Revista >> Decembrie 2024 [Nr. 269] >> Cercetare & Invatamant superior

X-PIC: Circuit fotonic integrat în domeniul spectral eXtreme-UV și raze X – proiect și instrument realizat cu contribuția cercetătorilor din INCDTIM

Dr. Kovacs Katalin, INCDTIM Cluj-Napoca

12 Decembrie 2024

Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice și Moleculare INCDTIM Cluj-Napoca este una din cele 4 instituții de cercetare din Europa care contribuie la realizarea unui dispozitiv fotonic integrat, miniaturizat, menit să funcționeze în domeniul spectral extreme-UV și raze X, în cadrul proiectului X-PIC – eXtreme ultraviolet to soft X-ray Photonic Integrated Circuits, proiect de colaborare din programul Horizon 2020 de tip FET Open, dedicat tehnologiilor emergente. Circuitele fotonice integrate (PIC) sunt dispozitive miniaturizate, dar adecvate pentru funcționalități complexe. Tehnologia actuală s-a dezvoltat pe modelul semiconductorilor, de aceea funcționează preponderent în zona spectrală de infraroșu – vizibil. Realizarea unui PIC care funcționează ca sursă de radiație în domeniul spectral extreme UV (XUV) și raze X acoperă un domeniu spectral important, atins până acum doar în infrastructuri mari, precum ELI. În special abordarea benzii spectrale denumită „water window” (~300 eV) aduce beneficii în aplicațiile din biologie, farmacie, fiindcă se pot studia fenomene relevante biologic în mediul lor natural – apa – care este transparentă în această fereastră spectrală.

Dezvoltarea unei noi tehnologii care furnizează radiație coerentă în XUV într-un „lab-on-chip” (concept introdus și pus în practică de aproximativ 20 de ani cu scopul miniaturizării echipamentelor și paralelizării operațiunilor, cu aplicații preponderent în domeniul medical) poate deschide frontiere noi, în special pentru aplicații în micro- și nano-electronică, biologie, farmacie, știința materialelor, chimie, fizică, metrologie. Azi se pot obține pulsuri ultrascurte în XUV și raze X în marile infrastructuri de cercetare precum cei trei piloni ELI, sau la sincrotron și la infrastructurile FEL (free electron laser), însă acestea sunt foarte mari și pot fi accesate cu dificultate. În acest proiect am propus realizarea unui dispozitiv fotonic integrat, miniaturizat, care să funcționeze în domeniul spectral extreme-UV și raze X. Acronimul proiectului sintetizează perfect obiectivul principal: X – eXtreme UV și raze X; PIC – Photonic Integrated Circuit.

Proiectul este unul de colaborare H2020 de tip FET Open, dedicat tehnologiilor emergente, fiind un proiect cu risc mare. Consorțiul este alcătuit cu patru instituții din trei țări, iar din fiecare instituție sunt implicate unul sau mai multe grupuri de cercetare. Partenerii și grupurile de cercetare vor fi prezentate împreună cu expertiza cu care fiecare contribuie la realizarea dispozitivului X-PIC. Obiectivele ambițioase ale proiectului pot fi atinse doar prin colaborarea între diferite discipline, precum tehnologie laser în pulsuri ultrascurte, care implică optica neliniară, micro-fabricație cu laser, dinamica fluidelor, nanotehnologie, tehnologie în XUV și raze X. Partenerii implicați în această propunere sunt lideri în aceste domenii de cercetare.
Scopul final este unul ambițios: să oferim o bază solidă tehnologică pentru o varietate de instrumente care pot fi adaptate la nevoile utilizatorilor, fie ei parteneri industriali sau cercetători. Pentru tot acest proces este nevoie de integrarea expertizelor din diferite domenii.

