Universiteit Gent kiest voor femtoseconde lasers van Light Conversion
Wat is de rol van femtoseconde laser systemen bij het onderzoek naar nanomaterialen? We gaan in gesprek met Pieter Geiregat, Associate Professor aan de Universiteit van Gent over zijn onderzoeksveld. Hij koos voor Laser 2000 als leverancier van een Light Conversion laser systeem dat een centrale rol heeft in zijn onderzoek. Wat onderzoekt hij precies en hoe gaan wij de resultaten van zijn onderzoek straks in de praktijk terugzien?
Pieter Geiregat, Associate Professor aan de Universiteit van Gent, onderzoekt nanomaterialen , materiegestructureerd op de lengteschaal van 1 – 100 nanometer (nm = 10-9m), met halfgeleider eigenschappen voor toepassingen in opto-electronica en lichtgedreven chemie. Hij heeft in het bijzonder aandacht voor de interactie van specifieke materialen met ultrakorte laserpulsen. Zijn groep werkt aan het begrip van fundamentele processen rondom de absorptie en emissie van licht, iets waar halfgeleiders in uitblinken, wat leidt tot inzichten die nuttig zijn voor de ontwikkeling van de volgende generatie lichtbronnen (LED’s, lasers), of fotodetectoren (bv. hyperspectrale camera’s voor onze smartphones). Hij koos voor Laser 2000 als leverancier van de Light conversion femtoseconde lasers die instrumenteel zijn voor dit onderzoek. We spraken met hem over zijn onderzoek en de samenwerking met Laser 2000.
Onderzoek op snijvlak natuur- en scheikunde
Geiregat begon aan een studie toegepaste natuurkunde en ontdekte al snel dat zijn interesse vooral uitging naar onderzoek op het grensvlak tussen chemie en fysica. En dan specifiek het, met behulp van goedkope en veelzijdige solvent-gebaseerde chemie, maken van nieuwe materialen uit atomaire bouwblokken en het vervolgens onderzoeken van de fysische eigenschappen van deze materialen. Het doel is om materialen te ontdekken die nieuwe mogelijkheden ontsluiten met betrekking tot de interactie met licht. Zijn onderzoekswerk kent dan ook twee richtingen:
“Mijn recente ERC Starting grant [red: onderzoek naar ‘mid-infrared emitting nanomaterials’] focust echt op fundamenteel onderzoek. Daar is de vraag ‘Kan dit wel werken en welke gevolgen hebben bepaalde aanpassingen die we aanbrengen in de samenstelling of structuur van het nanomateriaal?’. Dat zijn heel open, academisch gerichte, onderzoeksvragen. Wij noemen dat ook wel ‘blue sky research’. Voor de onderzoeker vaak het leukst omdat het geheel nieuwe dingen tevoorschijn kan brengen. Maar het is ook heel onzeker natuurlijk en daardoor soms moeilijk om gefinancierd te krijgen.
Tegelijkertijd is er in Vlaanderen ook veel aandacht voor wat strategisch basisonderzoek genoemd wordt. Daarbij ga je echt samen met bedrijven op zoek naar bepaalde eigenschappen van materialen. Bijvoorbeeld, je stuurt je onderzoek naar een demonstrator die een bepaalde kost, efficiëntie of vorm factor behaalt. Het bedrijf zegt, om commercieel rond te zijn moeten we dit met een factor 10 verbeteren. Dan gaan wij heel gericht op zoek, binnen dat materiaal of technologie, naar mogelijkheden om die doelstelling te halen.”
Femtoseconde lasers
Voor zijn onderzoek heeft Geiregat een opstelling van verschillende femtoseconde lasers tot zijn beschikking. Deze ultrasnelle lasers kunnen femtoseconde pulsen produceren en staan aan de basis van zijn onderzoek naar de eigenschappen van (nieuwe) materialen.
