SBORNÍK ODBORNÝ SEMINÁŘ

SBORNÍK

ODBORNÝ SEMINÁŘ Pořádá:

Terinvest spol. s.r.o. ve spolupráci s Českou a slovenskou společností pro fotoniku

Termín: Místo :

14. – 15. 4. 2010 PVA Letňany, Vstupní hala I, Malý konferenční sál III

1

OBSAH:

50 let laseru prof. Ing. Miroslava Vrbová, CSc. - FBMI, ČVUT Vláknové lasery Ing. Pavel Peterka, Ph.D. - ÚFE AV ČR, v.v.i. Optická vlákna Mgr. Maciej Kucharski - ČSSF FTTH Ing. Jan Brouček, CSc. - PROFiber Networking CZ s.r.o. Integrovaná optoelektronika pro informatiku Ing. Vítězslav Jeřábek, CSc. - FEL ČVUT

Nanooptika Prof. RNDr. Pavel Tománek, CSc. – VUT, Brno Elektřina ze slunce Doc. RNDr. Jiří Toušek, CSc. – MFF, UK Praha Holografie RNDr. Dagmar Senderáková, CSc. – KEF, Univerzita Komenského, Bratislava Obrazové senzory Prof. Ing. Miloš Klíma, CSc. - FEL ČVUT 20 let České a Slovenské společnosti pro fotoniku - závěr semináře Ing. Miroslav Jedlička, CSc. – ČSSF

2

Předmluva Terinvest, obchodní společnost s r.o., pořadatel tradičních a úspěšných veletrhů Amper se rozhodla pořádat současně s tímto veletrhem a na stejném místě nový veletrh, zaměřený na obor optiky a fotoniky s názvem Optonika. Název vznikl spojením částí slov optika a elektronika. V Evropě je podobných veletrhů již řadu let více (OPTO v Paříži, MicroNanoTec v Hannoveru, Optatec ve Frankfurtu a pod.) a bývají úspěšné. Často jsou tyto veletrhy a výstavy spojeny se současně pořádanými vědeckými nebo vědecko technickými konferencemi a symposii. Také společnost Terinvest se rozhodla připojit k novému veletrhu podobnou akci. O spolupráci při jejím pořádání požádala Českou a Slovenskou společnost pro fotoniku (ČSSF), která se organizováním takových setkání odborníků dlouhodobě zabývá. Při úvodních debatách o formě tohoto setkání se Terinvest a ČSSF dohodly, že v úvodním ročníku veletrhu uspořádají seminář, zaměřený na některé dílčí úseky oborů optiky a fotoniky. Autoři jednotlivých příspěvků pro seminář byli požádáni, aby jejich přednášky byly zaměřeny spíše přehledově a informativně. Důvodem k takovému pojetí byl předpoklad, že účastníci semináře budou spíše z řad zajímajících se návštěvníků, než z řad specializovaných vysokých odborníků. V tomto sborníku je zveřejněn soubor přednášek z tohoto semináře.

Ing. Miroslav Jedlička, CSc, předseda ČSSF a editor sborníku Praha, duben 2010

3

50 LET LASERU Miroslava VRBOVÁ

Laser ...

inter eximia naturae dona numeratum plurimis compositionibus inseritur. (Laser ... jeden z nejvzácnějších darů přírody mající rozmanité použití.) Plinius St.: Naturalis Historia XXII, 49 (1.stol.n.l.)

Abstrakt: V příspěvku je připomenuta konstrukce prvního rubínového Maimanova laseru a je popsána historie jeho vynálezu. Zmíněn je obecný princip činnosti laserů a přehled vlnových délek, které známé lasery generují. Je uvedeno třídění laserů podle použitého aktivního prostředí a způsobu buzení. Komentovány jsou aplikace laserů a stručně zmíněny extrémní lasery pro vybrané aplikace. V závěru je uveden výčet 7 Nobelových cen, udělených za lasery a jejich aplikace do r. 2005. Úvodem LASER je zkratkou anglického termínu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což označuje proces zesilování světla pomocí stimulované emise záření. Toto slovo se současně používá pro označení zdroje optického záření, založeného na principu zesilování záření využitím stimulované emise. První laser -rubínový- byl sestrojen Američanem T.H.Maimanem a uveden v činnost 15. května 1960. Když o realizaci prvního laseru referoval na tiskové konferenci pořádané 7. července v Hughes Research Laboratories uvedl hned pět oblastí, kde by mohl být laser s výhodou využíván: pro zesilování světla, pro zkoumání podstaty látky, pro komunikace ve vesmíru, zvýšení kapacity pozemských komunikačních kanálů a protože se jeho záření dá fokusovat, je možné zvyšovat hustotu výkonu potřebnou pro aplikace v chemii, průmyslu a medicíně. Uvedené aplikace vyplývaly bezprostředně z poznání nové kvality světla generovaného laserem – z koherence. V následujícím půlstoletí se ukázalo, že aplikací laseru je ještě mnohem více. Slovo LASER nebylo poprvé objeveno v roce 1960. Stejná pětice písmen LASER (n. Laserpitium) byla o více než tisíciletí dříve používána pro označení vzácné rostliny, rostoucí na území dnešní Libye. Měla mnohostranné použití. Římané ji používali k léčení řady nemocí, při uštknutí hadem nebo škorpiónem, při zranění otráveným šípem i jako koření, neboť měla velmi výraznou chuť. S velkým úspěchem byla vyvážena do Řecka i Říma. Římané se ji pokoušeli pěstovat ve své zemi, ale bez úspěchu. Asi ve druhém století našeho letopočtu však tato rostlina prý zcela vymizela [1]. Zajímavou paralelu mezi dřívějším laserem-rostlinou i novodobým laserem- přístrojem vidíme ve výjimečné kvalitě a široké možnosti použití. Během padesáti let, která téměř uplynula od realizace prvního laseru, bylo sestrojeno mnoho typů laserů, vysílající záření v širokém pásmu optických vlnových délek od rentgenové až po vzdálenou infračervenou oblast. Bylo objeveno, odzkoušeno a je vyžíváno nesmírné množství aplikací. Rozvoj laserů a jejich aplikací není ještě zdaleka uzavřen. První laser Základním stavebním prvkem prvního (Maimanova) laseru bylo aktivní prostředí ve tvaru vybroušeného válce krystalu rubínu (viz obr. č. 1). Rubín je polodrahokam, krystal oxidu hlinitého dopovaný chromem. 4

Trojmocné ionty chromu, nahrazující v krystalografické mříži některé atomy hliníku, dodávají tomuto krystalu zářivě růžovou barvu. Na koncích rubínového válce byla vytvořena rovnoběžná zrcadla. Na jednom konci bylo zrcadlo plně odrazné, na druhém polopropustné. Výbojka ve tvaru spirály, obklopující rubínový výbrus, vysílala impulsy intenzivního bílého světla. Za polopropustným zrcadlem byl pozorován záblesk červeného světla –laserový svazek.

Obr.1: Sestava prvního rubínového laseru (převzato z http://www.laserfest.org/lasers/how/ruby.cfm) V tomto opticky buzeném pevnolátkovém laseru ionty chromu absorbují modré a zelené záření výbojky. Excitované ionty chromu vysílají následně charakteristické rubínové záření. Zrcadla na konci krystalu odrážejí část vysílaného záření tam a zpět. Záření procházející krystalem vyvolává stimulovanou emisi excitovaných iontů úměrnou intenzitě záření, takže intenzita záření při opakovaných průchodech krystalem uvnitř optického rezonátoru vzrůstá až dosáhne takovou úroveň, že odvede podstatnou část energie, kterou výbojky vložily do iontů chromu v krystalu. Co předcházelo vynálezu laseru Sestrojení prvního laseru nebylo objevem náhodným [2]. Předcházelo mu dlouhé období cíleného úsilí řady vědců v různých místech světa. Přímým předchůdcem laseru byl maser (zkratka pro Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) tedy generátor mikrovlnného záření, realizovaný Američanem C. H. Townesem. Sovětský vědec V. A. Fabrikant podal v roce 1951 patentovou přihlášku na zesilování elektromagnetického záření v široké oblasti spektra od ultrafialového záření až k radiovým vlnám, tedy princip laseru. V roce 1954 R.H. Dicke navrhl optické buzení k dosažení inverze populace hladin (vytvoření zesilujícího prostředí) a také v r. 1956 patentoval myšlenku využít Fabryův-Perotův interferometr jako optický rezonátor. První detailní návrh laseru, který byl v té době nazýván „optickým maserem“ byl publikován C. H. Townesem and A.L. Schawlowem v časopise Physical Review v prosinci 1958 s názvem Infrared and Optical Masers. Tento článek odstartoval velkou soutěž o realizaci prvního laseru. Autoři článku nebyli jedinými zúčastněnými v této soutěži. Lasery se navrhovaly a stavěly na několika pracovištích, při čemž se vycházelo z různé profesionální zkušenosti výzkumníků. Townes, Maiman a Bloembergen pracovali dříve na mikrovlnných maserech, jiní např. P.P. Sorokin, R. Hall and N. Patel v jiných oblastech fyziky. Zpočátku bylo úsilí soustředěno na spektroskopické studie. A. Javan pracoval na helium-neonovém laseru v Bell laboratories již před zveřejněním článku Townse a Schawlowa. C.H. Townes se svými studenty se věnoval s parám draslíku, N. Basov v Moskvě studoval se svými studenty polovodiče. Veškerý výzkum směřující k laseru byl většinou jen skromně financován. Výjimkou byl Pentagon, který štědře financoval výzkum soukromé firmy G.Goulda (Townesova studenta), který se soustředil na páry alkalických kovů. 5

A.L.Schawlow v Bell Laboratories se zabýval rubínem, jehož spektroskopické vlastnosti byly dobře známy z výzkumu maserů. Naneštěstí došel v roce 1959 k závěru, že je pro optickou oblast nevhodný. Theodor Maiman však pokračoval s rubínem, snažíc se využít své předchozí zkušenosti z maserů. Došel k závěru, že kvantové přechody na rubínu nelze využít ke kontinuální generaci, a že k demonstraci postačí impulsní provoz. Podařilo se. O publikaci a uznání objevu rubínového laseru T. Maiman neprodleně připravil článek pro Physical Review Letters, v němž pro svůj vynález laseru použil termín „optical maser“. Redakce příspěvek odmítla s tím, že není dostatečně aktuální, že jde „zase o jiný maser“. Maiman se nevzdal a připravil krátké sdělení pro britský týdeník Nature. Vynález laseru byl tedy poprvé publikován 6. srpna 1960 v Nature. Později pak byly detailní popis a pozorování zveřejněny v obsáhlejším článku ve Physical Review. Brzo po Maimanovi byly postaveny rubínové lasery v řadě dalších laboratořích. Schawlowův tým byl mezi prvními následovníky. I když T. Maiman zvítězil v soutěži o první konstrukci laseru, nebyl tím, kdo dostal Nobelovu cenu za tento vynález. Nobelova cena byla udělena společně C.H. Townesovi, L.N. Basovovi a A.N. Prokhorovovi v roce 1964 za teoretické poznání předcházející konstrukci laseru. Z historie dalších laserů Sestrojení rubínového laseru bylo bezprostředním stimulem objevů dalších typů laserů, vyzařující jiné vlnové délky a využívající jiná laserová prostředí. V r.1961 byl realizován první plynový helium-neonový laser, vysílající záření v blízké infračervené oblasti. O rok později pak helium-neonový laser s výstupním svazkem ve viditelné oblasti. V té době byl a také realizován první polovodičový laser. V r. 1964 zazářil poprvé CO2, který generoval infračervené záření (s vlnovou délkou 10,6 m) o výkonu 1 mW. V roce 1965 byl sestrojen CO2 laser s výkonem 50 W a také první chemicky buzený laser. V roce 1967 pak byl realizován laditelný laser s aktivním prostředím v kapalném stavu, tj. s roztokem organického barviva. První excimerový laser, vysílající ultrafialové záření, byl realizován v roce 1970. Laser s volnými elektrony pak píše svou historii od r. 1977. V Československu byly první lasery realizovány v r. 1963 a to neodymový skleněný ve Fyzikálním ústavu ČSAV, rubínový ve Vojenském výzkumném ústavu Praha a helium-neonové lasery v Ústavu přístrojové techniky ČSAV v Brně a v Tesla VÚST A.S. Popova v Praze. Česká vědecká veřejnost se v průběhu celých padesáti let podílela nezanedbatelnou měrou na výzkumu laserů a jejich aplikací. Princip činnosti laseru Laser je zdroj koherentního infračerveného viditelného nebo ultrafialového záření, založený na rezonanční interakci mezi souborem kvantových soustav (u rubínu soubor trojmocných iontů chromu v krystalografické mříži) a elektromagnetickým zářením definované frekvence (např. rezonanční frekvence optického Fabryova-Perotova rezonátoru) [1,3]. Základními stavebními prvky laseru jsou zesilující (aktivní) prostředí A (obr. 2) a optický rezonátor, tvořený zpravidla dvěma zrcadly Z1 Z2, z nichž jedno bývá vysoce odrazné a druhé polopropustné a slouží k vyvázání laserového záření z rezonátoru.

Obr.2: Základní prvky laseru; A- Zesilující (aktivní) prostředí, Z1 Z2– Zrcadla 6

E2 - N2 E1 - N1 E

Obr.3: Eenergetické hladiny

Aktivní prostředí A je soubor kvantových soustav (tj. atomů, iontů nebo molekul), umístěný v jisté konečné části prostoru. Kvantové soustavy mají obecně diskrétní spektrum vázaných stavů a jim přísluší diskrétní spektrum energetických hladin, např. E1 a E2. Při zářivých přechodech mezi dvěma vybranými stavy dochází k výměně energie s rezonančním elektromagnetickým zářením, tj. se zářením, jehož kruhová frekvence , se rovná frekvenci kvantového přechodu 21= (E2-E1 )/h. O tom, jestli bude aktivní prostředí zesilovat nebo zeslabovat záření rozhodují tzv. populace energetických hladin Ni,, tj. počty kvantových soustav nacházející se na příslušné hladině Ei. Aktivní prostředí zesiluje, je-li N2 > N1. Takový stav se označuje jako stav souboru s inverzí populace hladin. K tomu, aby se v aktivním prostředí ustavila inverze, musí být vnější činidlem (buzením) dodávána energie a přednostně zaplňovány horní hladiny E2 a populace spodní hladiny N1 snižována prostřednictvím interakce s jinou složkou okolního prostředí (tlumením). Čím větší je rozdíl populací hladin N2 – N1 tím účinněji je rezonanční záření zesilováno. Když zesílení záření při průchodu aktivním prostředím kompenzuje ztráty při odrazu na polopropustném zrcadle, je překročen práh a systém se stává generátorem optického záření. Frekvence 21 vystupujícího záření je dána energetickými hladinami kvantových soustav (atomů, iontů nebo molekul). Generovat je možné jen záření těch vlnových délek (resp. frekvencí), u kterých se nám podaří nalézt kvantovou soustavu s odpovídající frekvencí kvantového přechodu a současně nalézt metodu vytvoření inverze populace na tomto přechodu, tj. nalézt metodu buzení.

Přehled známých typů laserů Vlnové délky záření, které mohou být generovány dosud známými lasery, leží v širokém pásmu od měkké rentgenové oblasti (1 nm) až po submilimetrové vlny (100 m). Pro generaci laserového rentgenového záření se využívají kvantové přechody mezi elektronickými stavy mnohonásobně nabitých iontů. Ultrafialové a viditelné záření je generováno prostřednictvím elektronických přechodů atomů kovů, iontů v plynu a iontových příměsí v pevných látkách. Pro generaci záření ve střední (resp. daleké) infračervené oblasti se využívá kvantových přechodů mezi vibračními (resp. rotačními) stavy molekul. Rentgenové lasery využívají kvantových přechodů mnohonásobně ionizovaných iontů v plazmatu. Přehled vlnových délek záření vysílaného nejvíce používanými lasery je patrný z grafu na obr. 4.

7

Principy i techniky buzení laserů mají řadu různých podob a závisejí na zvoleném kvantovém přechodu a na fyzikálním stavu aktivního prostředí. Plynové lasery (např. argonový laser, helium-neonový, CO2,) bývají buzeny elektrickým výbojem. Pro buzení pevnolátkových laserů (např. rubín, Nd:YAG, Ti:safír) se používá 8

optické záření výbojek, polovodičových luminiscenčních diod apod. Různé principy buzení pro různé druhy aktivního prostředí jsou uvedeny v přehledové tabulce č. 1. Tabulka 1: Třídění laserů podle aktivního prostředí a buzení

Aktivní prostředí Dielektrické krystaly Skla

Označení

Buzení

Pevnolátkové

Optické Elektrickým

Vlastní č

proudem

č

Elektronovým

Příměsové Kapaliny organická barviva

svazkem Barvivové Fotodisociační Elektroionizační

Optické Optické Elektronovým svazkem

Atomové Iontové Molekulární Excimerové Dynamické plynové Chemické

Expanzí plynu Chemickou reakcí

Elektrický výboj

Rekombinační

Laserové plazma

Srážkové

Jednotlivé lasery se navzájem liší nejen vlnovou délkou záření a principem buzení, ale také režimem generace. Některé lasery pracují kontinuálně a jejich základním parametrem je výstupní výkon, který bývá podle typu laseru v rozmezí několika mikrowattů až stovek kilowattů. Neméně důležitým parametrem je divergence (rozbíhavost) svazku, která předurčuje míru fokuzovatelnosti svazku. U kvalitních laserů bývá divergence rovna zlomkům miliradiánu a minimální dosažitelný rozměr ohniska dosahuje několikanásobku vlnové délky záření. U laserů impulsních je důležitým parametrem doba trvání impulsu. Ta je pro různé typy laserů a různé metody generace různá a pohybuje se v intervalu od několika femtosekund (10-15 s) až do několika milisekund. Lasery, u nichž je výstup tvořen dlouhým sledem impulsů označujeme jako lasery pulsní. Důležitými parametry pulsních laserů jsou opakovací frekvence a střední výkon.

Aplikace laserů 9

Lasery se využívají v nejrůznějších oborech lidské činnosti. Ve strojírenství pro sváření, řezání, vrtání, kalení, v mikroelektronice pro litografii, v elektronice pro dostavování a nařezávání odporů. V astronomii a geodézii jsou základním prvkem v systémech měření velkých vzdáleností s vysokou přesností, sloužící například ke zpřesňování údajů o Zemi a Měsíci. Široké pole uplatnění mají lasery i v technice spojů, vojenské technice restaurátorství i v medicíně. Pro každou aplikaci je potřebné pochopit princip interakce záření s látkou, který má být využit a potom optimálním způsobem zvolit vlnovou délku záření (nalézt laserové prostředí), zvolit režim generace (např. délku impulsu), získat potřebný výkon nebo energii a doladit plošnou hustotu výkonu (energie) záření v místě interakce (např. vhodnou fokuzací) atd. Jako příklad uvedeme použití laserů v medicíně. Při interakci s biologickými materiály dochází k různým účinkům záření na tkáň v závislosti na tom, jakou vlnovou délku a jaký výkon má dopadající laserové záření. Účinky lze charakterizovat následujícím výčtem 1 Tepelné efekty se uplatňují, když dochází ke zvyšování teploty prostřednictvím absorpce pigmentů v tkáni. Důsledkem může být např. fotokoagulace Ho:YAG laserem. 2 Fotochemické procesy dominují, když ultrafialové a viditelné záření vyvolává destrukci chemických vazeb. To se využívá např. při fotodynamické terapii zlatým laserem nebo při úpravě rohovky excimerovými lasery. 3 Mechanické účinky vznikají při vytváření plazmatu zejm. při optickém průrazu v látce, který vede k vytvoření tlakové vlny a k roztržení tkáně, tj. fotodestrukci impulsním Nd:YAG laserem. 4 Odpaření a mikroexploze, která nastává v důsledku náhlého vzrůstu teploty nad bod varu v důsledku absorpce ve vodě (např. při ozáření Er: YAG). Jedním z mnoha způsobů použití laseru v medicíně je léčení diabetické retinopatie. Tam se využívá fotokoagulace na sítnici lidského oka, tedy mírného ohřátí sítnice v důsledku absorpce záření v místě, kam dopadá záření fokusované vlastní čočkou. Vhodná vlnová délka laserového záření je dána podmínkou, aby záření ve tkáni sítnice bylo dobře absorbováno a současně nebylo absorbováno a nepoškozovalo ostatními části oka, kterými musí projít než dopadne na sítnici. Této podmínce dobře vyhovují vlnové délky v okolí 500 nm (zelené světlo). Nejčastěji se pro danou aplikaci využívá argonový iontový laser. V úvahu však připadají i jiné pulsní lasery vysílající zelené světlo, mj. i druhá harmonická záření Nd:YAG.