Expertiza și rolul partenerilor
Coordonatorul proiectului este prof. Salvatore Stagira de la Universitatea Politehnică din Milano (POLIMI, Italia), Departamentul de Fizică, liderul grupului care se preocupă de generarea de pulsuri laser ultrascurte pentru investigarea proceselor ultrarapide și interacțiunea laser-atom. Ei au la dispoziție cinci laboratoare performante pentru cercetări în domeniul opticii neliniare, cu accent pe generarea de armonice superioare (high-order harmonic generation = HHG) ale pulsurilor laser cu durate de femtosecunde. Acest proces este consacrat pentru obținerea pulsurilor de attosecunde în domeniul spectral XUV. Fără a intra în detalii pentru motivarea relevanței acestui domeniu de cercetare, amintesc doar cititorilor că pentru inițierea acestui domeniu de cercetare a fost acordat premiul Nobel în Fizică în anul 2023 pentru Pierre Agostini, Ferenc Krausz și Anne L’Huillier. Cei trei laureați au pus bazele înțelegerii procesului de HHG, și au contribuit la dezvoltarea tehnologiei laserilor pentru a obține pulsurile de attosecunde. Marile infrastructuri se bazează pe aceste rezultate. Provocarea și scopul nostru acum este miniaturizarea și accesibilitatea. Întrucât procesul fizic prin care se obține radiația coerentă în XUV este acela de generare de armonice superioare (HHG), expertiza grupului coordonator este absolut esențială.
Cine „furnizează” pulsurile laser fundamentale – de câteva cicluri optice, foarte puternice, în domeniul spectral mid-infraroșu (mid-IR) care vor sta la baza HHG? Este nevoie de un laser de mare putere în mid-IR care este fabricat de Class 5 Photonics, partenerul industrial al consorțiului. Class 5 Photonics GMBH (C5) este o societate privată înființată în 2015 ca spin-off al laboratorului de sincrotron DESY Hamburg și al Helmholtz-Institut Jena (Germania). C5 combină tehnologii optice avansate cu lasere industriale pentru a oferi soluții inovatoare. Ei sunt lideri pe piață și au la momentul actual cel mai puternic laser în mid-IR.

În paralel cu dezvoltarea laserului se dezvoltă metoda de micro-fabricație a platformei micro-fluidice. Acesta va fi însuși instrumentul, adică purtătorul circuitului fotonic integrat. Cei care sunt profesioniști în domeniul micro- și nano-fabricației sunt cercetătorii grupului de Microprocesare cu Laser din cadrul Institutului de Fotonică și Nanotehnologie (IFN). IFN este un centru de cercetare aparținând Consiliului Național Italian de Cercetare (CNR), cea mai mare instituție publică de cercetare din Italia. Grupul Microprocesare cu Laser are o expertiză solidă în fabricarea de platforme fotonice integrate și fabricarea de lab-on-chip în sticlă (fused silica) prin scriere directă cu laser. Ei stăpânesc tehnologia la un nivel avansat, astfel încât au capacitatea unică de a fabrica rețele micro-fluidice tridimensionale în sticlă. Această capacitate tehnologică este un element cheie în proiectul X-PIC, deoarece oferă o libertate fără precedent în proiectarea chip-urilor, permite conectivitate între canalele „săpate” cu laser, deosebit de potrivită pentru manipularea gazelor și a fasciculelor laser.

Ca să se fabrice exact acele canale în sticlă care asigură maximizarea fluxului de radiație XUV, cu parametrii optimizați, este crucial să se descrie matematic - și implicit numeric, cu software specializat - cât se poate de exact procesele fundamentale care se petrec în interiorul canalelor micro-fluidice, adică în interiorul chip-ului X-PIC.
În canalele micro-fluidice se introduce gazul de lucru care este însuși mediul de interacțiune laser-atom. Gazul ajunge (se „suflă”) în canale prin mai multe orificii, iar comportamentul hidrodinamic al acestuia este o problemă foarte complicată, dar care trebuie abordată cu mare acuratețe. Aici intervine expertiza Departamentului de Știință și Tehnologie Aerospațială, de la aceeași instituție ca și coordonatorul proiectului, POLIMI. În cadrul departamentului, Laboratorul de fizica fluidelor (PDFLab) efectuează cercetări teoretice, numerice și experimentale cu scopul de a înțelege problemele fundamentale de hidrodinamică în condiții de neechilibru. În special, personalul laboratorului are o expertiză solidă în modelarea numerică a micro-fluxurilor gazelor și în interacțiunea între fluid și suport în micro-dispozitive, care sunt relevante pentru proiect.