“Met deze lasers kan je tijdsopgeloste experimenten gaan verrichten. Je probeert eigenlijk de dynamica van materialen te begrijpen wanneer je ze uit evenwicht brengt, bv. door licht te absorberen. Voor nagenoeg alle materialen zit deze dynamica op onnoemelijk snelle tijdschalen, genre pico - of nanoseconde. En dus moeten we ook op deze ultrasnelle tijdschalen werken. Een kleine aanpassing in onze materialen, bv. de vorm, samenstelling of grootte, kan een significante impact hebben op zo’n kleine tijdschaal maar dan moet je deze wel kunnen zien. Deze lasers maken dit mogelijk.”
Eureka!
Voor veel mensen is dit soort onderzoek natuurlijk behoorlijk abstract. Daarom vroegen we Geiregat naar een echt ‘eureka!’ moment, wanneer werpt zijn onderzoek concreet vruchten af?
“Een mooi voorbeeld is de zoektocht naar een goedkoop en makkelijk te verwerken materiaal dat in staat is om licht te versterken. Een laser onderscheidt zich eigenlijk van een led omdat het actieve halfgeleidermateriaal ook licht kan versterken, niet enkel uitsturen, wat aanleiding geeft tot helder, directioneel licht met hoge kleur zuiverheid. Die lichtversterking is een effect dat al 20 jaar bekend is in onze wereld van nanomaterialen, maar er is nooit één nanomateriaal aangetoond dat aan alle gewenste eigenschappen voldoet en dus competitief kan worden wat er al bestaat. De voordelen van lagere kost en verwerkbaarheid van nanomaterialen woog nog niet op tegen hun nadelen. Vorig jaar hebben we eindelijk een materiaal gevonden dat aan alle voorwaarden voldoet. Met dit materiaal zijn we nu in staat om naar de toekomst te kijken en het verschil te gaan maken voor mensen in het dagelijks leven.
Voor mij is het een ‘eureka’-moment als ik besef dat de applicatie er ook echt gaat komen na jaren fundamenteel onderzoek. Dat we van die wijde onderzoekvisie naar echte focus gaan en richting de toepassing gaan werken. Ik ben niet voor niks toegepaste natuurkunde gaan studeren, ik krijg veel energie van de toepassing van mijn onderzoek.”
Light Conversion laser systeem
Het femtoseconde laser systeem is instrumenteel in dit onderzoek en de juiste opstelling kan een groot verschil maken. Geiregat koos voor een laser systeem van Light Conversion, waarvan Laser 2000 voor de Benelux het exclusieve distributeurschap heeft:
“Ik werkte al tijdens mijn doctoraal onderzoek en post-doc met lasers van Light Conversion, toen we financiering kregen voor dit onderzoek hadden we dus al een voorkeur. Maar waar wij met de titaan-saffier systemen nog veel tijd kwijt waren met afstellen is dit nieuwe systeem zodanig stabiel dat er veel meer gefocust kan worden op de wetenschap. Light Conversion heeft echt de push gemaakt naar de academische context, niet alleen door de licht pulsen korter krijgen van de pulsen maar ook de verbetering van de betrouwbaarheid en stabiliteit is heel erg belangrijk. Soms is mijn team nog wel eens verbaasd, ‘weet je nog hoeveel tijd we toen kwijt waren aan…’. Het is nu zoveel stabieler, bijna een industriële setting, de opstelling kan bijna 24/7 actief zijn. En door te kiezen voor Light Conversion konden we ook alles van één leverancier krijgen. Dat is een enorm voordeel als het gaat om zowel ondersteuning als compatibiliteit.”
Samenwerking met Laser 2000
Geiregat heeft naar volle tevredenheid samengewerkt met Laser 2000 en specifiek met onze fotonica specialist Davey Loos
“Als je als overheidsinstelling zo’n grote aankoop doet komt daar een hele tender-procedure bij kijken. Daarbij helpt het om in een zekere transparantie te kunnen communiceren over prijzen, verwachtingen en mogelijkheden. En dat is toch altijd met Laser 2000, en met Davey zeker in het bijzonder, heel goed gelopen. Als academische instelling doen wij eenmalig zo’n grote aankoop, en dat zet zeker wel druk op de ketel. Wij verwachten een bepaalde performance en ondersteuning en Laser 2000 was daarvoor gewoon een goede keuze. Ik denk dat Laser 2000 een goede representatie is van Light Conversion.