Extrémní lasery pro vybrané aplikace Aplikace laserů se rozšířili a stále rozšiřují do nejrůznějších oborů lidské činnosti vedou k tomu, že jsou vyráběny jednak velké série laserů pro širokou spotřebu např. pro čtečky čárových kódů, pro záznam a čtení DVD, pro laserovou show, jednak se vyvíjejí stále nové speciální i velmi extrémní typy laserů pro nové velmi náročné aplikace. Níže uvádíme výběr extrémních laserů z roku 2007 [4], přesněji přehled nejznámějších reprezentantů ve vybraných extrémních kategoriích. Největší energie laserového impulsu: 150 kJ v jediném 10 ns impulsu bylo dosaženo na laserovém systému National Ignition Facility (NIF) v Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore v r. 2005. Energie obsažená v takovém impulsu odpovídá kinetické energii tumového automobilu pohybujícího se rychlostí asi 90 km/s. NIF má v plánu dosáhnout energie až 1 MJ. Všechna tato energie má být namířena na maličkou kuličku obsahující deuterium. Cílem je dosáhnout lasere iniciace termojaderného slučování, které bude základem řešení budoucího energetického zdroje. Nejkratší laserový impuls: Impuls kratší než 1 femtosekunda (10-15 s) byl vytvořen v Max Planck Institute for Quantum Optics v Garchingu. Délka impulsu je kratší než jedna perioda kmitu optického záření. Takový impuls obsahuje velmi široké spektrum frekvencí od viditelných do ultrafialových a je generován prostřednictvím kontinua. Podle frekvenčního spektra se tak velmi liší od představy jednofrekvenčního 10

spektra obvyklých laserů. Takto krátký impuls má umožnit nahlédnout do rychlých procesů na molekulární úrovni. Největší okamžitý výkon: Výkon vyšší než 1 PW (1015 W) byl poprvé dosažen v Lawrence Livermore National Laboratory v roce 1996. Tento výkon převyšuje tisíckrát výkon všech amerických elektráren. Trvá však jen po dobu 440 fs, čemuž odpovídá celková energie jen 680 J. Vzhledem k tomu, že optický výkon může být fokusován do malého objemu, odpovídá jeho fokuzovatelná energie hustotu 3 . 1010 J.cm-3. To je více než objemová hustota energie uvnitř hvězd. Při takových hustotách energie dosahují elektrony v plazmatu relativistických rychlostí. Největší střední výkon: Více než 1 MW kontinuálního výkonu bylo dosaženo s chemicky buzeným laserem MIRACL (Mid-Infrared Advanced Chemical Laser) na zkušebně ve White Sands Missile Range, New Mexico. Protože je jeho výkon obrovský, může pracovat po dobu jen několika sekund aby nedošlo k destrukci jeho prvků (např. zrcadel). Celková výstupní energie je pak několik MJ. “Nejstrašnější“ laser: Blízký příbuzný MIRACL umístěný na letadle Boeing 747-400F pro vojenské účely, vysílá MW impulsy o době trvání několika sekund, jeho určením je sestřelení balistických střel apod. Nejdelší laser: 1,3 km dlouhý laser s volnými elektrony, jehož součástí je lineární urychlovač elektronů ve Standfordu. Obsluha laseru využívá golfové vozíky k překonávání vzdáleností. Nejkratší laser: Několik mikrometrů dlouhý rezonátor vertikální dutiny povrchově emitujících polovodičových laserů sestrojených v Tokyo Institute of Technology pro telekomunikační účely. Nejstabilnější laser: V National Institute of Standards and Technology (NIST) pracuje laser jehož frekvence nevykazuje žádnou změnu po dobu 13 s. T zn., že během této doby nepřibude, ani neubude ani jedna perioda kmitu. Takto stabilní laser je základem atomových hodin, např. synchronizujících GPS. Nejpřesnější měření délky pomocí laseru: 1 attometr (10-18 m). Tato změna délky je omnoho řádu menší než rozměr atomu, bylo jí dosaženo pomocí laserového interferometru (LIGO) se zrcadly vzdálenými od sebe 4 km určeného pro detekci gravitačních kmitů. I) Nositelé Nobelových cen za lasery Laser byl a je jak objektem, tak nástrojem aktuálního výzkumu nejen ve fyzice, chemii, technice, ale i v biologii, medicíně, astronomii, geodezii a dalších. Vědecké úspěchy v této oblasti dokládá řada Nobelových cen, udělených vědcům za rozvoj poznání v oblasti laserů a jejich aplikací. Uvádíme prostý výčet v období 1964 až 2005: 1964: Američan Charles Townes spolu s ruskými fyziky Nikolajem Basovem a Aleksandrem Prokhorovem za objem maseru v r. 1958. 1981: Američan Nicolas Bloembergen spolu s Arthur Schawlowem za rozvoj laserové spektroskoppie . 1997: Francouzský vědec Claude Cohen-Tannoudji spolu s Američany Stephen Chu a William Phillips za rozvoj metod chlazení a záchyt atomů laserovým zářením. 1999: Ahmed Zewail z CalTech cenu za využití laserové techniky pro zviditelnění pohybu atomův molekule během chemické reakce. 2000: Rus Zhores Alferov a Američan Herbert Kroemer za vývoj polovodičových heterostruktur používaných v optoelektronice, umožňující práci při pokojové teplotě a za kontinuální polovodičové diodové lasery. 11

2001: Američané Eric Cornell, Wolfgang Ketterle, and Carl E. Wieman za dosažené výsledky BoseEinsteinovy kondenzace ve zředěných plynech alkalických atomů. 2005: Němec Theodor Hansch a Američan John Hall za rozvoj laserové přesné spektroskopie, zahrnující techniku optických frekvenčních hřebenů. Literatura [1] O. Svelto: Principles of lasers, Plenum Press, New York, 1982 [2] J.Hecht: Laser Pioneers, ISBN 0 12-336030-7, Academic Press, 1991 [3] M. Vrbová a kol.: Lasery a moderní optika. Oborová encyklopedie. Prometheus, Praha, 1994 [4] http://laserfest.org/lasers/how/extreme.cfm

Kontakt: Prof. Ing. Miroslava Vrbová, CSc. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta biomedicínského inženýrství nám. Sítná 3105 272 01 Kladno 2 [email protected]

12

Vláknové lasery Pavel PETERKA Abstrakt: Vláknové lasery patří mezi nejpůsobivější úspěchy fotoniky posledních let. Poskytují hrubou sílu využitelnou pro řezání a sváření v průmyslu, ale lze je nalézt i v delikátních zařízeních vyvíjených pro dosud nejpřesnější měření frekvence a času. Na začátku současného rozmachu této technologie stál erbiem dopovaný vláknový zesilovač, který byl jednou z klíčových komponent umožňující rychlý rozvoj internetu. V příspěvku jsou uvedeny základní principy činnosti vláknových zesilovačů a laserů, některé jejich aplikace a vybrané výsledky výzkumu v tomto oboru v Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR, v.v.i. Vláknové lasery byly navrženy již v roce 1960, krátce poté, co Theodore Maiman rozzářil koherentním světlem krystal rubínu a sestavil tak první laser. Tehdy Elias Snitzer navrhl a záhy realizoval laser, ve kterém jako aktivní, zesilující prostředí použil skleněné vlákno s jádrem dopovaným neodymem [Snitzer64]. Tento vláknový laser generoval záření na vlnové délce 1,06 mikrometru a byl čerpaný výbojkou, kolem které bylo vlákno obtočené ve spirále. Zatímco odvětví pevnolátkových laserů zaznamenávalo rychlý pokrok od dnů jejich objevu, po prvních pracích E. Snitzera upadají vláknové lasery v zapomnění a jsou považovány spíše za laboratorní kuriozitu. Optickým vláknům samotným však začal bouřlivý rozvoj jako bezkonkurenčnímu přenosovému médiu pro telekomunikace. Aktivní optická vlákna byla znovuobjevena až v polovině osmdesátých let, kdy tým kolem Davida N. Payna z univerzity v Southamptonu v Anglii ukázal, že ionty prvku vzácné zeminy erbia mohou ve vláknech vyvolat zisk na vlnové délce kolem 1550 nm, využívané v komunikačních systémech. Erbiem dopovaný vláknový zesilovač (EDFA - Erbium Doped Fibre Amplifier) způsobil v oblasti optických komunikací převratné změny. EDFA je totiž jednou z klíčových komponent, která umožnila výstavbu dálkových vysokokapacitních datových spojů a tedy i celosvětový rozvoj internetu. Tato komponenta také otevřela nové možnosti pro transparentní optické sítě s vlnovým multiplexem (WDM - Wavelength Division Multiplexing) a pro přenos dat prostřednictvím optických solitonů. Současně s výzkumem EDFA se prováděl i výzkum vláknových laserů. Je vskutku obdivuhodné jak jsou vláknové lasery univerzální. Některé nabízejí eleganci - široce přeladitelný výstup s úzkou šířkou čáry nebo femtosekundové pulzy. Jiné zas nabízejí hrubou sílu - výstupní výkon řádu stovek watů až kilowatů z několika desítek metrů vlákna, a to bez nutnosti drahého a rozměrného vodního chlazení. Princip optického zesilování Vláknový laser je vlastně koherentní optický vláknový zesilovač se zpětnou vazbou. Proto nejprve stručně vysvětlíme činnost vláknových zesilovačů. Na jakém principu je založeno optické zesilování? Zodpovězme si na tuto otázku právě na příkladu aktivního prostředí dopovaného ionty erbia Er3+, viz Obr. 1. Předpokládejme pro jednoduchost, že ionty Er3+, kterými je prostředí dopováno, mohou existovat nejméně ve dvou diskrétních stavech - v základním stavu, a v excitovaném stavu. V tepelné rovnováze je počet iontů nacházejících se na jednotlivých energetických hladinách dán Boltzmannovým rozdělením a většina iontů se tedy nachází v základním stavu s minimální energií. Interakci takovéhoto souboru iontů s kvanty světelné energie - fotony - teoreticky vysvětlil Albert Einstein začátkem dvacátého století. Mohou nastat tři různé jevy: spontánní emise, absorpce a stimulovaná emise. Absorpcí fotonu o energii rovné rozdílu energetických hladin se iont v základním stavu převede do excitovaného stavu. Z vybuzeného, metastabilního stavu může iont přejít zpět na základní hladinu bud spontánně, za současného vyzáření fotonu s náhodnou polarizací a fází, nebo je k emisi fotonu stimulován jiným fotonem. V případě stimulované emise mají oba fotony stejné fázové a polarizační vlastnosti, říkáme že jsou vzájemně koherentní. Aktivní prostředí může být vyvedeno z tepelné rovnováhy např. přítomností čerpacího světelného zdroje. Nepůsobí-li na aktivní prostředí jiné vlivy, tak dostatečně silné čerpání způsobí, že většina iontů zůstává trvale v excitovaném stavu. Přivedeme-li pak do excitovaného aktivního prostředí 13

optický signál, bude u fotonů optického signálu převažovat stimulovaná emise nad absorpcí a signál bude zesilován. Fotony generované spontánní emisí jsou zdrojem šumu zesilovače. Z makroskopického hlediska klasické fyziky lze aktivní prostředí charakterizovat komplexním indexem lomu, jehož imaginární část způsobuje zeslabování. resp. zesilování intenzity procházející signálové vlny.

Obr. 1 (a) Schéma energetických hladin erbia. Metastabilní hladina 4I13/2 může být čerpána přímo na vlnové délce 1480 nm, nebo přes hladinu 4I11/2 zářením na vlnové délce 980 nm. Doba života iontu na hladině 4I11/2 je velmi krátká (≈7 s) ve srovnání s dobou života hladiny 4I13/2, (≈10 ms), takže iont vybuzený na hladinu 4I11/2 přejde rychle, nezářivě na metastabilní hladinu 4I13/2. (b) Absorpční a emisní spektrum přechodu 4I15/2 ↔ 4I13/2. U iontů erbia, stejně jako u dalších prvků vzácných zemin (lanthanidů), se zářivé přechody uskutečňují mezi energetickými hladinami v elektronové slupce 4f. Elektronová konfigurace lanthanidů je [Xe] 4fN-1 5s2 5p6 6s0, kde [Xe] představuje uzavřenou slupkovou konfiguraci xenonu. V této konfiguraci iontu je jeden elektron vzat ze slupky 4f a dva ze slupky 6s, podle energetické posloupnosti, ve které elektrony zaplňují jednotlivé podslupky. Na druhou stranu N-1 vnitřních elektronů slupky 4f zůstává stíněno od vnějších polí vnějšími slupkami 5s, 5p, takže 4f →4f laserové přechody vykazují relativně ostré spektrální čáry, ve srovnání např. s přechody kovů. Dalším důsledkem je menší citlivost spektrálních vlastností 4f → 4f přechodu na typ hostitelského materiálu. I tento relativně malý vliv způsobený hostitelským materiálem však má pro laserové aplikace významný účinek. Pro iont Er3+ platí N=12 a má tedy ve 4f slupce N-1=11 elektronů, které mohou nabývat celkem 14 různých energetických úrovní. Tyto úrovně jsou diskrétní a čárové v případě iontu Er3+ nacházejícího se ve vakuu. Pokud je však iont zabudován např. ve skleněné matrici optického vlákna, dochází k rozšíření čárových hladin na energetické pásy. Energetické hladiny, resp. pásy, významné pro zesilování optického signálu v pásmu 1,5 mikrometru jsou na Obr. 1a. Jednotlivé hladiny jsou označeny podle Russelovy-Soundersovy konvence, vycházející z kvantové atomární teorie. Rozšíření hladin je na Obr. 1b ilustrováno na tvaru absorpčního a emisního spektra přechodu 4I15/2 ↔ 4I13/2 u erbiem dopovaného, fosfosilikátového optického vlákna vyrobeného v Ústavu fotoniky a elektroniky Akademie věd ČR, v.v.i (ÚFE). Jak ve skutečnosti vypadá optický zesilovač s erbiem dopovaným vláknem? Příklad konfigurace EDFA je na Obr. 2. Erbiem dopované vlákno, řádově metr až desítky metrů dlouhé, je možné svařovat se standardním přenosovým vláknem nebo pasivními elementy z nich připravených. Vlnově selektivní vazební člen (WDM - Wavelength Division Multiplexer) sdružuje světlo pro čerpání se světlem signálu, zatímco další WDM člen za vláknem vyvazuje případné neabsorbované čerpání. Čerpací laserová dioda má vlnovou délku 980 nebo 1480 nm. V současnosti jsou dostupné diody na vlnové délce 980 nm s výkonem až 1 W, navázaným do jednomódového vlákna. Pásmový filtr potlačuje šum spontánní emise a optický izolátor odstraňuje nežádoucí odrazy světla a zabraňuje vzniku laserových oscilací zesilovače. Optický izolátor je optovláknová součástka, která propouští záření jen jedním směrem. Optoelektronická zpětnovazební smyčka řídí zisk zesilovače prostřednictvím nastavení čerpacího výkonu.

14

Obr. 2 Schéma erbiem dopovaného vláknového zesilovače. Zesilovače EDFA jsou v optických komunikacích používány k regeneraci signálu utlumeného absorpcí a rozptylem v přenosovém vláknu. Vkládají se do dálkových přenosových tras zhruba po 70-100 km optického kabelu, případně jsou používány jako nízkošumové předzesilovače pro zvýšení citlivosti přijímače. V sítích kabelové televize jsou instalovány jako výkonové zesilovače zdroje signálu, který je následně rozvětven do mnoha optických kabelů vedoucích k jednotlivým objektům. Kontinuální vláknové lasery Lasery obecně jsou optické oscilátory. Skládají se z koherentního optického zesilovače, jehož výstupní signál se vrací zpětnou vazbou sfázovaný znovu na vstup. Ve specifickém případě vláknových laserů se tedy jedná o optický vláknový zesilovač, který byl popsán v předchozím odstavci, se systémem zpětné vazby. Systém zpětné vazby se vytváří umístěním zesilovače do optického rezonátoru. Dva typické příklady rezonátorů jsou na Obr. 3. Na Obr. 3a je zesilovač vložen do Fabryova-Perotova rezonátoru tvořeného zrcadly. Uspořádání takového vláknového laseru se nazývá Fabryovo-Perotovo nebo též lineární uspořádání. Jedno ze zrcadel je polopropustné pro vlnovou délku signálu a vychází jím výstupní laserové záření. Zrcadla mohou být realizována několika způsoby: napařením kovové nebo dielektrické odrazné vrstvy na přesně kolmo zalomené čelo vlákna nebo přiložením externího zrcátka k čelům vlákna. Často užívané řešení zrcadel je také navaření vláknových braggovských mřížek (FBG - Fibre Bragg Grating) na vláknový zesilovač. Mřížka FBG se vyrábí nejčastěji osvětlením optického vlákna externím ultrafialovým laserem skrze fázovou masku, např. mikroskopickou mřížku vyleptanou v křemenné podložce. Výsledný interferenční obrazec vysokovýkonového ultrafialového záření vytvoří podél osvětleného vlákna periodickou modulaci indexu lomu tím, že přeruší některé molekulární vazby v germaniem dopovaném křemenném skle jádra optického vlákna. Tato periodická mřížka pak bude odrážet světlo s vlnovou délkou, která je v rezonanci s mřížkovou periodou, a všechny ostatní vlnové délky bude propouštět. Mřížky FBG jsou běžně používány v optických sítích jako vlnově selektivní filtry.