Aportul INCDTIM
Până la acest punct nu am discutat despre rolul și contribuția cercetătorilor din cadrul Institutului Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice și Moleculare INCDTIM Cluj-Napoca în realizarea proiectului X-PIC. Procesele fundamentale ce au loc în interiorul canalelor săpate în sticlă nu pot fi probate direct. De aceea este esențial săavemla îndemână instrumente matematiceși numerice adecvate, cu ajutorul cărora putem modela „evenimentele” din interiorul canalelor micro-fluidice. Rolul echipeide implementare din INCDTIM este exact acesta: de a asigura modele teoretice, metode numerice și de simulare pentru a găsisoluțiile optime pentru realizarea dispozitivului X-PIC.
1. Propagarea pulsurilor laser mid-IR în structuri ghidate este o problemă cu grad mare de dificultate, fiindcă descrierea matematică a propagării în geometrie ghidată este mult mai complicată decât ecuațiile Maxwell în spațiu liber. Aici intervine prima contribuție majoră a grupului Procese induse cu laser din INCDTIM, condus de CS 1 dr. Valer Toșa. Fasciculul laser fundamental, precum am scris mai sus, este generat de laserul foarte puternic fabricat de firma C5. Acest fascicul trebuie să ajungă cu cea mai mică pierdere posibilă în canalele săpate prin ablație laser în suportul de sticlă. Problema de ordin zero deci este a cuplajului fasciculului laser în ghidul de undă. Fascicului fundamental care rezultă prin amplificare (OPCPA) și este furnizat de laserul de la C5 are de regulă formă Gaussiană. Un fascicul Gaussian se tratează relativ mai greoi matematic decât unul de tip Bessel, însă forma reală de fascicul care iese din laser este de cele mai multe ori Gaussian. Așadar, am arătat primul avantaj al configurației propuse, chiar dacă a fost nevoie să „ieșim din zona de confort” în privința complexității calculelor.
2. Am cuplat fasciculul laser puternic mid-IR în micro-canale. Ecuația undelor trebuie rezolvată luând în considerare condițiile la limită impuse de pereții ghidului de undă. În aceste condiții mai multe moduri de undă sunt soluții ale ecuației undelor, iar depinzând de parametrii fasciculului și geometria tubului, se realizează transfer de energie între diferitele moduri. Cuplajul pulsului în ghid și condițiile create în interiorul tubului vor determina ce moduri de undă se manifestă și ce pierderi va suferi fasciculul.
3. Se propagă fasciculul în canalele pregătite, dar încă nu a interacționat cu niciun atom. Generarea de armonice superioare (HHG) în structuri ghidate este procesul fundamental de „frequency upconversion” din domeniul spectral al laserului fundamental (mid-IR) în radiație coerentă XUV. Modelarea procesului de HHG este o problemă de premiul Nobel (vezi laureații pentru Fizică în 2023) chiar și când procesul are loc în condiții de propagare liberă. Cu atât mai mult, descrierea și modelarea corectă a procesului de HHG în ghiduri de undă este de-a dreptul anevoioasă. Totuși, din motive practice, am ales această configurație, fiindcă eficiența procesului de HHG este semnificativ mai ridicată în ghid de undă decât în spațiu liber. O provocare constantă pentru cercetătorii din domeniu este faptul că însăși eficiența procesului fundamental este foarte redusă (~10-5), de aceea orice câștig în numărul de fotoni în XUV este binevenită. Dacă reușim să convertim radiația din mid-IR în XUV într-un procent acceptabil, iar totul se întâmplă într-un dispozitiv de câțiva cm dimensiune (cu tot cu carcasă), avem un avantaj semnificativ față de infrastructurile uriașe, în ceea ce privește accesibilitatea și paleta de posibile aplicații.
4. Preocuparea pentru găsirea parametrilor optimi prin care se amplifică fluxul de radiație XUV duce mult mai departe decât optimizarea procesului atomic de HHG. Sunt o multitudine de parametri macroscopici, a căror combinație poate decide soarta ideii de dispozitiv X-PIC: succes sau eșec. În modelări trebuie abordate toate variantele viabile și care de asemenea pot fi realizate experimental, adică efectiv fabricate în Laboratorul de Microprocesare și scriere directă cu laser. Cei mai importanți parametri practici sunt: numărul și distribuția jeturilor/orificiilor de introducere a gazului; tipul de gaz, precum și distribuția de presiune de-a lungul tubului; diametrul canalului; eventual modularea diametrului în vederea obținerii unui flux mai crescut. În strânsă colaborare și constantă comunicare cu colegii de la IFN Microprocesare cu Laser am construit modele pentru a simula posibilele structuri de ghiduri de undă, în care se petrece HHG, se obține radiația coerentă în XUV cu divergență minimă și eficiență maximă.

5. Când ne-am bucurat de obținerea câtorva scheme posibile de realizat experimental, și în același timp eficiente pentru a obține un flux bun de XUV, ne-am lovit de problema separării în ghid a pulsului mid-IR fundamental (care în continuare este foarte intens) de cel XUV generat. Aceasta este o problemă foarte importantă din punct de vedere practic, pentru că întregul scop al proiectului este de a furniza un instrument miniaturizat ca și sursă de radiație XUV pentru viitoare aplicații. Este absolut necesar să „scăpăm de” pulsul fundamental. Am rezolvat această provocare prin implementarea unei idei ingenioase. Ne-am folosit de proprietatea fundamentală potrivit căreia pulsurile mid-IR și XUV se comportă diferit când se propagă în ghid de undă. Pulsul fundamental este deviat într-un ghid de undă curbat, pe când cel util nouă, adică XUV se propagă în continuare colimat într-un canal mult mai îngust. Separarea celor două domenii spectrale nu este de 100%, însă este un exemplu minunat cum se poate transpune un concept fundamental într-un device high-tech.