Het was dan ook logisch om, nu we de opstelling uitbreiden, eigenlijk opnieuw opbouwen, weer samen te werken met Davey en Laser 2000 om tot een optimaal resultaat te komen. Ze denken heel hard mee in het proces, wat is er wel of niet mogelijk, en komen met goede suggesties. Wij weten hoe lasers werken en hoe we die kunnen gebruiken, maar voor de technische details en welke mogelijkheden er zijn rekenen we op hen. Dat loopt allemaal gewoon goed.”
Davey Loos, fotonica specialist bij Laser 2000 en contactpersoon van Geiregat voegt daaraan toe:
“Uiteindelijk wil je met drie partners, Universiteit Gent, Laser 2000 en Light Conversion, samenwerken om tot een optimale opstelling te komen. De betrokkenheid die Laser 2000 heeft met Light Conversion maakt het heel gemakkelijk om dat te doen. Achter de schermen, dat zijn dingen die Pieter vaak niet eens ziet, hebben wij dagelijks contact en wisselen informatie en kennis uit. En uiteindelijk gaat er een gedestilleerd concept naar de klant dat werkbaar is. Wij maken de vertaalslag waardoor Light Conversion begrijpt wat Pieter wil doen en met de juiste oplossing komt.”
Toekomstige toepassing van nanostructured materials
Tot slot waren wij natuurlijk benieuwd naar de toepassing van de nano-gestructureerde materialen die Geiregat onderzoekt. Wanneer gaan we deze in het dagelijks leven tegenkomen?
“Een mooi voorbeeld van een toepassing die voortkomt uit dit onderzoeksveld is bijvoorbeeld de QLED tv’s. Dit zijn eigenlijk blauwe LEDs waarop nanomaterialen zijn gecoat zijn die dat blauwe licht absorberen en vertalen in groen en rood met een hele hoge kleurzuiverheid. Je kan deze “quantum”-materialen dus gebruiken als een soort kleurwiel, je kan bepaalde kleuren maken door de eigenschappen, bv. de grootte, van het materiaal aan te passen op de nanometer schaal (1 – 10 nm).
Op de kortere termijn zijn het vooral de toepassingen in het zichtbare spectrum die interessant zijn. [red: infrarood toepassingen zijn nog verder weg] En dan denk ik vooral aan het meer toegankelijk maken van technologie die gebaseerd is op lasers. Wat we vandaag de dag zien in veel consumentenproducten zoals de smartphone zijn licht emitterende diodes. Dat is eigenlijk een proces met relatief weinig licht dat eigenlijk in alle richtingen uitstraalt. Waar we naartoe gaan is lasertechnologie waarmee we heel directioneel, monochromatisch heel helder licht kunt gaan uitsturen bijvoorbeeld.
En als je dan denkt op de langere termijn kan je denken aan bijvoorbeeld het concept van LIDAR. Het doel is om voor zowel emissie als detectie, goedkope bronnen en detectoren te maken om het self-driving car concept verder mogelijk te maken. Maar je kan ook denken aan geminiaturiseerde sensoren waarmee je met printbare materialen de halfgeleiderindustrie ontlast van de hoge kost van dure kristal groei processen.
Wij proberen eigenlijk goedkope, printbare halfgeleidertechnologie op de markt te krijgen. En dat is heel tijdig. Tijdens Covid hebben wij allemaal gemerkt hoe belangrijk de halfgeleiderindustrie is en dat heeft geleid tot de European Chips Act. Printbare halfgeleiders zouden een belangrijke bouwsteen zijn voor een meer zelfstandige Europese chipmarkt. We zouden steeds meer halfgeleiders en optische materialen zelf kunnen gaan produceren en de afhankelijkheid van andere regio’s terugbrengen. Ons onderzoek is fundamenteel voor het maken van deze stap.”
Ben jij ook benieuwd naar het programma van Light Conversion of heb jij een concrete vraag over de toepassing van lasers in jouw onderzoeksveld? Neem dan contact op met Davey Loos via davey@laser2000.nl of +3211757987