15

Obr. 3 Typická uspořádání vláknového laseru. Použití FBG pro vytvoření Fabryova-Perotova rezonátoru je jedním z mnoha příkladů, jak se v konstrukci vláknových laserů s výhodou využívá vyspělá technologie vyvinutá původně pro optovláknové komunikace Na Obr. 3b je další typické uspořádání vláknového laseru, kdy výstup zesilovače je přiveden na vstup - vznikne kruhový rezonátor. Do kruhového rezonátoru je zařazen výstupní vazební člen pro vyvedení laserového signálu. Dále je do rezonátoru vřazen optický izolátor, který zajišťuje generaci laserového signálu jen v jednom směru a přispívá tak ke stabilitě výstupního signálu. Jak ale výstupní laserový signál vzniká? Pokud na vstupu vláknového zesilovače není žádný signál, není ani výstupní signál, takže i signál zpětné vazby je nulový. Takový stav je však nestabilní. Sebenepatrnější šum (s frekvenčními složkami spadajícími do frekvenčního pásma zesilovače), který díky spontánní emisi nevyhnutelně vždy existuje, může na vstupu iniciovat vznik oscilací. Vstupní signál je zesílený a z výstupu je vedený zpět na vstup a je pak znovu zesilován. Tento proces se neustále opakuje dokud signál není tak velký, že další zvětšování signálu je omezeno snižováním zisku (saturací) zesilovače. Ustálený stav je dosažen, když zisk zesilovače přesně vyrovnává ztráty zpětnovazební smyčky při jednom oběhu smyčkou. Další podmínkou ustálených, stacionárních oscilací je fázový synchronismus: celková změna fáze při jednom oběhu musí být celočíselným násobkem 2π, takže signál zpětné vazby je sfázován s původním vstupním signálem. Tato podmínka je splněna pro celou řadu optických vln, módů, šířících se rezonátorem. Tyto, tzv. podélné módy, jsou v případě Fabryova-Perotova rezonátoru od sebe navzájem frekvenčně vzdáleny o =c/2d, kde c je rychlost světla ve vlákně (cca 2×108 m/s) a d je délka rezonátoru. Pro 10 m dlouhý Fabryův-Perotův rezonátor tak vychází vzdálenost módů 10 MHz. Pro srovnání, typický polovodičový laser InGaAsP emitující na vlnové délce =1300 nm má délku rezonátoru cca 300 mikrometrů, čemuž odpovídá vzdálenost podélných módů = 142 GHz, resp. v optickém spektru =c=0,8 nm. Zatímco ve Fabryově-Perotově rezonátoru prochází optická vlna vláknem dvakrát, v kruhovém laseru jen jednou. Proto módy kruhového laseru jsou frekvenčně vzdáleny =c/d. Např. módy vzdálené 10 MHz jsou podporovány v 20 m dlouhém kruhovém rezonátoru. 16

Vzhledem k vynikající kompatibilitě se standardními telekomunikačními optickými vlákny jsou vláknové lasery využívány v komunikacích. Výzkumníci ÚFE spolupracovali na realizaci erbiového vláknového laseru široce přeladitelného v pásmu 1480-1620 nm [Karasek01] a multifrekvenčního laseru generujícího současně až na 12 čarách s vzájemným odstupem 100 GHz (cca 0,8 nm) v telekomunikačním C-pásmu v okolí vlnové délky 1550 nm. Klíčové pro multifrekvenční laser je zařazení akustooptického modulátoru do rezonátoru laseru, díky němuž jsou signály jsou při každém průchodu rezonátorem frekvenčně posunuty a dojde tak k efektivnímu potlačení homogenního rozšíření emisního spektra erbia. Signály na různých vlnových délkách pak mají k dispozici dostatečné zesílení nezávisle na výkonu v ostatních signálech [Karasek00, Slavik02, Slavik02a]. Velmi krátké vláknové lasery s distribuovanou zpětnou vazbou jsou praktickými a kompaktními zdroji jednofrekvenčních laserů podporujících šíření jediného podélného módu a mají tedy velmi úzkou spektrální čárou, užší než 10 kHz. tyto lasery jsou vhodné pro použití v optických interferenčních senzorech a v koherentních optických komunikačních systémech. Pulzní vláknové lasery Do spektrálního pásma zesílení erbia (šířka čáry přechodu Er3+ je cca 30 nm, resp. 4 THz), se vejde řádově stovky tisíc podélných módů. Tyto módy obvykle oscilují nezávisle na sobě, v tzv. režimu volně oscilujících módů. Existují však metody, kterými lze dosáhnout vzájemného svázání a sfázování módů, tzv. módové synchronizaci. Na jednotlivé módy se potom můžeme dívat jako na složky Fourierova rozvoje periodické funkce s periodou T=1/, která je rovna době jednoho oběhu světelné vlny rezonátorem. Tato periodická funkce představuje sled optických pulzů. Časová šířka pulzů je nepřímo úměrná počtu podélných módů, a tedy i šířce pásma přechodu. Ustavení režimu synchronizace módů lze dosáhnout vložením optické uzávěrky do laserové dutiny, která se periodicky otvírá s periodou T. Optickou uzávěrku lze ovládat externím frekvenčním generátorem, mluvíme pak o aktivní módové synchronizaci. Na Obr. 4a je optickou závěrkou Machův-Zehnderův amplitudový modulátor vytvořený v krystalu niobičnanu lithného (LiNBO3), což je prvek integrované optiky. Lze také použít pasivní závěrku tvořenou saturovatelným absorbujícím prostředím, pak mluvíme o pasivní módové synchronizaci. Takovou závěrkou může být např. polarizátor v kombinaci s nelineárním natáčením polarizace v optickém vlákně tvořícím rezonátor, jak je ukázáno na Obr. 4b (funkci polarizátoru zde plní polarizační optický izolátor). Pro činnost této závěrky je podstatné nelineární šíření světla ve vlákně. Světlo se šíří jádrem vlákna, které má průměr 8 mikrometrů. Při výkonech kolem 1 W převyšuje průměrná intenzita světla v jádře vlákna intenzitu světla na povrchu Slunce a špičková intenzita v pulzech může být ještě řádově vyšší. Přitom se projevuje optický Ker jev, neboli závislost indexu lomu skla, z něhož je optické vlákno vyrobené, na intenzitě. Tato změna indexu lomu, která je různá v různých částech pulzu, významně ovlivňuje změny tvaru a polarizace pulzu při šíření. Polarizačním kontrolérem, viz Obr. 4b, nastavíme polarizaci světelné vlny tak, že při slabém signálu je její polarizace kolmá k ose propustnosti polarizátoru, ale při silné intenzitě vlny je její polarizace Kerrovým jevem stočena tak, že prochází polarizačním izolátorem s malými ztrátami. Nelineární šíření ve vlákně se podílí i na formování tvaru pulzů, např. automodulace fáze může vést ke kompresi pulzů.

17

Obr. 4 Příklady uspořádání pulzního vláknového laseru s aktivní (a) a pasivní (b) módovou synchronizací. Jako u jiných typů laserů, i u vláknových laserů se používá technika spínaní jakosti Q rezonátoru pro získávání sledu gigantických pulzů. Oproti módově synchronizovaným laserům se jedná o delší pulzy s nižší opakovací frekvencí, ale podstatně vyšší energií jednotlivých pulzů. V současné době jsou dostupné Q-spínané vláknové lasery s energií pulzů až 10 mJ, délkou pulzu řádově stovky ns a špičkovým výkonem desítky kW. Pro modulaci ztrát rezonátoru se používají buď aktivní modulátory, např. akustoopické, případně pro pasivní Q-spínání se používají saturovatelné absorbéry, vesměs na bázi objemových prvků jako jsou nelineární polovodičová zrcadla (SESAM), vrstvy uhlíkových nanočástic, nebo krystaly Cr4+:YAG. Studium pulzních vláknových laserů je jednou z tématik řešených ve skupině nelineární vláknové optiky ÚFE. Schéma laseru na Obr. 4b odpovídá femtosekundovému vláknovému laseru, který jsme sestavili pro výzkum plně optického zpracování datových toků s vysokou přenosovou rychlostí, o němž je možné se dočíst více v článku Pavla Honzátka a kol. v tomto čísle časopisu. Laser generuje sled pulzů dlouhých 170 fs a opakovací frekvencí 40 MHz. Pohled na část tohoto vláknového laseru obsahující erbiem dopované vlákno je na obr. 5. Byly zde vyvinuty pasivně módově synchronizované vláknové lasery s opakovacím kmitočtem řádu jednotek až desítek MHz, aktivně módově synchronizované vláknové lasery s opakovacím kmitočtem řádu stovek MHz až jednotek GHz a vláknové lasery založené na modulační nestabilitě s opakovacím kmitočtem řádu stovek GHz. Lasery založené na modulační nestabilitě mohou být atraktivním zdrojem optických pulzů pro budoucí komunikační systémy s vysokou přenosovou rychlostí. V těchto laserech se dosahuje fázové synchronizace při čtyřvlnném směšování křížovou modulací a automodulací fáze. Opakovací kmitočet těchto laserů byl definován volným spektrálním intervalem (FSR, Free-Spectral Range) hřebenového filtru zapojeného do rezonátoru. Sestavili jsme pulzní lasery s hřebenovým filtry typu Fabryova-Perotova etalonu [Honzátko01], příp. dvoujádrového optického vlákna [Peterka03]. Jako aktivní prostředí bylo použito optické vlákno dopované erbiem a yterbiem. Čerpací záření neexcituje přímo ionty erbia, ale energie čerpání je absorbována yterbiovými ionty, které předávají energii iontům erbia. Tyto lasery pracují na vlnové délce 1550 nm a pro čerpání se používá Nd:YAG-laser, příp. yterbiový vláknový laser, příp. na vlnové délce cca 1060 nm nebo čerpací laserové diody na vlnové délce 980 nm. V oblasti Q-spínaných vláknových laserů se v současnosti věnujeme výzkumu nových typů saturovatelných absorbérů, které jsou plně na bázi optických vláken, oproti nyní běžně používaných saturovatelných absorbérů na bázi prvků objemové optiky. 18

Obr. 5 Část femtosekundového laseru ze schématu na obr. 4b. V erbiem dopovaném vlákně je dobře patrná emise v zelené oblasti spektra, která je průvodním jevem ve vláknech vysoce dopovaných erbiem čerpaných na vlnové délce 980 nm. Vysoký výkon z dvouplášťových vláken Klíčovým krokem ke zvýšení výstupního výkonu vláknových laserů bylo využití metody čerpání aktivního prostředí přes plášť koncem osmdesátých let. Tímto způsobem je možné transformovat vysoce rozbíhavý svazek z mnohamódových laserových diod s velkou vyzařovací plochou (typicky 100×1 mikrometr) do kvalitního, jednomódového laserového svazku s malou divergencí. První vláknový laser čerpaný přes plášť realizoval opět Elias Snitzer, autor prvního vláknového laseru [Snitzer88]. Samotnou myšlenku čerpání přes plášť si ovšem nechal patentovat již v sedmdesátých letech Robert Maurer ze skláren Corning v USA [Maurer74]. Princip laseru s dvouplášťovým aktivním vláknem je naznačen na Obr. 6. Jádro vlákna (naznačeno červeně) je dopováno erbiem nebo jinými prvky vzácných zemin schopnými laserového zesílení. Světle modrý je pak vnitřní plášť s nižším indexem lomu než je jádro, takže jádro slouží jako vlnovod pro signál. Jádro je většinou jednomódové. Vnitřní plášť je též obklopen materiálem s nižším indexem lomu, např. polysiloxanovým polymerem. Vnitřní plášť tedy slouží také jako vlnovod a to pro šíření čerpání. Protože vnitřní plášť má relativně velkou plochu průřezu, je možné do něj navázat z čerpacích diod velké množství optického výkonu. Jak se čerpací záření šíří podél vlákna, stále znovu křižuje oblast dopovaného jádra a je v něm absorbováno na iontech vzácných zemin. Excitované ionty pak mohou formou stimulované emise předat svou energii zesilovanému signálu. Oproti klasickým pevnolátkovým laserům mají tyto lasery inherentně vysokou stabilitu a provozní spolehlivost, kompaktnost a malé rozměry, díky jednomódovému jádru i výbornou módovou kvalitu výstupního svazku. Vzhledem k velké délce aktivního prostředí mají lepší odvod tepelných ztrát a odpadá komplikované chlazení. Tyto výhody mají i konvenční vláknové zesilovače s jednomódovými diodami. Dvouplášťová vlákna jsou mimořádně účinné prvky pro konverzi výkonného záření polovodičových laserů s malým jasem do výkonného záření s vysokým jasem. Hlavní výhodou pláštěm čerpaných zesilovačů a laserů je proto především možnost použít vysoce výkonných mnohamódových čerpacích diod a z toho vyplývající nižší cena a vysoký výstupní výkon.

Obr. 6 Princip čerpání aktivního vlákna přes plášť. Problémem specifickým pro čerpání pláštěm je zajistit účinnou absorpci čerpání podél DC-vlákna. Např. v případě kruhového průřezu vlákna je selektivně absorbována část čerpání šířící se středem vlákna, tzv. meridiální paprsky, zatímco kosé (mimoosové) paprsky jádro míjejí a tlumeny nejsou. Útlum, 19

absorpce čerpání tak není homogenní podél celého vlákna, ale po absorpci meridiálních paprsků na počátku vlákna se již čerpání šíří téměř beze ztrát. Optimální pro aplikace dvouplášťových aktivních vláken je zajistit maximální absorpci čerpání ve vláknu, tj. zajistit homogenní útlum podél celého vlákna. Toho lze dosáhnout vhodným návrhem tvaru průřezu vnitřního pláště, který zajistí tzv. chaotickou dynamiku šíření paprsků. V dvouplášťovém vlákně s "chaotickým" šířením paprsků se při libovolném způsobu buzení dosáhne po jisté délce vlákna statisticky rovnoměrného rozložení intenzity záření po průřezu. Příklad takového průřezu vlákna je tzv. vlákno tvaru písmene D na obrázku 6. Dalším problémem dvouplášťových laserů a zesilovačů je navazování signálu a čerpání do aktivního vlákna. V literatuře bylo popsáno několik způsobů jak navázat současně čerpání do vnitřního mnohamódového pláště a signál do jednomódového jádra. V laboratorních podmínkách je ještě přijatelné kombinování signálu a čerpání na vstupu aktivního vlákna pomocí objemových optických prvků a čoček, viz Obr. 7a. Pro zachování výhod šíření signálu optickým vláknem byly vyvinuty v zásadě dva různé způsoby navázání čerpání do vnitřního pláště aktivního vlákna. Prvním způsobem je příčné navázání čerpání z boku aktivního vlákna buďto nějakým difrakčním prvkem, např. hranolem nebo prostřednictvím zářezu ve tvaru V-drážky, viz obrázek 7b. V druhém případě je čerpání navázáno na začátku DC vlákna ve směru jeho osy. V Bellových laboratořích vyvinuli elegantní metodu, využívající svařovaného vláknového vazebního členu vytvořeného z jednomódového a několika mnohamódových vláken, soustředěných okolo jednomódového signálového vlákna, tzv. "star coupler", viz obrázek 7c. V Ústavu fotoniky a elektroniky jsme navrhli nový způsob pro optické čerpání přes plášť a experimentálně jej ověřili pro čerpání vláknového laseru i zesilovače [Peterka06, Peterka09]. Tato patentovaná metoda čerpání je založena na přímém připojení čerpacího i signálového vlákna k dvouplášťovému aktivnímu vláknu se specifickým průřezem. Byla prokázána vysoká účinnost vazby a absorpce čerpání podél dvouplášťového vlákna. Vyvinutý modul vláknového zesilovače nevyžaduje žádné prvky objemové optiky nebo jiné vazební mezičlánky, jak je tomu zapotřebí u většiny jiných metod. Toto zařízení může najít využití ve vysokovýkonových, cenově dostupných vláknových zesilovačích a laserech. Zajímavou oblastí našeho současného výzkumu je také využití vláknových mřížek s dlouhou periodou, připravovaných v ÚFE, ve výkonových vláknových laserech. Ukázali jsme možnost jejich využití pro selekci vlnové délky [Peterka09a] a pro rozšíření spektrálního pásma oscilací yterbiových vláknových laserů [Peterka09b]. Jaké jsou další prvky vzácných zemin používané pro vláknové lasery kromě erbia a neodymu? Je to především yterbium, které silně absorbuje v pásmu 980 nm a emituje záření kolem 1100 nm. V posledních letech jsme svědky strmého růstu výstupního výkonu yterbiem dopovaných dvouplášťových vláken. V roce 2008 byl demonstrován yterbiový vláknový laser s kontinuálním výstupním výkonem 6 kW vycházejícím z jediného optického vlákna. Postavila jej jedna z vůdčích společností v oblasti výkonových vláknových laserů, firma IPG Photonics Valentina Gapontseva, který s výzkumem vláknových laserů začínal v Ústavu radiotechniky a elektroniky Akademie věd SSSR ve Frjazinu nedaleko Moskvy. Fyzikální limit výstupního výkonu z jediného vláknového laserového systému je odhadnut na cca 10-20 kW. V současnosti je proto vysoce aktuální výzkum metod koherentního slučování jednotlivých svazků, díky nimž se očekává možnost kontinuálně generovat záření v difrakčně limitovaném svazku s výkonem řádu stovek kW [Limpert07]. Výkonová konverzní účinnost yterbiových vláknových laserů je velmi vysoká, větší než 80%, takže např. při čerpání 1 kW je ztrátové teplo jen 200 W a to je možné vzhledem k dlouhé a tenké geometrii aktivního prostředí - vláken - odvést ještě bez nutnosti vodního chlazení. Významným prvkem je také thulium, které má široký emisní pás v pásmu 1,9-2,2 mikrometru a silnou absorpci kolem 800 nm, kde jsou rovněž k dispozici výkonné čerpací diody. I thuliové vláknové lasery na 2 m se již blíží hranici 1 kW kontinuálního výstupního výkonu současně při vysoké výkonové konverzní účinnosti 65 % [Moulton09]. V naší laboratoři jsme ve spolupráci s Laboratoří fyziky pevných látek CNRS a Univerzity v Nice ve Francii teoreticky navrhli a experimentálně připravili a charakterizovali novou strukturu thuliem dopovaného vlákna s potenciálem pro využití pro zesilování v telekomunikačním S-pásmu (1450-1530 nm). Příspěvek k výzkumu v této oblasti spočívá v návrhu nového složení jádra vlákna a v jeho přípravě vedoucí ke zvýšení konverzní účinnosti zářivých přechodů thulia [Peterka04, Peterka07]. Kromě využití v telekomunikacích má zkoumaná struktura značný potenciál i pro lasery pro spektrální oblasti v okolí 800 nm a 2000 nm. Podrobnější popis základního materiálového výzkumu vláken 20

v ÚFE, může čtenář najít v článku Ivana Kašíka v tomto čísle JMO. Erbium a thulium může být dopováno spolu s yterbiem, aby bylo možné použít dostupné, výkonné čerpací diody na vlnových délkách 915, 940 a 980 nm [Peterka06, Simpson08].

