym celem jest wytworzenie aktywnych falowodów optycznych, które są będą emitować promieniowanie w rozszerzonym zakresie spektralnym podczerwieni.
– Pierwszym krokiem będzie jednak przygotowanie szkła o odpowiednich właściwościach. To będzie szkło aktywne domieszkowane jonami ziem rzadkich, takich jak iterb, erb, holm, tul i dysproz. Pierwiastki te są niezbędne do wytwarzania materiałów skutecznie działających w wyznaczonym zakresie spektralnym. W laboratoriach Wydziału Elektrycznego możemy wykonać taki materiał w zasadzie od ręki. Jest to możliwe dzięki wspaniałym osiągnięciom naszych naukowców, skupionym wokół tzw. szkoły światłowodowej, która od lat funkcjonuje na Wydziale. Korzystam z ich doświadczeń i zgromadzonej przez nich aparatury – mówi dr inż. Tomasz Ragiń.
– Uzyskany materiał umieszczę w maszynie do procesu RF-sputteringu, który będzie poddawany działaniu wysoko energetycznej plazmy w warunkach wysokiej próżni. Ten zabieg pozwoli nam na wybicie cząsteczek naszego materiału i nałożenie ich na wcześniej przygotowaną powierzchnię. Dzięki precyzyjnej kontroli parametrów tego procesu, będziemy w stanie uzyskać pożądaną grubość tej warstwy. Walka toczyć się będzie o warstwę w przedziale od kilkunastu do kilku tysięcy nanometrów, dużo mniej niż średnica ludzkiego włosa – zapowiada naukowiec.
– Jeśli wszystko się uda, pozyskamy materiał już nie w postaci kawałka szkła, tylko w formie bardzo cienkiej warstwy, będę poddawał promieniowaniu lasera CO2 wysokiej mocy, o długości fali 10,6 mikrometra, co pozwoli na lokalną krystalizację warstwy amorficznej. Prostymi słowami, w szkle pojawią się małe kryształy które poprawią nam jakość pożądanego promieniowania elektromagnetycznego (światła z zakresu IR). Cały czas operujemy wielkościami mierzonymi w nanometrach – wyjaśnia dr inż. Tomasz Ragiń.
– Trzy pierwsze etapy projektu będziemy mogli wykonać w laboratoriach Politechniki Białostockiej, jednak będziemy potrzebować zaawansowanego sprzętu do analizy naszych wyników badań. Zamierzamy przeprowadzić je na wysokiej jakości sprzęcie pomiarowym do detekcji emisji w zakresie 1,8-3,1 μm, który zastanie zakupiony z dotacji Narodowego Centrum Nauki. Na tym etapie liczę też na współpracę z zaprzyjaźnionymi zespołami naukowców z AGH w Krakowie i Uniwersytetu Śląskiego. Natomiast w ostatniej fazie materiał w postaci cienkiej warstwy amorficznej z fazami krystalicznymi, będziemy naświetlać laserem femtosekundowym, w celu lokalnej zmiany współczynnika załamania światła. W ten sposób w naszej cienkiej warstwie powstanie falowód – czyli główny bohater całego projektu – dodaje Tomasz Ragiń.
Głównym celem naukowca z Politechniki Białostockiej jest opracowanie aktywnych falowodów szklano-ceramicznych, działających w szerokim zakresie spektralnym od 1,8 do 3,1 μm, ze szczególnym uwzględnieniem pasma w okolicach 3,0 μm.
Ich praktyczne zastosowania mogą być różnorodne: od chirurgii laserowej i przetwarzania materiałów, po zdalne wykrywanie zanieczyszczeń atmosferycznych i komunikację optyczną. Istotnym aspektem tego projektu, jest jego wkład w dziedzinę zintegrowanej optyki – czyli obszaru, w którym kluczowe jest zintegrowanie różnych elementów optycznych na pojedynczym chipie. Integracja ta – łącząca aktywne komponenty takie jak lasery i wzmacniacze, z pasywnymi elementami typu filtry i modulatory, wraz z mikroelektroniką – dąży do stworzenia systemów optycznych, które są nie tylko szybkie i precyzyjne, ale też wyjątkowo efektywne.
Łącząc unikalne właściwości pierwiastków ziem rzadkich z zaawansowanymi technikami produkcyjnymi, dr inż. Tomasz Ragiń ma nadzieję, że wyniki jego badań znacząco wpłyną na rozwój fotoniki i zintegrowanej optyki. Spodziewany ich efekt, w postaci innowacyjnych falowodów szklano-ceramicznych, może zrewolucjonizować budowę mikrolaserów i otworzyć nowe możliwości w różnych dziedzinach nauki i przemysłu. Ten projekt stanowi przykład kluczowej roli innowacyjnych badań w rozszerzaniu granic technologii optycznej.
——————————-
Tomasz Ragiń jest absolwentem Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej na kierunku elektronika i telekomunikacja. Tuż po studiach związał się z uczelnią zawodowo. Od 2016 r. był zatrudniony na Wydziale Mechanicznym, od 2022 r. jest adiunktem na Wydziale Elektrycznym. W 2017 roku, na macierzystym wydziale, obronił pracę doktorską pt. „Opracowanie szkła o luminescencji w zakresie średniej podczerwieni do zastosowań w strukturach fotonicznych”. Należy do zespołów wykonawczych projektów realizowanych w uczelni:
- „Wpływ ko-domieszkowania lantanowcami szkieł bizmutowo-germanowych na ich właściwości luminescencyjne w zakresie 2 – 3 um”
- „Światłowody ko-domieszkowane lantanowcami i nanocząstkami metali szlachetnych”
- „Technologia światłowodów aktywnych oraz nowoczesne systemy oświetleniowe”
(oprac. mr)
