Dla studentów &ndash Nasycalny absorber na kropkach kwantowych

Kropki kwantowe, ze względu na nasycanie absorpcji, uznano za obiecujący materiał umożliwiający wprowadzenie lasera w pracę impulsową (mode-locking) bez użycia części ruchomych (np. bez poruszania pryzmatem we wnęce rezonansowej). Planowano pokryć nimi lustra znajdujące się we wnęce rezonansowej lasera. Rozważano także inne możliwości umieszczenia kropek we wnęce (np. pokrycie nimi kryształu lub wstawienie na drodze wiązki szkiełka z warstwą kropek kwantowych).
W tym celu należało opracować sposób pokrywania płytek szklanych kropkami kwantowymi, zbadać ich absorpcję oraz określić jaki zakres natężeń wiązki laserowej nie powoduje zniszczenia powierzchni. Używając techniki spin-coating pokryto kilkadziesiąt płytek używając zbudowanej w naszym laboratorium wirówki. Poprzez regulację napięcia zasilającego można było ustawiać prędkość wirowania. Podłączenie czujnika Halla sprzężonego z oscyloskopem Tektronix umożliwiło precyzyjny pomiar częstotliwości obrotów, a co za tym idzie prędkości kątowej próbki.

1. Pokrywanie płytek polistyrenem Płytki pokrywano przy różnych prędkościach obrotowych. Zauważono oczywisty związek grubości warstwy z prędkością obrotów. Zwiększanie prędkości zmniejszało grubość. Ze względu na dużą gęstość polimeru mieszano go w stosunku 1:1 i 1:2 z toluenem. Dosyć dobre rozprowadzenie polimeru uzyskiwano dla prędkości >1200 obr/min, ale dla rozcieńczenia w stosunku 1:2 i 1:1. Dla jakości powierzchni istotny był rozmiar kropli upuszczonej na płytkę. Wydaje się, że dawka 6 mm³/200mm² płytki dla roztworu 1:1 gwarantuje zadowalające pokrycie. Nie warto dbać o oszczędność, gdyż za mała dawka nie pokryje całej powierzchni.
Krople należy upuszczać przy obracającej się wirówce, gdyż w przeciwnym razie istnieje duże ryzyko, że polimer się nie rozprowadzi. Jakość powierzchni wrażliwa jest na upuszczenie kropel poza osią obrotu. Niecentralne upuszczenie kropli powoduje znaczące asymetrie w pokryciu.

2. Pokrywanie płytek kropkami kwantowymi
Przygotowano płytki mikroskopowe o wymiarach 12×30 mm. Pokrywano je nierozcieńczonymi kropkami kwantowymi zawieszonymi w polistyrenie. Próby przeprowadzono analogicznie jak dla samego polistyrenu i wszelkie uwagi poczynione poprzednio są nadal ważne. Dobre powierzchnie uzyskano dla prędkości obrotowych 1500 obr/min oraz 1800 obr/min. Dużym problemem były przylepiające się do szkiełek pyłki. Ich źródło trudno zlokalizować, gdyż szkiełka czyszczono przed samym umocowaniem do wirówki, laboratorium zaś posiada filtry redukujące zanieczyszczenia. Mimo to po przerwaniu wirowania okazywało się, że w kilku miejscach pyłki występują, co psuje powierzchnię.
Na płytkę o powierzchni 400 mm² należy upuścić kroplę o wielkości powyżej 10 mm³ w czasie, gdy płytka się obraca. Nie należy nakładać kilku warstw. Trzy warstwy dla odstępów 15 s (czas między upuszczeniem kropel) nie dały powierzchni nadającej się do badań. Rozcieńczenie toluenem 1:1 dla prędkości 1500 obr/min dało warstwę o szacowanej grubości 5 mm, zaś czyste kropki przy 1800 obr/min dały warstwę 10 mm. Grubości wyznaczono badając interferencję w cienkich warstwach (rys. 2).
Umieszczając płytki w spektrofotometrze zmierzono absorbancję kropek względem niepokrytej płytki szklanej. Absorpcja kropek była na poziomie szumu tła, jednak udało się zaobserwować interferencję w cienkich warstwach (charakterystyczny kształt sinusoidalny), co umożliwiło wyznaczenie wspomnianych wcześniej grubości warstw (rys. 2).
Niepowodzenie w badaniu absorpcji cienkich warstw skłoniło do wyprodukowania warstw nieco grubszych. Wtedy już udało się zaobserwować absorpcje (a w zasadzie transmisję przez warstwę), której maksimum zgodnie z danymi przedstawionymi przez producenta, przypada na ok. 800 nm (rys. 3).

3. Z-scan płytki oraz pomiar (a raczej próba pomiaru) średnicy ogniska
Aby wyznaczyć parametry nieliniowej absorpcji w kropkach postanowiono spróbować pomiaru absorpcji metodą z-scanu, czyli, w skrócie mówiąc, mierzono natężenie wiązki przechodzącej przez płytkę w funkcji położenia tej płytki wzdłuż wiązki. Ze względu na gaussowski charakter wiązki w ognisku następowało nasycenie absorpcji (bo natężenie w ognisku jest największe), a przez to fotodioda rejestrowała największe natężenie. Tyle teoria. W praktyce zaobserwowany sygnał był na poziomie szumów, przez co trudno było stwierdzić cokolwiek na temat absorpcji kropek. Zaobserwowane maksimum najprawdopodobniej było wynikiem efektów cieplnych, gdyż pomiar nie był powtarzalny i po kilku minutach całkowicie zmieniała się wartość mierzonego natężenia. Tak więc metodą tą nie zdobyliśmy żadnych interesujących informacji.
Jako pomiar dodatkowy wyznaczono średnicę wiązki w okolicy ogniska korzystając z zależności natężenia rejestrowanego przez fotodiodę od stopnia przesłonięcia wiązki żyletką. Stopień przesłonięcia zmieniano co 10 mm w układzie jak na rys. 4. W efekcie otrzymano zależność (rys. 5), która po zróżniczkowaniu (rys. 6) dała kształt, który w idealnym przypadku powinien przypominać krzywą Gaussa. Pomiar przeprowadzono tylko w jednym miejscu wzdłuż wiązki, gdyż celem było głównie zapoznanie się z metodą.

Mariusz Semczuk

Powrót