Obr. 7 Různé způsoby současného navázání čerpání a signálu do dvouplášťového aktivního vlákna: (a) pomocí objemové optiky; (b) boční čerpání odrazem na V-drážce; (c) svařovaným vazebním členem, tzv. „star coupler“. S nárůstem výkonu nabývají na významu nelineární jevy, stimulovaný Brillouinův a Ramanův rozptyl, které jsou hlavními omezujícími faktory pro činnost výkonových vláknových zesilovačů a laserů. Brillouinův rozptyl je vyvolán podélnou akustickou vlnou vzniklou elektrostrikcí a rozptýlená vlna je spektrálně posunutá o cca 10 GHz. Jeho velikost závisí na úhlu rozptylu, maximum energie je rozptýleno ve zpětném směru. Brillouinův rozptyl je zvláště významný pro signály s úzkou šířkou čáry, a proto je tento jev možné účinně potlačit snížením koherenční délky signálu, nebo-li, ekvivalentně řečeno, rozšířením spektra signálu. Ramanův rozptyl označuje jev, kdy světelná vlna excituje vyšší vibrační módy molekul SiO2 a je tak rozptylována do vlny, která se liší o energii vibračního přechodu - pro křemenné sklo je to 13,2 THz. Tyto jevy lze do jisté míry potlačit vhodným návrhem vlákna, např. zvětšením průměru jádra. Pro jisté aplikace však může být Ramanův rozptyl žádoucí a dobře využitelný. Ramanovské vláknové lasery Silného Ramanova rozptylu ve jednomódových optických vláken lze využít k účinné konverzi záření laseru do optické vlny s nižší frekvencí, do tzv. Stokesovy vlny. Zapíšeme-li na konce vlákna pár braggovských mřížek, které odrážejí světlo vlnové délce Stokesovy vlny, vytvoříme pro tuto vlnovou délku rezonátor. Stokesova vlna je dále zesilována stimulovaným Ramanovým rozptylem, takže energie z čerpací vlny je velmi účinně přelévána do příslušné Stokesovy vlny. Tento proces je možné posunout dále k delším vlnovým délkám vytvářením dalších rezonátorů, takže se vytváří vlastně několik do sebe zapouzdřených rezonátorů, jejichž rezonanční frekvence se liší pokaždé o 13,2 THz. Tak například zápisem pěti párů braggovských mřížek odrážejících záření na vlnových délkách 1144, 1208, 1280, 1362 a 1455 nm bude vytvořen kaskádní rezonátor ramanovského laseru který zkonvertuje vlnovou délku 1086 nm yterbiového vláknového laseru do záření na vlnové délce 1455 nm. Tento příklad neuvádíme náhodou, ramanovský laser na 1455 nm vyvolává Ramanovo zesílení v standardních jednomódových vláknech v komunikačním pásmu 1550 nm. Bude-li přenosové vlákno čerpáno proti směru šíření signálu (čerpací ramanovský laser je na straně přijímače) bude pomocí Ramanova zesílení výrazně prodloužena vzdálenost přenosu bez opakovačů. V rámci společného projektu sdružení CESNET, které provozuje páteřní akademickou počítačovou síť České republiky, a ÚFE byl demonstrován přenos dvou WDM kanálů 10 Gigabitového 21

Ethernetu po 300 km standardního jednomódového vlákna bez linkových zesilovačů [Karásek04]. Je to slibný výsledek zvláště pro operátory sítí závislých na pronajímání tzv. "temných" vláken, tj. optovláknových kabelů a tras bez aktivních prvků jako jsou vysílače a zesilovače, resp. opakovače signálu. Některé další aplikace Vláknové lasery jsou užitečné pro kteroukoliv aplikaci, která vyžaduje mechanicky odolný zdroj koherentního záření s vynikající módovou kvalitou výstupního svazku. V tomto závěrečném odstavci zmíníme některé další aplikace, které jsme dosud neuvedli. Zvláště zajímavou oblastí aplikací je zpracování materiálu. Např. výstup 100 W laseru může být fokusován na průměr až 1 mikrometr při odpovídající měrné zářivosti několika GW/cm2/steradián. Vláknové lasery je tedy možné použít pro žíhání součástek jemné mechaniky, řezání až několik centimetrů silných ocelových dílů, selektivní pájení a svařování komplikovaných mechanizmů, značkování plastových a kovových dílů, jakož i rozmanité tiskové aplikace. Byly demonstrovány aplikace kilowatových vláknových laserových systémů pro vyprošťování osob ze zřícených betonových budov při zemětřesení, řezání pancéřových desek ve vojenském loďařském průmyslu, svařování trub tranzitních plynovodů a mnohé další. Významnou oblastí nejrůznějších aplikací na zpracování materiálu je samozřejmě i automobilový průmysl. Zde je výhodou vláknových laserů oproti jiným typům laserů srovnatelného výkonu především vysoká módová kvalita svazku umožňující např. svařování na relativně velké vzdálenosti, až jednotky metrů, svařování pak může být rychlejší, flexibilnější a nedochází ke znečišťování laserové hlavice, která je dostatečně daleko od sváru. Slibné aplikace jsou také v medicíně, v oční chirurgii a zubním lékařství, kde na vlnové délce =1064 nm, resp. její druhé harmonické 532 nm, mohou být yterbiové vláknové lasery používány místo Nd:YAG laserů, a na vlnové délce v okolí 2 m pak thuliové vláknové lasery lasery mohou nahradit pevnolátkové lasery ná bázi krystalů dopovaných holmiem. Vláknové lasery s pasivní módovou synchronizací generující pulsy řádu stovek femtosekund mohou najít využití v ramanovské spektroskopii a Q-klíčované vláknové lasery s velkou energií v pulsu jsou součástmi detekčních systémů LIDAR (LIght Detection And Ranging) používaných např. v civilním letectví. Zde je třeba připomenout, že vláknová geometrie sice zajišťuje vynikající módovou kvalitu výstupního svazku a odvod ztrátového tepla ve vláknových laserů, na druhou stranu však díky této geometrii mají nízké prahové výkony nežádoucí nelineární jevy a pro určité aplikace pulzních laserů vyžadující extrémně vysoké energie pulzů nemohou vláknové lasery poskytnout tak vysoce energetické pulzy jako klasické krystalové lasery nebo nové typy laserů na bázi tenkých disků. Generátory hřebene optických frekvencí na bázi femtosekundových kruhových vláknových laserů je možné použít pro zatím nejpřesnější měření času, frekvence a dalších veličin. Možná nejdůležitější perspektiva vláknových laserů tkví v inherentní jednoduchosti konceptu vláknového laseru, která při případné hromadné výrobě povede k významnému snížení cen oproti srovnatelným konvenčním laserům. Poděkování Výzkum speciálních optických vláken pro vláknové lasery a zesilovače v ÚFE je podpořen Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR projektem ME10120 „scan4surf“. Literatura [Snitzer88] E. Snitzer, H. Po, F. Hakimi, R. Tuminelli and B. C. McCollumn, „Double-clad, offset core Nd fiber laser“, In Proc. Optical Fiber Sensors '88, New Orleans, USA, postdeadline paper PD5, 1988. [Maurer74] R. Maurer, “Optical waveguide light source,” U.S. Patent 3 808 549, Apr. 30, 1974. [Karasek01] A. Bellemare, M. Karasek, Ch. Riviere, F. Babin, G. He, G. W. Schinn: “Broadly tunable erbiumdoped ring lasers: experimentation and modeling”, IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron., 7:195204, 2001.

22

[Karasek00] M. Karasek, A. Bellemare, “Numerical analysis of multifrequency erbium-doped fiber ring laser employing a periodic filter and a frequency shifter”, IEE Proc. Optoelectronics, vol. 147, No. 2, 115-119, 2000. [Honzátko01] P. Honzatko, P. Peterka and J. Kanka. "Modulation instability sigma-resonator fiber laser". Optics Letters, vol. 26, no. 11, pp. 810-812, 2001. [Slavik02] R. Slavík, S. Larochelle, and M. Karásek, „High-performance Adjustable Room Temperature Multiwavelength Erbium-Doped Fiber Ring Laser in the C-band“, Optics Communications, 206, 365-371, 2002. [Slavik02a] R. Slavík, S. LaRochelle, „Frequency Shift in a Fiber Laser Resonator“, Optics Letters, 27, 28-30, 2002. [Peterka03] P. Peterka, P. Honzatko, J. Kanka, V. Matejec and I. Kasik. "Generation of high repetition rate pulse trains in a fiber laser through a twin-core fiber". In Proc. SPIE Vol. 5036, p.376-381, 2003. [Peterka06] 1.P. Peterka, V. Kubeček, P. Dvořáček, I. Kašík and V. Matějec, „Experimental demonstration of novel end-pumping method for double-clad fiber devices“, Opt. Lett., 31, 3240-3242 (2006). [Peterka09] P. Peterka, V. Matějec, I. Kašík, „Spojovací prvek a způsob výroby spojovacího prvku pro navázání signálu a čerpání do dvouplášťového optického vlákna“, patent č. 301 215, 2.11.2009. [Peterka09a] P. Peterka, J. Maria, B. Dussardier, R. Slavik, P. Honzatko, and V. Kubecek, "Long-period fiber grating as wavelength selective element in double-clad Yb-doped fiber-ring lasers", Laser Phys. Lett. 6(10):732-736, 2009. [Peterka09b] P. Peterka and R. Slavik, "Extension of the double-clad Yb-doped fiber laser oscillation range thanks to long-period fiber grating filters", CLEO-Europe, paper CJ.P.11-THU, Munchen, Germany, June 14-19, 2009. [Limpert07] J. Limpert, F. Roser, T. Schreiber, Ch. Wirth, T. Peschel, R. Eberhardt and A. Tunnermann, "The rising power of the fiber lasers and amplifiers", J. of Selected Topics in Quantum Electronics, 13(3):537545, 2007. [Moulton09] P. F. Moulton, G. A. Rines, E. V. Slobodtchikov, K. F. Wall, K.F., G. Frith, B. Samson, A. L. Carter, „Tm-doped fiber lasers: Fundamentals and power scaling“ IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, 15 (1):85-92, 2009. [Peterka04] P. Peterka, B. Faure, W. Blanc, M. Karasek and B. Dussardier, "Theoretical modelling of S-band thulium-doped silica fibre amplifiers", Optical and Quantum Electronics, 36:201-212, 2004. [Peterka07] P. Peterka, I. Kasik, V. Matejec, W. Blanc, B. Faure, B. Dussardier, G. Monnom and V. Kubecek, "Thulium-doped silica-based optical fibers for cladding-pumped fiber amplifiers", Optical Materials, 30:174-176, 2007. [Sipmson08] D. A. Simpson, W. E. Gibbs, S. F. Collins, W. Blanc, B. Dussardier, G. Monnom, P. Peterka, and G. W. Baxter, "Visible and near infra-red up-conversion in Tm3+/Yb3+ co-doped silica fibers under 980 nm excitation", Opt. Express, 16(18):13781-13799, 2008. [Karásek04] M. Karasek , P. Peterka and Jan Radil, "202 km repeaterless transmission of 2 × 10 GE plus 2 × 1 GE channels over standard single mode fibre", Optics Communications, 235:269-274, 2004.

23

Kontakt: Ing. Pavel Peterka, Ph.D., +420 266 773 527, e-mail: [email protected] Ústav fotoniky a elektroniky AVČR, v.v.i., Chaberská 57, 182 51 Praha - Kobylisy

24

Optická vlákna Maciej KUCHARSKI Abstrakt: Přehledový referát uvádí stručnou charakteritiku nejdůležitějších typů optických vláken. Jsou popsána optická vlákna pro optické komunikace, mikrostrukturní a speciální vlákna.

Úvod Dnes si stěží můžeme představit rozvoj moderních informačních a sdělovacích technologií bez optických vláken. Jsou totiž základním přenosovým mediem. Fyzikální princip vedení světelných paprsků byl poprvé demonstrován v polovině XIX. století J.Tyndallem, který osvětloval otvor, z něhož vytékala voda a světlo zůstávalo v proudu vody. Demonstroval tak princip vedení světelné vlny šířící se v prostředí o větším indexu lomu – vody, které je obklopeno prostředím o menším indexu lomu – vzduchem, kde dochází k totálnímu odrazu. Po rozšíření elektrifikace byl tento jev často využíván v barevných fontánách. První skleněné světlovody byly vyvinuty ve 20. letech minulého století a byly používány k osvětlování těžko dostupných míst, např. v mikroskopii pro osvětlování zkoumaného preparátu. Svazky orientovaných světlovodů mohly přenášet obrazy, což umožnilo rozvoj velice dobré lékařské diagnostické metody – endoskopie. Další impuls pro vývoj nových optických vláken přišel koncem 50. let minulého století od telekomunikačních společností. Začalo se totiž uvažovat o využití optických kmitočtů pro sdělovací techniku, což slibovalo podstatné zvýšení kapacity přenosu. První optické přenosy se realizovaly volným vzduchem a pro odstranění vlivu atmosférických jevů začalo se s vývojem optických vlnovodů realizovaných pomocí zrcadel. Teprve vývoj prvních laserů na začátku 60. let dal reálný základ vývoji sdělovacích systémů využívajících optické spektrum. Problémem zůstávalo vhodné přenosové médium, protože v této době dostupné skleněné světlovody měly velké ztráty a útlumy dosahovaly až 1000 dB/km a tudíž nebyly vhodné pro telekomunikační přenosy. Přelom nastal v roce 1966, kdy Charles Kao a G.A. Hockham publikovali práci, v níž dokázali, že je reálné vyrobit skleněné optické vlákno o útlumu menším než 20 dB/km. Připravili optické vlákno z velice čistého křemenného skla, které se skládalo z jádra uloženého ve vnějším plášti, přičemž jádro mělo nepatrně větší index lomu než plášť. Tato práce byla provedena v Standard Telecommunication Laboratory v Harlow ve Velké Britanii a v roce 2009 byl Charles Kao za ni vyznamenán Nobelovou cenou za fyziku. Pak dostaly události rychlý spád a už za tři roky v Corning Glass Works v USA bylo vyprodukováno optické vlákno o takto malém útlumu. Tím začal rychlý nástup optických komunikací.

Vlákna pro optické sdělování Největší skupinu optických vláken tvoří značné množství různých typů optických vláken o optimalizovaných parametrech pro různé systémy přenosu informací. Všechna tato vlákna vedou optický signál na principu totálního odrazu optické vlny na rozhraní jádro – plášť, přičemž jádro má o málo větší index lomu než obklopující je plášť. Podle požadované

25

aplikace se pak tato vlákna liší přenosovými vlastnostmi. Je zřejmé, že transatlantický optický kabel vyžaduje použití jiného vlákna, než domácí přípojka v přístupové síti. Nejdůležitějšími přenosovými parametry jsou útlum a disperze. Útlum charakterizuje ztráty optického výkonu ve vlákně a tím pádem omezuje dosah spoje. Disperze způsobuje roztahování optického signálu v čase, což vede k omezování bitové rychlosti spoje. Optická vlákna pro přenosy informací můžeme rozdělit do pěti skupin, jsou to: vlákna pro telekomunikační účely, skleněná mnohovidová vlákna, PCS, plastová a vlákna zachovávající polarizaci. Telekomunikační vlákna. Jsou to vlákna vhodná pro přenosy větších datových toků na vzdálenosti větší než jednotky km. Od těchto vláken se požaduje velmi malý měrný útlum na dané vlnové délce a malá disperze. Tyto požadavky splňují jednovidová vlákna z křemenného skla. Průměr jádra je cca 10 µm, průměr pláště 125 µm a průměr primární ochrany 250 µm. Vlákna jsou určená pro přenosy na vlnových délkách větších než 1300 nm. Měrný útlum na vlnové délce 1550 nm je cca 0,20 dB/km. Disperzní vlastnosti těchto vláken jsou optimalizovány pro konkrétní aplikační požadavky, a proto je standardizováno několik tříd jednovidových vláken lišících se průběhem chromatické disperze v požadovaném spektrálním rozsahu. Je to zvlášť důležité při WDM přenosech. Pro velmi vysoké bitové rychlosti se stává velmi důležitou polarizační vidová disperze. Pro některé aplikace je významná makroohybová citlivost vlákna. Skleněná mnohovidová. Nejpoužívanějším vláknem z této skupiny je mnohovidové vlákno s gradientním profilem indexu lomu jádra. Tato vlákna s průměrem jádra 50 µm nebo 62,5 µm a průměrem pláště 125 µm byla používána v první etapě vývoje optických komunikací jako telekomunikační vlákna. I přesto, že vidová disperze těchto vláken je minimalizována proměnným profilem indexu lomu jádra, zbytková disperze omezuje jejich použití pro dálkové přenosy. Kromě GI vláken jsou dostupná další vlákna se skokovou změnou indexu lomu jádro-plášť o různých rozměrech jádra a pláště. Velká vidová disperze omezuje jejich použití na vzdálenosti několik stovek metrů. PCS vlákna. Tuto skupinu vláken tvoří vlákna o jádře z čistého křemenného skla obklopeného polymerním pláštěm silikonovou pryskyřicí. Byla to první optická vlákna vyráběná v 80. letech v Československu. Jsou to vlákna mnohovidová o větším průměru jádra 200 µm, o měrném útlumu kolem 10 dB/km na vlnové délce 850 nm. Lze je použít na kratší vzdálenosti řádově stovky metrů. PCS vlákna se vyznačují největší radiační odolností mezi optickými vlákny, a proto jsou používána ve speciálních aplikacích v prostorách se zvýšenou radiací. Plastová vlákna. Tuto skupinu tvoří vlákna, u kterých jádro a plášť jsou polymerní materiály. Nejčastěji jsou to polymethylakrylát nebo polystyren. Jsou to vlákna mnohovidová o průměru jádra kolem 1 mm a s větším měrným útlumem cca 100 dB/km na vlnové délce 650 nm. Jsou používána pro přenos informací na metrové vzdálenosti. Jejich velkou předností je jednoduchá, snadná, nenáročná montáž a výhodná cena. Vlákna zachovávající polarizaci. V klasických jednovidových vláknech v důsledku malých odchylek od válcové geometrie nebo fluktuace hodnot indexu lomu dochází k transformaci lineárně polarizovaného záření na záření o eliptické polarizaci. Pro některé aplikace, jako jsou koherentní přenosy nebo interferometrické vláknové sensory, je nezbytné aby optický výkon navázaný do jedné polarizace zůstal na výstupu z optického vlákna v téže polarizaci. Takový stav lze docílit ve vláknech, která mají odstraněnou kruhovou symetrii, například eliptickým průřezem jádra nebo pomocí mechanického pnutí způsobit anizotropii.

26

Mikrostrukturní vlákna Je to poměrně nová třída optických vláken o zásadně jiné konstrukci, než klasická vlákna. Vlákno je vyrobeno z čistého křemenného skla a v centrální oblasti jsou umístěny podélné otvory o malých průměrech, přičemž může být duté nebo plné jádro . Na rozdíl od klasických vláken, ve kterých se díky totálnímu odrazu na rozhraní jádro plášť šíří vedená vlna, se v tomto případě vlnovodový efekt dociluje difrakcí a interferencí na těchto podélných otvorech. Dispersní charakteristiky takových vláken nejsou určované materiálovými vlastnostmi jádra, ale geometrickými rozměry otvorů a jejich vzájemným uspořádáním ve vlákně. Toto umožňuje realizaci vláken o dispersních nebo nelineárních vlastnostech nedosažitelných v optických konvenčních refrakčních vláknech. Měrný útlum dosahuje už hodnot menších než 1 dB/km, není to však důležitý parametr, protože tato vlákna nejsou určená pro přenosy, ale jako základní stavební element nových součástek pro fotonické sítě. Jsou vhodná pro kompenzátory chromatické disperze. Mikrostrukturní vlákna s velkou nelinearitou lze využít k optickému spínání nebo regeneraci impulsů. Tato vlákna jsou také velmi perspektivními vlákny pro optické vláknové sensory.

Speciální vlákna Kromě výše popsaných optických vláken jsou používaná další vlákna určená pro speciální aplikace. Nejdůležitější skupinu tvoří jednovidová skleněná vlákna dopovaná prvky vzácných zemin, např. erbiem, yterbiem nebo thuliem. Tato vlákna jsou základním elementem vláknových zesilovačů nebo vláknových laserů. Pro přenosy v další infračervené oblasti pro vlnové délky větší než 2 µm jsou vyvíjená optická vlákna na bázi chalkogenních skel. Pro kompenzaci chromatické disperze jsou určená vlákna, tzv. kompenzační vlákna, která mají zápornou chromatickou disperzi na vlnové délce 1550 nm. Jejich zařazení do optické trasy způsobuje zmenšování její celkové disperze. Pro moderní vysokorychlostní fotonické sítě jsou velmi zajímavá optická vlákna s vyššímí nelineárními koeficienty, tj. nelineární vlákna. Jsou vysoce perspektivní pro širokopásmové zesilování, vlnové konverze a spínání optických signálů na bázi čtyřvlnového směšování.

Závěr Optická vlákna díky svým vynikajícím přenosovým parametrům způsobila převrat ve sdělovací technice. Jejich obrovská přenosová kapacita umožnila vybudovat celosvětovou internetovou síť. Optická vlákna našla uplatnění také v sensorové technice. Optické vláknové sensory se uplatňují v mnoha oborech. Optická vlákna poskytují značný vědecký potenciál nejenom pro rozvoj optických technologií, ale i samotné optiky. Je to totiž optické prostředí o délce až tisíců km, ve kterém lze pozorovat a zkoumat nové optické jevy.

Kontakt: Mgr. Maciej Kucharski, CSc. [email protected]

27

FTTH – Fiber to the Home Jan BROUČEK Abstrakt: Fiber–to-the Homeje cenově a technicky dostupná technologie, topologie a ekonomika optických přístupových sítí. Služba Triple Play (Data,Hlas,Televize) po optické síti FTTH. Perspektivy, omezení a technická úskalí sítí FTTH. Výstavba sítí FTTH. Údržba sítí FTTH. Další rozvoj a budoucnost sítí FTTH.

Úvod Přípojka vláknem až do domu FTTH se stává realitou. Přesněji bychom měli říkat vláknem až do bytu, protože to lépe vystihuje tu situaci, kdy optické vlákno je použito jako širokopásmová (broadband) přípojka domácnosti. Značná přenosová šířka pásma optického vlákna je všeobecně známa a konečně již přišla doba, kdy podstatně spadla cenová hladina optických vláken, optických komunikačních systémů, technologií jejich instalace, údržby a s tím souvisejících činností. Díky tomu se technologie vláknové optiky stává cenově dostupnou a atraktivní pro všechny kabelové operátory až po ty nejmenší hráče na trhu, kteří poskytují služby Triple Play (telefon, televize a internet). Optické přístupové sítě FTTx (Fiber to the X) rostou naprosto spontánně a při rozvoji oboru ICT (informačních a komunikačních technologií) se na takových sítích FTTx setkáme s připojením všech klientů od malých kanceláří, firem až po velké podniky, banky, instituce, vzdělávací organizace. Optické vlákno proto proniklo do místní přístupové sítě ke všem kategoriím zákazníků až po ty nejmenší, což jsou domácnosti. Cenová dostupnost FTTH Cena zbudování optické přípojky FTTH v domácnosti v České republice klesla pod 20 000,- Kč včetně všech činností výstavby kabelové trasy, nasazení aktivního prvku FTTH do domácnosti a do agregačního/přípojného bodu sítě. V některých větších projektech FTTH, zejména městech s bytovými domy s více byty vychází tato pořizovací cena přípojky FTTH výrazně pod 20 000,- Kč, zatímco na vesnicích a místech s řídkou rezidenční zástavbou s rodinnými domky naopak cena roste výrazně nad tuto hranici. Oproti přípojce s metalickými kabely vychází u optické přípojky FTTH kromě pořizovacích nákladů daleko nižší cena za údržbu a provozní náklady. Jinými slovy optická vlákna jsou daleko spolehlivější a levnější v provozu než metalické kabely. Skutečně širokopásmová přípojka Telekomunikační optická vlákna (mezinárodní doporučení ITU-T G.652 nebo G.657), která se v sítích FTTx používají mají šířku pásma několik desítek Terabitů/s v závislosti na použitém přenosovém zařízení. Představuje to více než 10 000 x větší přenosovou kapacitu než má metalická přípojka 1 Gbit/s. Proto optické vlákno položené v přístupové síti představuje skutečně širokopásmové médium s dostatečnou rezervou kapacity do budoucna a je vhodným objektem k investování a podnikání v oblasti ICT. Uvádí se, že provozovatelé

28

kabelových sítí mají zhruba jedno desetiletí času k tomu, aby ve svých kabelových infrastrukturách vyměnili metalické kabely za optické. Po uplynutí této doby se stanou metalické kabely nepoužitelnými pro přenosy moderních informačních a komunikačních služeb. Stejně jako před časem ve společnosti proběhla elektrifikace, plynofikace a podobné změny dané moderní dobou, přichází i čas skelnatění širokopásmové přípojky. Každému klientovi vyhrazené vlákno nebo sdílení jednoho vlákna více klienty? Kapacita jednoho vlákna je současnosti natolik postačující že je možné a běžné připojovat více domácností a účastníků na jedno vlákno. Vlákno od přípojného bodu sítě se postupně větví – odbočuje jednotlivým účastníkům. Vznikají tak sítě bod-multibod (point to multipoint, P2MP). Protože k větvení dochází pasivně pomocí optických odbočnic, bývají tyto rozvětvené sítě FTTH označovány jako pasivní optické sítě PON (Passive Optical Network). Samozřejmě je možné pasivní optickou odbočnici v síti FTTx nahradit aktivním zařízením s více porty pro připojení více klientů a vznikne tak aktivní optická síť AON (Active Optical Network). AON tak sice oddělí od sebe jednotlivé klienty a jejich provoz, ovšem za cenu zvýšení provozních nákladů sítě oproti PON. U sítí AON je třeba zajistit napájení a provozní podmínky pro aktivní prvek předsunutý v síti blíže ke klientům. Ideálním řešením by bylo vyhradit každému klientovi samostatné vlákno, nesdílené s žádným jiným zákazníkem. Takovéto sítě jsou pak z pohledu topologie označovány jako bod-bod (point to point, P2P). Sítě bod-bod jsou výhodné, a také se prosazují, u menších projektů, kde je do jednoho uzlu připojeno maximálně asi 1000 účastníků. Při větších projektech je nutné provést segmentaci území do segmentů s maximálně 1000 klienty, a ty pak připojovat architekturou bod-bod. Pokud se u velkých projektů FTTH neprovede segmentace, rostou při připojování velkého počtu účastníků (10000 a více) do jednoho bodu neúnosně náklady na investici datového centra (propojovací panely, vláknové organizéry a optické rozvaděče) a na provoz sítě (údržba, připojování zákazníků, orientace ve velkých svazcích vláken, propojovacích panelech). Proto u velkých FTTH projektů je jednoznačný trend přecházet na architekturu PON. Achitektura PON snižuje počet vláken v uzlu sítě, umožňuje připojovat více účastníků (dnes běžně 128 klientů) na jediné vlákno a připojovat je v oblasti do 100 km (dnes běžně 20 km) od aktivního uzlu sítě. Tento princip sdílení vlákna je možné využívat tak dlouho, dokud požadavky na širokopásmové připojení a na využívané služby nepřesáhnou přenosovou kapacitu jednoho sdíleného vlákna. Sítě FTTH – 1 Gbit/s pro každého V dnešní době na síti bod-bod FTTx je technicky snadné a komerčně běžné poskytovat vybraným klientům 1 Gbit/s. V blízkém budoucnu 1 Gbit/s pro každého bude samozřejmostí a již dnes se hovoří o technologiích FTTH, které by garantovaly 1 Gbit/s každému klientovi, na architektuře PON, která připojí 1000 klientů jedním vláknem a oblasti do 100 km od aktivního uzlu sítě. Na toto téma se zatím vedou diskuse na poli technických norem, které jsou v předstihu 1 až 3 roky před uplatněním technologie v komerčním měřítku. Lze proto přepokládat, že tyto technologie jsou za dveřmi. Zatímco FTTH a optické vlákno je už tady. Pardon, doma. U nás doma? Nebo u Vás doma? To je ten pravý význam Fibre to the Home. Kontakt: Ing. Jan Brouček, CSc. PROFiber Networking s.r.o. Mezi Vodami 205/29, 143 00 Praha 4 . [email protected]

29

Integrovaná optoelektronika pro informatiku Vítězslav JEŘÁBEK 1. Úvod Výzkum a realizace stále dokonalejších integrovaných hybridních a monolitických struktur a součástek integrované optoelektroniky probíhá ve světě již více než dvacet let. Velkou měrou podnítil rozvoj těchto problematik také pokrok v oblasti telekomunikací, datových přenosů a zejména internetu. V současné době probíhá dynamický pohyb především v oblasti materiálových technologií a návrhu nových stále sofistikovanějších součástek. Stále se objevují nové myšlenky a postupy. Hlavním stimulem tohoto výzkumu je skutečnost, že planární optické a optoelektronické struktury a struktury integrované optiky otevírají nové možnosti při řešení dalších generací optických komunikačních systémů, soustav využívajících optických senzorů, optických měřících přístrojů a zařízení. Problematika integrovaných optoelektronických a optických struktur není v naší republice nová, ale má poměrně dlouholetou tradici. První práce se začínají objevovat již v 80. letech minulého století a to na pracovištích jak aplikovaného tak základního výzkumu. Řešitelským týmům se v průběhu jejich řešení podařilo vyvinout vláknové hybridní tenkovrstvé a tlustovrstvé integrované obvody optoelektronických přijímacích a vysílacích modulů s integrací převážně elektronických a optoelektronických prvků, z nichž některé prvky dodnes pracují v optických informačních sítích. Tento vývoj v oblasti výzkumu planárních struktur pokračoval výzkumem technologických postupů a prvků pro integraci v optické i optoelektronické doméně přípravou planárních dielektrických a polymerových vlnovodů s integrovanými optoelektronickými součástkami. Byly ověřeny možnosti realizace i aktivních optických struktur jako jsou vlnovodné lasery a optické zesilovače na dielektrických polárních materiálech a na polymerech. Návrh technologie a realizace nové generace hybridních optoelektronických integrovaných obvodů, které využívají integrace jak optoelektronických tak optických součástek předpokládá integraci nových optoelektronických prvků, přizpůsobených pro planární integraci na jedné podložce společně s optickými vlnovody [1]. Podle typu integrovaného optoelektronického prvku (OE prvku) jako je kupř. SS-LD (spot-size convertor laser diode), laserová dioda s přechodovým optickým členem, WG-PD (waveguid photodiode), vlnovodná fotodioda a nebo SS-SOA ( spot-size converter semiconductor amplifier), polovodičový optický zesilovač s přechodovými optickými členy můžeme realizovat integrovaný optoelektronický vysílač, přijímač, nebo zesilovač, realizovaný planární hybridní technologií [2]. Zvládnutí této technologie umožňuje udělat první kroky k vysoce atraktivním optoelektronickým integrovaným obvodům, které jsou předmětem intenzivního výzkumu světových laboratoří, které využívají jak planární hybridní tak monolitické integrace a zkoumají součástky pro vlnové WDM (Wavelength Devided Multiplex) a zejména časové OTDM (Optical Time Devided Multiplex) multiplexní systémy, jako je kupříkladu multivlnový optoelektronický vysílač a přijímač, vlnový selektor nebo terabitový add-drop multiplexer. Vedle klasických polovodičových technologií na křemíku nebo materiálech skupiny A3B5 jako jsou kupř.

30

InP, GaAlAs, InGaAsP, InGaAsSb se objevují i nové organické materiály a technologie pro optoelektronické integrované obvody využívající polymerních tenkých vrstev jako je polymetyl metakrylát, vinylmethylsilan, nebo některé druhy epoxypolymerů kupř. NANOTM SU-8 2000 od firmy Micro Chem Corp. Nové integrované optoelektronické obvody jsou využitelné pro navýšení rychlosti přenosu informace v telekomunikačních sítích až na stovky gigabitů za sekundu. V současných telekomunikačních systémech se integrované optoelektronické obvody uplatňují především v jejich přenosových částech jako jsou optoelektronické vysílače, přijímače a transceivery. Můžeme se s nimi setkat především v širokopásmových přenosových částech páteřních optických sítí analogového typu kupř. AM-CATV tak různých digitálních typů BPON, EPON, GPON a WDM-PON. V přístupových sítích nyní probíhá sice relativně pomalý, ale vytrvalý proces směřující k zavádění optiky rovněž na nejnižší stupně přístupových sítí, kde je postupně nahrazována technologie ADSL a její varianty, vedené především po twistových kabelech, za technologii FTTx založenou na optických vláknech. Z technologického hlediska můžeme integrované optoelektronické součástky pro tyto sítě rozdělit na mikrooptické využívající prostorového šíření optického svazku a planární, které lze dále větvit na obvody hybridní a monolitické integrace. Optoelektronické integrované obvody je možné konstruovat kombinací pasivních komponent hybridní integrace jako jsou vláknové a planární optické vlnovody, optické rozbočnice, filtry, optické mřížky a aktivních optoelektronických komponent jako jsou optické modulátory, laserové diody, optické polovodičové zesilovače a fotodiody. Hlavní výhodou hybridní integrace je možnost využití prvků, realizovaných v různých technologických cyklech, které jsou rozmístěny a funkčně optimalizovány na společné podložce. Hlavní výhody monolitické integrace spočívají v tom, že obvody jsou vytvářeny v jednom technologickém cyklu jejich rozměry lze značně miniaturizovat a jejich optické i elektrické parametry optimalizovat. Tím vychází tyto parametry výrazně lepší, než u hybridní integrace, navíc je možno využitím monolitické integrace vytvářet kvalitativně zcela nové součástky a obvody. Nevýhodou je však vysoká cena technologických zařízení. V prvé části tohoto příspěvku budou popsány některé nové součástky integrované optoelektroniky pro hybridní integrované obvody realizované na polovodičových materiálech A3B5 pro napojení na optické planární dielektrické nebo organické vlnovody realizované většinou na křemíkových substrátech [3], [4]. V druhé části pak se soustřeďíme na součástky a subsystémy pro vlnové WDM a časové OTDM optické multiplexní systémy. V závěru pak si všimneme technologie některých modulů pro přístupové účastnické sítě FTTx, realizované hybridními technologiemi.

31

2. OE prvky pro planární hybridní integraci Základním optoelektronickým prvkem planární hybridní integrované optoelektroniky je laserová dioda typu (SS-LD), optický zesilovač (SS-SOA) a vlnovodný fotodetektor (WGPD).

Obr.1. Vnitřní struktura čipu laserové diody SS-LD [2] Pro realizaci účinné vazby na planární optický páskový vlnovod využívají SS-LD a SS-SOA technologicky integrovaný úhlový vazební člen (spot-size converter), který umožňuje záření s dostatečnou účinností zavést do planárního vlnovodu a vyvázat z něj bez nutnosti využívat prvků mikrooptiky jako jsou mikročočky, optické mřížky a další vazební členy obr.1. Tento úhlový vazební člen je technologicky napojen na boční fasety optoelektronických prvků. Rozměr aktivní oblasti v místě napojení je 0.1 až 0.3 m a tloušťka pásku optického vlnovodu je 1 až 2 m. Pro nízké vazební ztráty je vhodné, aby úhlový vazební vlnovod byl zhotoven z materiálu s šířkou zakázaného pásu odpovídající absorpční hraně polovodiče menší než je vlnová délka záření. Prahový proud laserové diody se pophybuje kolem 5 mA , diferenciální responsivita je 0.4 mW/mA, mezní optický výkon 10 mW, vlnová délka 1300 nm. Dalším optoelektronickým prvkem, který lze využít pro hybridní optoelektronické integrované obvody, je vlnovodný fotodetektor WG-FD viz. Obr. 2. Čip tohoto fotodetektoru lze lícem navázat na optický planární vlnovod. Struktura fotodetektoru obsahuje fotoabsorbční vrstvu InGaAsP tloušťky 3 m a horní a dolní transparentní vrstvy InGaAsP tloušťky 2 m, které spolu s absorpční vrstvou tvoří planární optický vlnovod. Pro dosažení dobré citlivosti při nízkých napájecích napětích a přijatelných dynamických vlastností je difuzí Zn do absorpční vrstvy vytvořen PN přechod v části absorpční vrstvy. Responsivita je 0.85 až 0.88 mA/mW pro vlnové délky záření 1.3 až 1.6 m.

32

Obr.2 Vnitřní struktura vlnovodné fotodiody WG-FD [2] 3. OE prvky pro planární monolitickou integraci Jedním ze základních prvků pro systémy WDM resp. DWDM je multivlnový optický vysílač, realizovaný jako laserové pole, které obsahuje integrované laserové diody DFB (distribute feedback) s Braggovskými optickými mřížkami integrovanými v aktivní vrstvě laserové diody, optickou planární rozbočnicí a polovodičovým optickým zesilovačem. Pro stabilizaci vlnové délky se využívá systému tří optických mřížek, integrovaných do aktivní vrstvy laserové diody. Laserové pole může emitovat až 8 vlnových délek současně, které jsou dolaďovány teplotou s přeladěním až 5 nm. Nespojitým přepínáním jednotlivých Braggovských mřížek v každé laserové diodě dosáhneme 3 různých nastavení vlnové délky. Tím laserové pole dosahuje až 24 optických kanálů s možností nespojitého přeladění až 40 nm. Optické ztráty na pasivním optickém planárním multiplexeru jsou hrazeny polovodičovým optickým zesilovačem. S jeho využitím lze dosáhnout výstupního optického výkonu 10 až 20 mW.

Obr. 3 DFB laserové pole s integrovaným optickým multiplexerem a optickým zesilovačem [ 3]

33

Pro extrémě rychlé časové spínání se u systémů OTDM pracujících s časovým multiplexováním optických signálů při terrabitových rychlostech toku dat využívá optických interferometrů. Časový spínač TOAD - ( Terabit optical asymmetric demultiplexer) je realizován Sagnacovým interferometrem. Prvek pracuje na principu krátkodobého optického přebuzení polovodičového optického zesilovače řídícím impulsem, monoliticky integrovaného do kruhového ramene Sagnacova interferomertru, které způsobí posun fáze optické vlny šířící se v obou směrech ramenem kruhového interferometru. Posun umístění optického zesilovače vůči ose interferometru způsobí vznik časového okna, ve kterém se může generovat na výstupu TOAD interferometru logický stav ze vstupu TOAD v době přítomnosti řídícího impulsu. TOAD interferometr lze využít jako základní prvek OTDM vysílače a přijímače pracující jako spínač impulsů pro komunikační rychlosti až stovek Gb/s. Spojení dvou těchto prvků pak jako velmi rychlá dynamická paměť.

Obr. 4 Struktura TOAD – terabitový optický asymetrický demultiplexor lit.[ 5 ] 4. Hybridní OE součástky pro přístupové účastnické sítě FTTx V informačních sítích typu PON-FTTx se využívá na účastnické straně k transformaci optického třívlnného záření typu WDM na elektrickou formu a naopak optoelektronický transceiver. Jeho úlohou je přeměnit dva optické informační toky s vlnovou délkou 1490 a 1550 nm směrované z nejbližšího uzlu PON-FTTH k účastnickému ONT na elektrickou formu a současně jeden elektrický informační tok na vlnové délce 1310 nm směrovaný od každého účastnicka do nejbližšího uzlu PON-FTTH na optickou formu. Nevýhodou mikrooptických řešení je vysoká technologická náročnost stávajících transceiverů využívající volného šíření optického svazku a optických objemových bloků jako jsou hranoly nebo zrcadla. Tyto transcievery jsou složeny z laserů a fotodetektorů zapouzdřených v pouzdrech typu TO, z mikrooptických elementů jako jsou mikročočky a tenkovrstvé optické filtry. Celý mikrooptický systém je drahý, rozměrný a obtížně integrovatelný do navazujících elektrických obvodů. Planární transceivery jsou realizované technologií optické hybridní integrace a využívají vlnově selektivní prvky jako jsou tenkovrstvé destičkové vkládané filtry

34

pro systém postupného filtrování vlnových délek nebo jiné planární vlnově selektivní členy jako jsou interferenční vlnové rozbočnice nebo fázové optické mřížky.

Obr. 5 Využití submodulů při konstrukci PLC HIO modulu pro sítě PON [ 6 ] Pro vedení optického záření se využívá optických vlnovodů s četnými ohyby a postupných optických odbočovacích členů, které způsobují určité vložné ztráty optického výkonu. Destičkové tenkovrstvé filtry je nutno vkládat do úzkých drážek, kolmých na osu optických vlnovodů, kde stěny těchto drážek musí být přísně kolmé a jakákoli odchylka výrazně zvětšuje optické ztráty. Jiná planární provedení transceiverů destičkové filtry umisťují z boku nosné destičky a optoelektronické přijímače umisťují za ně na lepené mikromoduly viz. obr. 5. Některá řešení využívají planární fázové vlnově selektivních součástek, jako jsou planární interferometry nebo směrové vazební členy viz. obr.6 , jsou velmi náročné na návrh a přesnost maskování a na zhotovení optických planárních obvodů.

Obr. 6 Hybridní polymerový optoelektronický planární modul pro sítě FTTH–PON [7] Běžné vlnovodné struktury realizované na Si podložkách, specielních sklech nebo i některých polovodičových materiálech kupř. GaAs resp. InP dobře plní funkci optických vlnovodů, konstrukce složitějších fotonických struktur je však technologicky velmi náročná. Optoelektronické hybridní integrované obvody lze vyrobit na podložkách z celé řady organických a anorganických materiálů. Jako podložka se velmi často používá Si substrát

35

nebo semiisolační GaAs nebo InP. Na těchto podložkách se pak klasickou technologií drátového kontaktování na tenkovrstvý pájitelný motiv, nebo technologií řízeného ohřevu a letování čipu (solder-bump) na vymaskovaný motiv přes tenkou podkladovou vrstvičku SiO2 rozmísťují aktivní polovodičové součástky, jako SS-LD, SS-SOA nebo WG-PD. Tyto součástky se umisťují na specielně vybroušenou podložku, která umožňuje navázat záření ze součástky do vlnovodu. Někdy se konec vlnovodu opatřuje 45 stupňovým skosením realizovaným laserovou ablací, nebo přímo litograficky využitím pryskyřice s kontrolovanou snáčivostí. Složitější struktury jako vlnovodné selektory pro WDM nebo terabitové optické přepínače pro OTDM jsou realizovány přímým spojováním více destiček, kde jsou jednotlivé prvky struktury jako fázová optická mřížka, nebo optické SOA hradlové pole dodatečně spojovány, nebo zapouštěny a fixovány optickou pryskyřicí do specielně upravených drážek. 5. Závěr Optické integrované obvody založené především na polymerních materiálech, jako jsou polymetakrylát, nebo acrylat a některé typy epoxypolymerů, které se v nedávné době objevily v zahraničních pramenech jsou materiály velmi vhodné pro konstrukci optoelektronických integrovaných obvodů. Jejich velmi nízká drsnost, malá křehkost, polarizační nezávislost a nízká cena jsou vlastnosti velmi vhodné pro hromadnou výrobu, což od optoelektronických integrovaných obvodů budoucnosti očekáváme.

6. Přehled literatury [1] T.Hashimoto at all.: J. of Lightwave Technology , vol.16, No.7, 1998, p.1246-1257 [2]K.Kato at all.: IEEE J.of Selected Topics in QE,vol. 6, No. 1, 2000, p.4-13 [3]H.Hatakeyama : IEEE J. of Selected Topics in QE, N 6, 2002, p.1341-1348 [4]L.Eldada at all.: IEEE J.of Selected Topics in QE,vol. 6, No. 1, 2000, p.54-68 [5]P.R.Prucnal, I.Glesk at all.: IEEE LEOS Newsletter, vol.16, No. 4, 2002,p.13-14 [6] Y.T.Han at all.: J. of Lightwave Technology , vol.24, No.12, 2006, p.5031-5038 [7] Wolf von Reden at all.: Lightwave Europe , Q3, 2007, p.1-31 Kontakt: Ing. Vítězslav Jeřábek, CSc, Katedra mikroelektroniky, FEL ČVUT, Technická 2, 166 27 Praha 6, [email protected]

36

Nanooptika Pavel TOMÁNEK Abstrakt: S rozvojem nanotechnologií začínají nabývat na významu i nové podobory klasických disciplin – nanooptika a nanofotonika a jejich hlavní nástroj – optika blízkého pole. V tomto přehledu jsou popsány základní principy těchto disciplin a některé z jejich aplikací spojené zejména s použitím rastrovacích optických mikroskopů s lokální sondou (SNOM): vliv polarizace na kvalitu obrazů, magnetické obrazy, lokální charakterizace fotonických součástek, polovodičů a defektů struktur. Tyto příklady ukazují, že SNOM se stává plnohodnotným nástrojem nedestruktivního bezkontaktního měření v nanoměřítku a manipulace s nanostrukturami. Klíčová slova: nanotechnologie, nanovědy, nanooptika, optika v blízkém poli, evanescentní vlny, rastrovací mikroskop v blízkém poli, lokální charakteristiky, aplikace.

1. Úvod V posledních dvaceti letech začala věda a technický pokrok směřovat k teoretickému studiu nanověd a jejich praktickým aplikacím v nanotechnologiích [1]. Tyto snahy jsou motivovány faktem, že se vývoj součástek a zařízení posunuje k menším rozměrům, přičemž se makroskopické fyzikální zákony mění na mikroskopické. Využití kvantových jevů pro technologické aplikace je nejzřejmější hnací silou další miniaturizace. Nedávný bouřlivý rozvoj byl většinou podmíněn schopností měřit individuální struktury nanometrických rozměrů a manipulovat s nimi (např. použití lokální rastrovací sondy, optické pinzety, elektronových mikroskopů s vysokým rozlišením). Nastolený trend nutí i optiku k tomu, aby prováděla základní experimenty v nanometrickém měřítku. Poněvadž difrakční hranice rozlišení neumožňují fokusovat světlo na bod, ale jen na skvrnku o průměru rovném přibližně polovině vlnové délky, není možné pomocí tradičních nástrojů dosáhnout nanometrických detailů [2]. Základní přírodní vědy ……… Optika ..…… ↓ Nanovědy

Technické vědy

↓ ………

↓

Nanooptika …… ↓ E ≈ h

Nanotechnologie

↓ x ≈ /2

Obr.1. Vztah současných věd a nanověd [2] Čím jsou tyto obory charakterizovány? Nanotechnologie (přesněji nanotechnika) je interdisciplinární obor zahrnující aplikovaný výzkum v oboru chemie, fyziky, biologie, lékařství, inženýrských vědy a dalších. Jedná se o řízené strukturování hmoty v oblastech pod 100 nm, až k jednotlivým molekulám a atomům. Výsledkem je dosažení zcela nové funkčnosti a nových vlastností, které není možné dosáhnout v objemových materiálech.

37

Nanovědy se zabývají základním výzkumem a charakterizací hmoty, která je uměle strukturována v rozměrech pod 100 nm. Zahrnují i manipulaci s nanoskopickými detaily a jejich restruktualizaci. Nanooptika – zahrnuje výzkum, výrobu, charakterizaci a aplikace umělých optických struktur s mezoskopickými a subvlnovými rozměry. Nanooptika je součástí optiky, která se zabývá interakcí světla s částicemi nebo strukturami, jejichž rozměry jsou menší než je vlnová délka použitého světla. Většinou se to týká oboru viditelného nebo blízkého infračerveného světla (přibližně 400-1200 nm). Interakce světla s nanočásticemi či nanostrukturami vede k „uvěznění” elektromagnetického pole v těsné blízkosti povrchu vzorku a ke vzniku optického blízkého pole. Toto pole, které je směsicí šířících se a nešířících se (evanescentních) vln, může být potom narušeno přítomností ostrého hrotu sondy, které umožní měřit. Toto elektromagnetické pole závisí na velikosti a tvaru nanostruktury, s níž světelná vlna interaguje [3,4]. Žádná analýza optického signálu vyzářeného předmětem s nanorozměrovými strukturami či detaily nám neposkytne přímé informace o těchto vlnách. Abychom takovou informaci dostali, musí být evanescentní pole v těsné blízkosti předmětu nejprve nějakým způsobem narušeno tak, aby se jeho část přeměnila na šířící se vlny. Ať se jedná o jakoukoli použitou techniku, optické blízké pole vždy využívá interakci elektromagnetické vlny se strukturami s nanometrickými detaily. Pochopení těchto interakcí je apriorně komplexním problémem. Je možné určit tři hlavní příčiny této komplexnosti: 1. Je nutné vypočítat blízké pole v těsné blízkosti povrchu, kdy jev nevykazuje symetrii, navíc za přítomnosti rezonance a mnohonásobné difúze. Zde již není možné použít aproximace geometrické optiky ani skalární vlnové optiky, nýbrž pouze vektorový formalismus elektromagnetického pole. 2. Některé z konceptů používaných v klasické optické mikroskopii ztrácejí v blízkém poli smysl. Např. koeficient odrazu (nelokální veličina definovaná pro rovinnou vlnu a rovinný povrch) nemá smysl při vzdálenostech menších než vlnová délka. Je tedy třeba změnit některé zvyky a zavést nové přístupy. 3. Aplikace optiky v blízkém poli jsou čím dál rozmanitější (jdou podstatně dále než k zobrazení topografie povrchu – tomuto účelu lépe slouží lokální sondové mikroskopy, např. STM, AFM) [5]. 2. Princip Základní nástroj charakterizace optického blízkého pole je rastrovací optický mikroskop s lokální sondou (SNOM). Jedná se o optický mikroskop s vysokým rozlišením, v němž je vzorek osvětlován pomocí malé světelné skvrnky a toto světlo je detekováno buď po odrazu na vzorku, nebo po průchodu vzorkem. Rozlišovací schopnost aperturního SNOM je určena rozměry apertury. SNOM používá sondu s malou aperturou (50 nm) v kovovém stínítku, která se nachází v těsné vzdálenosti (<<) od povrchu vzorku tak, aby bylo možné lokálně osvětlit vzorek (osvětlovací režim) nebo detektovat blízké optické pole (kolektorový režim). Světlo nemůže takovou aperturou procházet, ale evanescentní pole, nebo optické blízké pole ano [4]. Toto pole však klesá exponenciálně se vzdáleností a může být tedy detekováno pouze těsně u povrchu předmětu.

38

Obr. 2. Schéma optických mikroskopů pracujících v blízkém poli: hlavními prvky jsou sonda, řídící systém a nanokolektor nebo nanodetektor. Řádkování (v rozsahu několik nm - 100 m) se uskutečňuje díky trojrozměrnému ohybu piezotrubičky, je-li na ni přiloženo vhodné napětí. Nanodetektorem je většinou špičaté optické vlákno, jehož druhý konec je spojen se vzdáleným detektorem (nízkošumový fotočlánek nebo fotonánásobič). Osvětlení vzorku průchodem, či odrazem světla: a) STOM konfigurace, b), c) SNOM konfigurace, d) NSOM konfigurace. SNOM využívá slabé interakce mezi předmětem a sondou submikronových rozměrů, tj. tunelového jevu, který řídí přechod částic (elektronů, či fotonů) do klasicky zakázaných oblastí a nad limitované vzdálenosti. To je spojeno s kvantovou povahou vln, doprovázejících tyto částice, přičemž je nutné brát v úvahu, že četné známé základní koncepce se v nanometrické oblasti radikálně mění: střihové síly, teplotní přechody, vodivost, a pod... musejí nyní splňovat zákony, které již nejsou integrální, společné, nýbrž diferenciální, individuální, lokální. Tab.1: Analogie vlastností elektronů a fotonů v oblasti blízkého pole Elektron Foton energie E = mc2 hybnost p = E/c hmotnost m ≠ 0 vlnová funkce  (x,y,z) Vlnová rovnice Schrödingerova: + hraniční podmínky ∆Ψ +

2m (E − U0 ) Ψ = 0 h

Řešení: o exp [ (i2 /h).pr]

Energie E = h. vlnový vektor k = 2p/h hmotnost m = 0 intenzita elektrického pole E = Eo(x,y,z) Vlnová rovnice Helmholtzova: hraniční podmínky

+

∆E + k 2 E = 0 Řešení: E = Eoexp i(t - kr) Podmínky šíření:

Parametry spojené s prostorovým chováním vlny jsou hybnost p a vlnový vektor k.

39

p = (px,py,pz) = p| | , pz 2 1/2

pz = [2m(E-Uo) - p| | ]

k = (kx,ky,kz) = k| | , kz 2 

2

2 1/2

kz= [(n  /c ) - k| | ]

jestliže 2

[2m(E- Uo) - p| | ] > 0 potom pz je reálné a elektrony a fotony se šíří jako homogenní vlny.

2 

2

2

[(n  /c ) - k| | ] > 0 kz je reálné

Jestliže však 2

pak

2 

2

2

[2m(E-Uo) - p| | ] < 0

[(n  /c ) - k| | ] < 0

pz je imaginární,

kz je imaginární

a vlnová funkce bude mít tvar xy exp (-pz.2/h)

E = Exyexp (-kz.z)

což je klesající funkce - evanescentní vlna. ‚Její detekcí získáme informace o jemných detailech předmětu. Typická struktura nešířícího se pole je [6]: E(x,y,z,t) = E0(x,y,z)exp -j(kxx + kyy) exp (-kzz).exp j(t), kde E0 je amplituda pole v bodě (x,y,z), exp-j(kxx + kyy) odpovídá členu vlny šířícímu se v rovině xy, exp(-kzz) vyjadřuje pokles pole ve směru osy z. Vlnové číslo kz závisí na vlastnostech materiálu a na jeho prostorové struktuře a je nepřímo úměrné rozměrům detailů. Konečně exp j(t) vyjadřuje časovou závislost pole. Fyzicky se pole šíří ve směru roviny xy a klesá ve směru osy z, přičemž kmitá s frekvencí použitého světla. Světelný svazek se tedy nemůže šířit, je omezen jen na prostor v těsné blízkosti povrchu předmětu. 3. Aplikace SNOM Výhoda SNOM oproti ostatním rastrovacím technikám spočívá v tom, že umožňuje pozorování celé škály optických vlastností vzorku. V optické mikroskopii blízkého pole se k vytvoření obrazu obvykle používají změny intenzity světla. Ale i následující vlastnosti mohou vytvořit dostatečný kontrast ve SNOM obrazech [2]: - Topografie vzorku, změny indexu lomu, odrazivosti, propustnosti, polarizace, mechanooptických vlastností, magneto-optických vlastností, fluorescence molekul, nelineární jevy – generování druhé harmonické frekvence, ramanovský rozptyl, materiálové změny a jiné. Příklady možných aplikací jsou uvedeny v dalších odstavcích.

40

Obr. 3: Možnosti měření kontrastů pomocí SNOM

3.1. Intenzitní kontrast Monitorování intenzity světla poskytuje informaci o propustnosti či odrazivosti vzorku, nebo obecně o změnách indexu lomu. Monitorování jen intenzity signálu je zvláště vhodné pro topografii artefaktů, přičemž je často nutné opatrně interpretovat data [7]. Jako příklad uveďme zrnka halidů stříbra. Ta se vyznačují velmi rovinným povrchem, což způsobí, že se někdy objeví topografické artefakty.

Obr. 4: Zobrazení AgIBr krystalků v blízkém poli: topografie (vlevo) a SNOM signál v prošlém světle (vpravo) [7]. Tyto krystaly se používají ve fotografických emulzích a jejich složení a struktura jsou optimalizovány tak, aby umožnily vytvoření latentních obrazů. Krystaly AgIBr nevykazují téměř žádnou topografii povrchu (vlevo). SNOM signál (v prošlém světle) ukazuje změny, které pravděpodobně pocházejí ze změn indexu lomu, které jsou způsobeny gradientem koncentrace jódu uvnitř krystalů. Velikost obrazů je 5 × 5 m, odtud plyne rozlišení pod /2. 3.2. Polarizační kontrast Polarizační kontrast umožňuje sledovat dvojlom vzorku a mnoho aspektů orientace na povrchu. SNOM s polarizačním kontrastem je zajímavý tím, že jeho rozlišovací schopnost je potenciálně větší než u konvenčního optického mikroskopu. Kombinace optické a topografické informace získaná pomocí obrazů střižných sil je také velmi atraktivní. V praxi rozlišujeme dvě experimentální schémata polarizačního SNOM, které závisejí na tom, který ze směrů vstupní polarizace je zachován (TE či p-polarizace, nebo TM či s-polarizace), nebo která z nich je modulovaná.

3.3. Kontrast vlnových délek Fluorescenční mikroskopie umožní jednak pozorovat různé typy luminiscence (fotoluminiscenci i elektroluminiscenci) a molekulární fluorescenční jevy, jednak i provádět spektroskopii pro chemickou identifikaci.

41

Obr.5: Zobrazení LiF tenké vrstvy. Topografie (vlevo), optický obraz s  = 456 nm (uprostřed), fotoluminiscence (vpravo). Je známo, že LiF i další alkalické halidy, tvoří barevná centra, když jsou ozářeny elektrony o vysoké energii. Na obr. 5 je topografie vzorku (vlevo), obraz vlnové délky 456 nm v prošlém světle (uprostřed) a fotoluminiscenční signál (vpravo). Všechny tři signály byly registrovány současně. Luminiscence vypadá jako by pocházela z okrajů zrnek viditelných v topografickém obraze [8]. Fakt, že excitační světlo nevykazuje tento rys, indikuje, že tato zdánlivost nepochází z topografického artefaktu.

3.4. Magnetooptické zobrazení Magnetooptika popisuje interakci optického záření s magnetickým polem. Faradayův jev popisuje změnu polarizace světla prošlého magnetickým vzorkem [9]. V odraženém světle je analogickým jevem magnetooptický Kerrův jev, který má ohromné možnosti v technologických aplikacích, např. pro magnetooptické paměti (MO disky). Faradayův jev využívá kruhového dvojlomu: závisí na magnetizaci materiálu, jeho materiálových vlastnostech a tloušťce. Potom je možné pozorovat stáčení orientace přeneseného lineárně polarizovaného světla. Vismutem dopovaná vrstva yttrium-železo-granát (YIG) vykazuje kolmou magnetizaci, její domény mohou být zobrazeny použitím modulace polarizace (obr.6).

Obr. 6: Zobrazení domén magnetizace u vizmutem dotované tenké vrstvy YIG pomocí modulace polarizace. a) topografie (vlevo), b) modulace polarizace (uprostřed) , c) při fixní polarizaci (vpravo).

Velikost úhlu Faradayovy rotace je dána změnou úhlu fáze mezi dopadajícím a prošlým světlem a může být monitorována záznamem výstupu fáze ze synchronního zesilovače. Vyjma několika částic prachu je topografie vzorku téměř rovinná (obrázek vlevo). V současně zaznamenaném optickém obraze (synchronní fáze) je patrně zřetelná doménová struktura YIF vstvičky (prostřední obrázek). Úhel Faradayovy rotace dosahuje hodnot 2,3° přes celý obrázek, tj. mezi horními a dolními doménami. Pro srovnání bylo provedeno měření téhož vzorku s fixní polarizací (obrázek vpravo). Určit velikost úhlu Faradayovy 42

rotace na základě tohoto obrázku fixní polarizace je velmi nesnadný úkol, protože to vyžaduje změnu nastavení analyzátoru tak, aby došlo k maximálnímu otočení fáze. Tři obrázky odpovídají natočení analyzátoru postupně o 2°. 3.5. Nanolitografie a charakteristika sond v blízkém optickém poli Litografie v blízkém poli se dnes jeví jako konkurent magnetického záznamu, díky možnosti vysoké hustoty uchování dat. Navrhli jsme metodu záznamu bez chemického zpracování, která využívá jako fotocitlivý materiál polymer PMMA dopovaný DR1. Barvivo absorbuje modro-zelenou část spektra, což umožňuje použít zelený polovodičový laser ( = 532 nm) o výkonu 0,5 mW. Osvětlení povrchu způsobí repolymerizaci a odstranění polymeru. Laserový svazek je směřován optickým vláknem k pokovenému hrotu, na jehož konci se nachází nanoapertura o průměru 50-100 nm, které vytváří lokální osvětlení přibližně 30 W/m2. Vjem motivu se získá díky pohybu sondy. Čtení této modifikované topografie, jejíž amplituda je v jednotkách či desítkách nanometrů, probíhá v kvazireálném čase, díky zařízení využívající tzv. střižných sil, které je integrováno do mikroskopu.

Obr. 7. Nanolitografický záznam do fotopolymeru pomocí optického řádkovacího mikroskopu s lokální sondou. Záznam se uskuteční pomocí zeleného světla laseru, čtení a měření pomocí červeného světla. Dosažená velikost jednoho otvoru je 140 nm. Spodní obrázek ukazuje záznam s rozlišením < 100 nm [2]. Obrázky znázorňují jednak záznam a čtení jediného otvoru i příklad zápisu, které byly získány pomocí pokovené sondy. Tento postup také umožní mapovat rozložení světelné energie na konci vysílací sondy a vyjádřit je ve tvaru reliéfu. To vytváří metodu pro optickou kalibraci sond, které jsou vyrobeny pomocí tepelného tažení, a umožňuje srovnat dopad různých typů sond, pokovených či nepokovených, na kvalitu zobrazení. Litografické rozlišení, definované jako nejmenší možná vzdálenost mezi zaregistrovanými body, je < 100 nm.

3.6. Vnitřní fotoemise rozhraní kov-polovodič v blízkém poli Znalost lokálních charakteristik v submikronové oblasti je pro polovodičovou fyziku základním požadavkem. Mikroskopie v blízkém poli je pro tuto oblast ideálním nástrojem. Např. osvětlení v blízkém poli umožnilo měřit lokální fotoproudy mezi polovodičem a

43

polotransparentní kovovou elektrodou [ 10] . Malá tloušťka této elektrody (10-50 nm) umožní lokální osvětlení rozhraní, bez zřetelné divergence svazku vyzářeného sondou, s příčným rozlišením < . Studie provedené na kombinaci Pt-GaP prokázaly velmi lokalizované změny fotoproudu, které nekorelovaly s topografickými vadami vzorku. Tyto změny mohou být spojeny s fluktuacemi výšky Schottkyho bariéry nebo s fluktuacemi počtu rekombinací elektron-díra, způsobenými přítomností chemických nečistot [11]. Prezentované výsledky ukazují jednak topografický obraz, jednak soubor tří obrazů odpovídající třem vlnovým délkám:  543 nm (He-Ne laser), 782 nm a 1,3 m (laserové diody). Dosažené výsledky jsou ve shodě s teorií: pro vyšší vlnové délky je světelná energie slabá, elektrony mají menší energii, nemohou tedy difundovat, zůstávají v blízkosti oblasti vzniku. Naopak pro krátké vlnové délky mají elektrony větší energii, dochází k difúzi elektronů z kovu a vlastní emise polovodičového materiálu vyjadřuje neostrost získaného obrazu. Tento výsledek ukazuje mapu rozložení a difúze elektrických nábojů v Schottkyho bariéře v oblasti, která byla dosud nedosažitelná (několik stovek nanometrů).

Obr. 8. Detekce fotoproudu na Schotkyho bariéře. Princip experimentu a struktura vzorku. Na rozdíl od topografie závisí rozlišovací schopnost na vlnové délce. Na obrázcích získaných pomocí dielektrické optické sondy je patrný defekt, jehož viditelnost závisí na použité vlnové délce. 4. Závěry a perspektivy Optika v blízkém poli – nanooptika a její základní nástroj – mikroskopie v blízkém poli, dosáhla své zralosti. Vlastnosti evanescentních vln jsou používány zejména pro návrh nových součástek a pro jejich charakterizování směřující do oblasti optických nanotechnologií. Využití evanescentních vlastností vedlo a určitě povede ke značnému pokroku v tak rozmanitých oblastech jako jsou atomová optika, fotonika, optická mikroskopie v blízkém poli a následně k realizacím zařízení, která jsme si ještě před několika lety neuměli ani představit. Příkladem může být vedení atomů pomocí evanescentního pole vidů generovaných určitými vlnovody či optické struktury se zakázaným pásem – fotonické krystaly. Optická mikroskopie v blízkém poli by měla pokrýt oblast klasické optické mikroskopie, ale s daleko vyšší rozlišovací schopností. SNOM by mohla mít nejvíce společného s AFM, ať již z hlediska základního nebo z hlediska aplikací. Její současná

44

relativně malá rozlišovací schopnost by mohla být kompenzována její kapacitou dodávat informace od jednotlivých vlnových délek. Mohla by v příštích letech se stát výtečným nástrojem pro lokální spektroskopii. Protože se jedná o oblast, která se permanentně vyvíjí, můžeme se od mikroskopie s lokální sondou dočkat ještě mnoha zajímavých překvapení. Dnes jsou to STM a AFM, které slouží za vzor vývoji ostatních. Jejich výkonnost se zdá být obtížně překonatelná. Úsilí by tedy mělo být směrováno do komplementárních oblastí, kde mohou přinést ostatní mikroskopie další nové informace a kde si mohou najít svou úspěšnou oblast využití. Poděkování Tato práce částečně přispívá k řešení projektů výzkumného záměru MŠMT MIKROSYN MSM 262200022 a projektu GAČR 108/120/1474. Literatura [1] Nanotechnology and nanoscience, http://europa.eu.int/comm/research/fp6/p3/index_en.html [2] TOMÁNEK, P. Optická tunelová skenovací mikroskopie s lokální sondou, Habilitační práce, FEI VUT, Brno, 1996. [3] FILLARD, J-P. Near-field optics and nanoscopy, World Scientific, Singapore, 1996. [4] COURJON, D., BAINIER, C., Le champ proche optique, Springer, Paris, 2002. [5] MAGONOV, S.N., WHANGBO, Myung-Hwan, Surface analysis with STM and AFM, VCH, Weinheim, 1996. [6] BORN, M., WOLF, E., Osnovy optiki, 2nd edition, Nauka, Moskva, 1973. [7] ŠKARVADA, P.; TOMÁNEK, P.; MACKŮ, R. Near- field photoelectric measurement of Si solar cells. In 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference Proceedings. Hamburg, Germany: 2009. s. 480-483. [8] TOMÁNEK, P. Optická tunelová mikroskopie s lokální sondou, In: FRANK, L., KRÁL, J. Metody analýzy povrchů, Iontové, sondové a speciální metody, Academia, Praha, 3.díl, 2002, 349-379. [9] LACOSTE, T., HUSER, T., HEINZELMANN, H. Faraday rotation imaging by Near-field Optical Microscopy, Z. Phys. B 1997, 104,183-186. [10] TOMÁNEK, P.; ŠKARVADA, P.; GRMELA, L. Local optical and electric characteristics of solar cells. Proc of SPIE. 2009. 7388, paper 73880L1. [11] TOMÁNEK, P., BENEŠOVÁ, M., KOŠŤÁLOVÁ, D., LÉTAL, P, Local optical characteristics of semiconductor surfaces, Proc. of SPIE, 2002, 4607, 168-177. Kontakt: Prof. RNDr.Pavel Tománek, CSc. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav fyziky, Technická 8, 61600 Brno [email protected]

45

Elektřina ze slunce Jiří TOUŠEK Abstrakt: Elektřina ze slunečního záření vzniká ve slunečních článcích, které využívají pro svou funkci fotovoltaický jev. Sluneční články se nejčastěji vyrábějí z křemíku a dosahují běžně účinnosti 16 %, rekordní účinnosti 41,5 % dosahují články kombinované z různých polovodičů. Pro zlevnění výroby a snazší manipulaci se nanášejí články z organických polovodičů nebo amorfního křemíku na ohebné folie. Sluneční elektrárny často využívají plochy střech a s využitím střídačů se propojují do veřejné rozvodné sítě. Využití plochy všech střech a nádvoří by postačovalo k výrobě takového množství elektřiny, kolik se spotřebuje v našem státě. Produkce je však časově nerovnoměrná Úvod Sluneční záření může za vhodných podmínek generovat elektřinu v polovodičích, v nichž existuje fotovoltaický jev. Tento efekt vzniká tam, kde je vnitřní elektrické pole (například v přechodu p-n), které je schopné oddělovat volné náboje-elektrony a díry- generované světlem. Po rozdělení elektronů od děr se polovodič polarizuje a vznikne napětí a pokud je uzavřen obvod, také proud. Sluneční články jsou velkoplošné diody z různých polovodičových materiálů. Nejčastěji se používá křemík jak krystalický, tak i amorfní a další polovodiče jako GaAs, CdTe, Cu, (In, Ga) (S, Se)2 aj.. V poslední době jsou v popředí zájmu také články z organických materiálů. Každý polovodič je charakterizován tak zvanou šířkou zakázaného pásu Eg. Tu můžeme chápat jako minimální energii potřebnou pro vytvoření páru volných nábojů. Sluneční spektrum je charakterizováno počtem sluncem emitovaných fotonů s různými energiemi. Průchodem zemskou atmosférou se v něm vytvářejí absorpční pásy, jak je vidět na obrázku 1.

Obr.1. Sluneční spektrum po průchodu 1,5 násobkem tloušťky zemské atmosféry. Tečkovaná čára znázorňuje, které fotony ze spektra může ještě využít článek z krystalického křemíku [1].

46

Polovodič s nejmenším Eg využije největšího počtu fotonů, generuje proto největší proud, na článku bude však nejmenší napětí. Polovodič s největším Eg naproti tomu generuje největší napětí, ale nejmenší proud. Z toho plyne, že existuje optimální šířka zakázaného pásu, při kterém dává článek největší výkon.

Obr.2 Teoreticky vypočtená účinnost slunečních článků z některých materiálů jako funkce šířky zakázaného pásu.

Z obrázku 2 plyne, že nejvyšší účinnosti lze dosáhnout na materiálech s šířkou zakázaného pásu kolem 1,5 eV, jako je GaAs, CdTe nebo Si. Články z monokrystalů těchto materiálů se svojí účinností již přibližují teoretickému maximu. Prakticky dosažené laboratorní i komerční účinnosti článků a modulů z poslední doby jsou v následující tabulce. Materiál Účinnost článků (%) Účinnost modulů (%)

Si monokr.

Si polykr.

Si:H amorfní

Vrstvy CdTe

Vrstvy CuInSe2

GaAs monokr.

laboratorní

24,7

20

12,7

16,5

19,9

25,5

komerční

15 - 17

12

6-7

/

/

/

laboratorní

22.7

15.3

10,2

10,7

19,9

/

komerční

16

11

5

7-8

15

/

Na obrázku 3 vlevo je schematicky znázorněn křemíkový sluneční článek i s elektrodami. Vyznačen je také transport fotogenerovaných nábojů. Elektrony se přemisťují do křemíku typu N, díry do typu P. Vpravo je reálný sluneční článek. Jeho modrá barva je způsobena antireflexní vrstvou na povrchu.

47

Obr.3 Klasická konstrukce slunečního článku s mřížkovou horní elektrodou.

Obr.4 Tenkovrstvý ohebný sluneční článek.

Podstatné zlevnění přináší technologie článků z organických látek, která nevyžaduje vysoké teploty ani extrémní čistotu výchozích materiálů. Nanášení vrstev se provádí metodou „spin coating“ z roztoku na podložku nebo tiskem na folii což zrychluje výrobu. Účinnost však zatím nepřesahuje 6%. Organické polovodiče stejně jako amorfní křemík se mohou nanášet ve formě tenké vrstvy na ohebný substrát, takže se pak snadno transportují. (Viz obr.4) To umožňuje využití článků např. v turistice nebo pro vojenské účely. Sluneční článek vyrobený z polovodiče o šířce zakázaného pásu Eg nevyužije fotony, jejichž energie hν je menší než Eg a pouze zčásti využije takové, jejichž energie je větší, než Eg. Efektivněji pracují články kombinované z více druhů polovodičů-tzv. tandemy (viz.obr.5).

Obr.5 Schema tandemového článku o účinnosti 39% , které bylo dosaženo v roce 2005. Vlevo je sluneční spektrum. Je vyznačeno, které části spektra využije který polovodič z tandemu. V roce 2009 po vylepšení technologie byla na stejné struktuře získána účinnost 41,5 % [2].

Světlo dopadá nejprve na první polovodič GaInP s největším Eg, kde se absorbují fotony s největší energií, ostatní se dostávají postupně do dalších materiálů. Tak se využije podstatná část ze slunečního spektra. Články s takto vysokou účinností jsou drahé a jsou proto určeny především pro náročné aplikace v kosmu.

48

Aplikace slunečních článků pro využití na zemi

Obr.6. Vlevo: Využití střechy rodinného domku k produkci elektřiny z fotovoltaických panelů. Vpravo vepředu: Jedno z polí fotovoltaické elektrárny postavené na zemi.

V našich zeměpisných šířkách dopadá na 1 m2 přibližně 1 MWh energie slunečního záření za rok. Na běžný rodinný domek tedy dopadá za rok energie100 MWh, přičemž spotřeba elektřiny je asi 4 MWh, na vytápění se spotřebuje 20-30 MWh ročně [3]. Energie ze slunce by tedy měla pro krytí spotřeby postačovat. Stejnosměrný proud, který fotovoltaické panely vyrobí, se mění na střídavý v invertorech a je-li elektrárna propojena s rozvodnou sítí, dodává se do veřejné sítě. Elektrárna o nominálním výkonu 1 MW vyrobí v našich podmínkách průměrně 970 MWh. Z jednoho hektaru lze v podmínkách ČR vyprodukovat 0.5 GWh elektrické energie. Spotřeba v ČR je asi 60 TWh. Plocha zastavěná budovami a nádvořími v ČR je 130 000 ha [4]. Využití této plochy pro fotovoltaiku by tedy uspokojilo veškerou spotřebu elektřiny státu.

Ekonomika Pořizovací cena elektrárny o nominálním výkonu 1 kW je 100 000-160 000 Kč bez DPH podle druhu panelů a stojanů. Při stavbě elektrárny na střeše je DPH 9%, pro volně stojící elektrárnu je uplatňována sazba 19 %. Proud z elektrárny o nominálním výkonu do 30 kW postavenou v roce 2009 se vykupuje sazbou 12,89 Kč/kWh, zelený bonus činí 11,91 Kč/kWh. Výrobní cena 1 kWh je u nás zatím asi 3-4 krát větší než cena elektřiny z klasických zdrojů. Vzhledem ke stále klesající ceně fotovoltaiky a rostoucí ceně konvenčně vyrobené energie se však tyto ceny postupně vyrovnávají. Některé jižně položené státy jako je Itálie, jsou již blízko tohoto vyrovnání. Investice vložená do stavby elektrárny se u nás při využití státní podpory vrací průměrně za 9-15 let, přičemž životnost zaručují výrobci 25 let.

49

Význam fotovoltaické přeměny: Fotovoltaika představuje výhodný vývozní artikl. Dovolí elektrifikaci míst bez zásob fosilních paliv a bez technicky kvalifikovaných pracovníků. Umožní podstatně zlepšit životní úroveň dvou miliard lidí, které nemají dosud zavedenou elektřinu. Využití slunečního záření neovlivňuje negativně životní prostředí. Fotovoltaická (FV) elektrárna nemá žádné pohyblivé součásti, nepotřebuje prakticky žádnou údržbu, její provoz je nehlučný a bez exhalací. Během provozu neprodukuje CO2. Provoz FV elektrárny je bezpečný a spolehlivý. Její životnost je až 30 let. Energie vložená do výroby krystalických křemíkových panelů se vrátí přibližně za 4 roky, tenkovrstvé panely vyrobí tuto energii za dobu kratší, než 1 rok. Zářivý tok přicházející ze slunce na zemi je 175 000 TW. Potřebný příkon na obyvatele je asi 2 kW, takže celková spotřeba lidstva je přibližně 12 TW. Na obr.7 jsou v poměrných velikostech kromě této spotřeby znázorněny ještě velikosti zásob fosilních paliv.

Obr.7 Porovnání energie, která přichází ze slunce na zemi za rok, se zásobami fosilních paliv a spotřebou lidstva (údaj EPIA [5]).

Sluneční záření je tedy daleko nejvýznamnějším zdrojem energie. Fotovoltaické elektrárny umístěné na pouhých 5% rozlohy pouští by vyrobily dostatek energie pro veškeré obyvatelstvo na zemi. Zbývá ovšem vyřešit transport elektřiny i do vzdálenějších oblastí. Nevýhodou zůstává také závislost výkonu FV elektráren na velikosti slunečního zářivého toku, který se mění s ročním obdobím, při střídání dne a noci a s počasím. Literatura: [1] http://www.fzu.cz/popularizace/premena-slunecni-energie-v-energii-elektrickou#funkce [2] R. R. King et al., 24th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Hamburg, Germany, Sep. 21-25, 2009 [3] K.Murtinger, J.Beranovský, M.Tomeš: Fotovoltaika. Elektřina ze slunce, EkoWATT, ERA group spol s.r.o. Brno 2007 [4] http://www.setrnebudovy.cz/vzory/vzor_fotovoltaika_filozofie.pdf [5] http://www.epia.org/solar-pv

Kontakt: Doc.RNDr.Jiří Toušek,CSc. Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta, Praha 8, V Holešovičkách 2. [email protected]

50

Holografia Dagmar SENDERÁKOVÁ Abstrakt: Zrod laseru vložil do rúk človeka nový druh svetla – svetlo koherentné. Znamenalo to výrazné zjednodušenie experimentálnych podmienok pre využitie interferencie svetla v praxi. Súčasne umožnil neprehliadnteľný nástup praktickej realizácie úplne nového typu optického záznamu – holografie. Cieľom príspevku je krátko oboznámiť s nosnými zameraniami holografie a vysvetliť jednoduchým spôsobom v čom spočíva podstata holografického záznamu a aké to má dôsledky. Úvod Len približne polstoročie uplynulo od zrodu úplne novej, prevratnej oblasti modernej optiky – holografie, kým našla široké využitie vo vede, priemysle, ale aj v každodenných situáciách obyčajného človeka. Od svojho zrodu v roku 1947 prešla niekoľkými vlnami optimizmu a pesimizmu. Na začiatku 3. tisícročia sa však môže svojim významom zaradiť k oblastiam, ktoré zažili podobný rozkvet, ako automobilizmus, TV, letectvo, počítače. Navyše, v každej z týchto oblastí zaujala významné postavenie. U automobilov je základom novej generácie svetiel pri využití bielych svietiacich diód. V letectve zabezpečuje displeje vo výške očí. V počítačoch poskytuje základ procesorov paralelného spracovania informácií, v televíii je holografická obrazovka prostriedkom na získanie úžasného priestorového obrazu. Optická holografia je základom aj pri optickom spracovaní informácií. Nové holografické optické prvky sú lacnejšie a flexibilnejšie v porovnaní s klasickými optickými prvkami. Popri optickej existuje aj akustická holografia, ktorá poskytuje človeku živý 3D pohľad do vnútra človeka bez použitia röntgenového žiarenia a drahých tomografov. Medzi osobnosti, ktorých práce boli prvými, základnými míľnikmi na tejto ceste, patrí nesporne britský vedec maďarského pôvodu, Dennis Gabor, objaviteľ holografie. Možnosti, ktoré by holografia mohla priniesť, videli v ďalších rokoch mnohí, ale nedokázali prekonať experimentálne obmedzenia jej praktického využitia. Až po objavení lasera znovuobjavili holografiu pre praktické využitie E. Leith a J. Upatnieks v USA a J. Denisjuk v ZSSR. Dnes existuje holografia ako skromné, hoci významné priemyslové odvetvie, rozvíjajúce sa úctyhodným tempom. Najrozsiahlejšie zastúpenie nájdeme v bezpečnostných a overovacích zariadeniach, ale aj v dúhových hologramoch obaloch kníh a časopisov, či baliacich papieroch, ... Originálne postupy holografie Najväčší záujem verejnosti vzbudzujú všetky druhy holografického zobrazenia, spájané s nádychom tajomnosti. Očarení účastníci pri ukážke prvého 3D holografického obrazu v roku 1964 predpovedali, že holografické zobrazenie sa stane najvýznamnejšou oblasťou aplikácie holografie. Vyžadovalo by to však v porovnaní s laserom lacnejší a prijateľnejší svetelný zdroj na pozorovanie hologramu. Odpoveďou bol Denisjukov hologram, pozorovateľný aj v bielom svetle. Ďalšia prekážka spočívala vo vysokej cene hologramu. Odstránil ju dúhový hologram S. A. Bentona v kombinácii s technológiou horúceho lisovania hologramov.

51

Tieto dva kroky vytvorili základné podmienky pre komerčné šírenie hologramov a nastalo obdobie rozširovania možností využívania holografie a prekonávania ďalších objavujúcich sa prekážok. Štandardom holografického zobrazenia reality sa stal Denisjukov hologram a postupne sa zvyšovala kvalita pozorovaného obrazu. Hologramy takého druhu nájdeme prevažne v galériách. Sú totiž finančne náročné a vyžadujú špeciálne svetelné zdroje a usporiadanie. Stále tu existuje možnosť pokroku, súvisiaca na jednej strane so znižovaním náročnosti na svetelný zdroj pri pozorovaní hologramu a na druhej strane potláčaním vzniku nežiadúceho rozptylu svetla v obraze a zvyšovaním účinnosti hologramu. V súčasnosti existuje veľa spôsobov vytvárania 3D obrazov, ktoré však zatiaľ sprevádza veľa obmedzení, súvisiacich alebo s cenou, alebo s nepohodlnosťou pri realizácii, čo limituje široké využitie. Na jednej strane neexistuje technológia, ktorá by sa priblížila holografickému spôsobu zobrazenia reality. Na druhej strane, žiadna z nich nie je tak komplikovaná a drahá, ako holografická metóda. Pri veľkom záujme o 3D zobrazovanie vzbudzujú pozornosť aj neholografické metódy, využívajúce počítač. Ukázalo sa, že výrazné 3D vnímanie je možné aj bez binokulárneho rozdielu, ktorý bol považovaný za nevyhnutnosť 3D vnímania človeka. Stačí na to paralaxa, ktorú dosiahneme jednoducho na obrazovke počítača otáčaním obrazu. Binokulárny rozdiel môžeme dodať s troškou nepohodlia ak pridáme špeciálne okuliare. Takto získaný 3D obraz môže byť dynamický a interaktívny. Holografia by tu asi mohla konkurovať len využitím záznamového materiálu schopného zaznamenávať v reálnom čase. Vyvinutie takej technológie sa síce predpokladá, ale je to ešte ďaleká cesta. Ďalšie významné využitie nachádza holografia pri fázovej konjugácii. Je to taký proces, pri ktorom sa svetelná vlna zmení na komplexne združenú svetelnú vlnu. Fázová konjugácia sa využíva pri zobrazovaní cez nehomogénne prostredie. Pri vytvorení obrazu z hologramu (rekonštrukcii) sa dá získať okrem rovnakej vlny, aká išla od objektu cez nehomogénne prostredie pri zázname hologramu, aj vlna komplexne združená. Tá akoby sa šírila v čase aj priestore späť, takže ak prejde tými istými nehomogenitami prostredia, „opraví sa“ a získame kvalitný, neporušený obraz objektu. Holografický princíp je základom pre ďalšie, viac-menej súvisiace, oblasti a metódy (štvorvlnové zmiešavanie v nelineárnej optike, oprava vlnoplochy pri Brilluenovom rozptyle). Hologram môže poslúžiť aj v úlohe optického prvku, ako šošovka, korektor aberácie, delič a zlučovač svetelných zväzkov, mriežka, ... Nevýhody holografických prvkov, ako chromatická aberácia a menej ako 100%-ná difrakčná účinnosť vyvažujú výhody, ako jednoduchosť výroby a možnosť získať prvok ľubovoľného tvaru. Ich dôležitosť spočíva aj v možnosti nahradiť disperzné prvky na princípe lomu svetla, prvkami, založenými na difrakcii svetla. Holografické optické prvky sa stali významnou podmnožinou prvkov difrakčnej optiky. Významnou oblasťou využitia je aj holografická interferometria. Spomeňme najmä, že v porovnaní s klasickou interferometriou prináša klasicky nedostupnú interferometriu objektov, ktoré difúzne rozptyľujú svetlo. Okrem toho, experimentálne zariadenie nevyžaduje dielčie optické prvky s takou vysokou kvalitou, ako pri klasickej interferometrii. Vyššie spomínané postupy sú originálnymi holografickými postupmi. Počas svojho vývoja sa holografia spájala so súvisiacimi technológiami, vytvárali sa nové, hraničné technológie. Každý z týchto postupov vznikol v holografii, bol rozvinutý, svojim významom presiahol holografiu a stal sa súčasťou optickej technológie, kde je jeho holografický pôvod viac-menej zabudnutý. Používajú ich totiž ľudia, ktorí nepracujú v oblasti holografie. Dôsledkom je, že

52

holografia sa tak stala síce všadeprítomným, ale tak samozrejmým prostriedkom, že si jeho užívatelia ani neuvedomujú jeho pôvod v holografii. Predpokladá sa, že v 21. storočí bude holografia prekvitať. Jej rozvoj a rast vplyvu bude zväčša výsledkom pokroku technológií, od ktorých závisí, t. j. počítač, elektronická kamera, pokrok v médiách pre záznam v reálnom čase a zobrazujúcich médiách,... Súčasne sa očakáva rozplývanie sa výraznej hranice medzi tým, čo je a čo nie je holografické. Hologram, fotografia a svetlo Teraz nazrime aspoň narýchlo do zákulisia hlografie a pokúsme sa porozumieť jej tajomnosti. Po objavení nových svetelných zdrojov – laserov sa začalo hovoriť o holografii. Je to v podstate nová metóda záznamu informácií pomocou svetla. Poznáme už fotografiu. Potrebujeme ešte aj holografiu? Obsahuje v sebe niečo naviac v porovnaní s fotografovaním? Napriek tomu, že fotografia je dvojrozmerná, sme na nej schopní vidieť a vnímať priestor. Táto naša schopnosť je však len dôsledkom našej každodennej skúsenosti s perspektívou. Človek je schopný vnímať hĺbku priestoru, ktorý ho obklopuje preto, lebo má dve oči, ktoré sú od seba vzdialené o určitú vzdialenosť (binokulárny rozdiel). Každým okom vidíme objekt z trochu iného smeru. Obrazy, vytvorené šošovkami očí sú odlišné a len vďaka podivuhodnému postupu pri spracovaní obrazu našim mozgom, vnímame priestor. Pri holograme nepotrebuje pozorovateľ žiadne skúsenosti. Jednoducho, to čo vidí, je skutočne priestorový obraz. Čo je príčinou takej odlišnosti? V obidvoch prípadoch sa používa na záznam svetlo. Tajomstvo odlišnosti je zakódované priamo v názve – hologram. Tento pojem zaviedol britský vedec maďarského pôvodu, Dennis Gabor na označenie záznamu objektu svojou vlastnou metódou – holografickou. Pojem hologram pochádza z dvoch gréckych slov holos (úplný) a gramma/graphe (správa/záznam). Čo to však znamená „zaznamenať „všetko“? Keď fotografujeme, nezaznamenávame o svetle prichádzajúcom od objektu „všetko“? Všimnime si, čo je svetlo. Človek si pre zjednodušenie opisu pozorovaných javov vytvára modely. Na predstavu o svetle sa v tomto prípade hodí známy vlnový model, ktorý uvažuje o svetle, ako o elektromagnetickej vlne. Svetlo je reprezentované amplitúdou A A = A0 cos[φ (r , t )]

ktorá sa mení v priestore (r) a čase (t). Charakterizuje ju maximálna hodnota amplitúdy A0 a fáza φ . Práve fáza je veličina, ktorá určuje amplitúdu A v konkrétnom mieste r a okamihu t. A = A0 cos(φ ) = A0 cos(ωt − k.r )

Vo vyjadrení amplitúdy svetelnej vlny nájdeme symbol k = 2π/λ, nazývaný vlnovým číslom, λ je vlnová dĺžka svetla. Frekvencia ω svetelnej vlny je príliš vysoká na to, aby na jej meniacu sa amplitúdu dokázalo zareagovať nejaké záznamové médium, alebo detektor. Okamžitú amplitúdu A svetelnej vlny nie sme schopní zaznamenať žiadnym spôsobom. Znamená to, že nevieme získať priamo informáciu ani o okamžitej fáze φ svetelnej vlny a práve tam je uložené, kde (r) sa nachádzajú jednotlivé miesta objektu. Tam je uložená informácia o priestorových vlastnostiach objektu.

53

Každý detektor, každý záznamový materiál reaguje len na celkovú energiu svetla, ktorá naň dopadne počas určitej doby (doba expozície). Táto energia w je úmerná tomu, čo v optike poznáme ako intenzitu svetla w ~ ~ <A2>1. Hovoríme, že detekcia svetla je kvadratická. Práve energia sa zaznamenáva pri klasickom fotografovaní. Objektív fotoaparátu vytvorí v rovine záznamu obraz každého bodu objektu. V tejto rovine je umiestený film, alebo sústava svetlocitlivých senzorov a tie sú ovplyvňované dopadajúcim svetlom, t. j. energiou, ktorú nesie. Znamená to, že zaznamenávame len niečo, čo súvisí s amplitúdou svetelnej vlny a pri takom zázname sa stráca informácia o jej fáze φ = ωt − k.r + φ0 kde je uložená informácia o priestorových vlastnostiach objektu. Vzniká otázka – ako zaznamenať aj informáciu o fáze?

Riešenie našiel práve Dennis Gabor. Keď je vlna samotná, nedozvieme sa zo záznamu nič o jej fáze. Ale keď zložíme dve koherentné vlny2, bude výsledná intenzita v každom mieste určená rozdielom fáz medzi týmito dvomi vlnami. Toto rozloženie intenzity, známe ako interferenčný obraz, už zaznamenať môžeme. Práve taký postup nám umožní získať z hologramu presne rovnakú svetelnú vlnu, aká prichádzala z 3D objektu. Znamená to, že 3D objekt budeme skutočne vidieť. Záznam a rekonštrukcia hologramu Základom holografického záznamu je interferencia svetelných vĺn. Podmienkou vzniku interferencie sú koherentné svetelné vlny. Najjednoduchším spôsobom, ako ich získame, je – použiť laser.

Obr. 1 Záznam hologramu, objekt a rekonštrukcia 1(2) – porovnávacia (objektová) vlna, 3 – objekt, 4 – delič zväzku, 5 – zrkadlá, 6 – záznamové médium Na obr. 1 je experimentálne usporiadanie pre záznam hologramu. Laserový zväzok je rozdelený deličom 4 na dve časti. Jedna z nich (1) postupuje bez akejkoľvek zmeny na záznamový materiál. Táto vlna nenesie v sebe žiadnu informáciu. Je to porovnávacia vlna 1 2

zátvorky < > vyjadrujú strednú hodnotu v čase rozdiel medzi ich fázami sa v čase nemení

54

(p). Druhá vlna 2 interaguje s objektom 3. Je to objektová vlna (o). Odráža sa, alebo rozptyľuje na objekte. Môže ním aj prechádzať. V našom prípade je to objekt na prechod svetla. Rovnobežný laserový zväzok rozptýlený na matnici je po prechode objektu objektovou vlnou. Porovnávaciu a objektovú vlnu nasmerujeme zrkadlami 5 na záznamové médium 6, v ktorom sa zaznamená interferenčná štruktúra. Záznamové médium naexponujeme, fotochemicky spracujeme a získame hologram. Na získanie hologramu musíme zabezpečiť aj stabilitu usporiadania a použiť vhodný záznamový materiál, nakoľko interferenčná štruktúra má veľkú hustotu (až okolo 1000–3000 čiar/mm) a záznamové médium ju musí byť schopné zaznamenať. Pri zázname hologramu sme objekt nezobrazovali žiadnym optickým systémom. Po spracovaní záznamového média preto neuvidíme na holograme obraz, ako na fotografii. Len mikroskop by nám ukázal veľmi hustú interferenčnú štruktúru maxím z miním. Ako zistíme, čo je zaznamenané na holograme? Pre záznam hologramu sme museli zaznamenať interferenciu dvoch vĺn, inými slovami, zaznamenali sme štruktúru. Aby sme zistili, čo je na holograme, určite ho musíme osvetliť. Znamená to, osvetliť štruktúru. Tu nastupuje druhý dôležitý fyzikálny jav, ktorý je základom holografie – ohyb svetla. Uplatňuje sa pri rekonštrukcii hologramu. Obr. 2 demonštruje schematický záznam a rekonštrukciu hologramu. Hologram vznikol interferenciou dvoch vĺn p (1) a o (2). Zaznamenali sme interferenčnú štruktúru. Keď osvetlíme štruktúru jednou z týchto vĺn, objaví sa aj druhá vlna. Samozrejme, chceme vedieť, aký objekt sme zaznamenali na hologram, tak ho osvetlíme porovnávacou vlnou p. Objaví sa nová vlna, ktorá bude rovnaká, ako vlna pochádzajúca od objektu (o) a objekt uvidíme.

~2 1

L

H

1

L

~1

H

2

Ob

Ob

Obr. 2 Záznam a rekonštrukcia hologramu Pokúsme sa jednoducho vysvetliť tento „zázrak“. Jednoduché vysvetlenie môže poskytnúť napr. Huygensov princíp. Pri zázname hologramu sa prekrývajú dve vlny, interferujú a vytvoria výslednú vlnu so špeciálnym rozložením intenzity v každej rovine v oblasti prekrytia. V jednej z týchto rovín rozloženie intenzity zaznamenáme, čím získame hologram. Keď jedna z vĺn (obyčajne porovnávacia), ktoré vytvorili hologram, dopadne na hologram presne rovnako, ako pri zázname, hneď za hologramom vznikne rovnaké rozloženie intenzity svetla, ako pri interferencii počas záznamu. Vznikne rovnaké rozloženie bodových svetelných zdrojov, ako pri interferencii objektovej a porovnávacej vlny. Podľa Huygensovho princípu sa odtiaľ musia šíriť také isté vlny, ako tie, ktoré to rozloženie vytvorili, t. j. porovnávacia

55

a objektová vlna. Hovoríme, že takto zrekonštruujeme objektovú vlnu, čo nám umožní opäť vidieť objekt. Myslíte, že to bolo vysvetlenie, kde je priveľa tvrdení, ktorým treba „veriť“? S troškou nenáročnej matematiky [8, 9] sa dá jednoducho presvedčiť o možnosti zrekonštruovať objektovú vlnu takýmto postupom. Niektoré vlastnosti hologramov Medzi mnohými zaujímavými vlastnosťami hologramov nájdeme tri, ktoré možno považovať za najdôležitejšie, keď porovnávame hologram a fotografiu: •

holografia je jediným optickým procesom záznamu a prehrania (rekonštrukcie), ktorým môžeme zaznamenať trojrozmerný objekt na dvojrozmerné médium a potom ho prehrať oku bez akýchkoľvek ďalších pomôcok tak, že ho opäť vidí trojrozmerne

Táto vlastnosť je dôsledkom toho, čo sme už spomínali vyššie – zrekonštruujeme rovnakú svetelnú vlnu, aká prichádzala od 3D objektu. Objekt potom vidíme ako cez okienko, ktoré má rozmer hologramu. •

až na niekoľko špeciálnych prípadov sa dá pôvodná scéna, alebo objekt rekonštruovať aj z kúska hologramu

Každý bod osvetlenej scény/objektu pri zázname je bodovým zdrojom svetla, z ktorého sa šíri guľová svetelná vlna a môže zasiahnuť celé záznamové médium. Takým spôsobom sa môže dostať informácia z každého osvetleného miesta na každé miesto hologramu (obr. 3).

1

3 2

2 4

a) b) Obr. 3 – a) Objektová vlna 3 ako súbor guľových vĺn od bodových zdrojov na povrchu objektu 2 osvetleného vlnou 1 b) – Rekonštrukcia objektu z každej časti hologramu Čím viac je svetlo scénou/objektom rozptýlené, tým lepšie je informácia z každého bodu rozptýlená do každého miesta záznamového média. Len časť hologramu sa nedá použiť na rekonštrukciu vtedy, keď objekt nerozptyľuje svetlo pri zázname, keď ho len odráža od svojich lesklých plôšok. Rovnako nemôžeme použiť na rekonštrukciu len časť hologramu vtedy, keď sme pri zázname objekt zobrazovali šošovkou do roviny záznamového materiálu (dúhový hologram). •

na to isté záznamové prostredie môžeme urobiť viac záznamov, ktoré si pri rekonštrukcii nebudú prekážať

Záznam hologramu je záznamom interferenčnej štruktúry. Dá sa zrekonštruovať len vtedy, keď použijeme na rekonštrukciu svetelnú vlnu (obyčajne porovnávaciu) ktorá má voči 56

hologramu vhodnú orientáciu (rovnakú, ako pri zázname). Pri robení viacerých záznamov na to isté médium, sa jeho orientácia a tým aj orientácia voči porovnávacej vlne, postupne mení. Počet možných záznamov je samozrejme ohraničený stavom, keď by sa všetky štruktúry prekryli a nedali rozoznať. Pre úplnosť spomeňme, že na charakterizovanie vlastností hologramov poznáme aj ďalšie pojmy, ako rovinné, alebo objemové hologramy, hologramy rekonštruovateľné laserom, alebo bielym svetlom, Fourierove hologramy, atď. Hologram sa niekedy porovnáva aj so šošovkou. V obidvoch prípadoch vzniká obraz. Dá sa odvodiť aj rovnica, podobná zobrazovacej rovnici pre šošovku. Pri tej príležitosti sa môže aj pre hologram odvodiť „ohnisková vzdialenosť“. A na záver tejto časti ešte jedna zaujímavosť – na uskutočnenie rekonštrukcie hologramu nemusíme použiť tú istú vlnovú dĺžku svetla λ2, ako bola pri zázname λ1. Keď použijete väčšiu vlnovú dĺžku, λ2 > λ1, bude zrekonštruovaný 3D obraz objektu väčší. Práve to bola veľmi významná myšlienka Dennisa Gabora: „ ..... zaznamenať hologram v Röntgenovej oblasti (~1010m) a rekonštruovať ho vo viditeľnej oblasti (~10-7m), čím by sa dosiahlo veľké zväčšenie (~ λ2/λ1) bez použitia akéhokoľvek objektívu, ktorého vlastnosti sú obmedzené.... „ Niektoré aplikácie holografie Holografická pamäť Požiadavky na pamäte v dnešnej dobe rastú veľmi rýchlo. Optika a princíp holografického záznamu sa stali veľmi atraktívnymi z hľadiska budúcnosti uchovania dát, pretože je v ich možnostiach splniť rastúce požiadavky. Dáta, ktoré sa majú uložiť, reprezentuje dvojrozmerný obrazec vhodne sa striedajúcich „1“ a „0“, ktoré sú malými otvorenými a zavretými okienkami, t. j. prepúšťajú, alebo neprepúšťajú svetlo (obr. 4). Typická stránka obsahuje 1024 x 1024 bitov, pričom rozmer každého je okolo 15–20 μm. Pri holografickom zázname je informácia o každom dátovom bite rozložená na záznamovom médiu. Hustotu pamäte (bit/jednotku oblasti záznamového média) možno výrazne zvýšiť, keď zväčšíme hrúbku záznamového média a urobíme doň záznamy viacerých nezávislých dátových stránok. Pre taký prístup je zavedený pojem multiplexovanie. Ako sme už spomínali, úspešná rekonštrukcia každej dátovej stránky bude vyžadovať presnú orientáciu porovnávacej vlny voči hologramu, čo zamedzí rušenie inými dátovými stránkami. Pri zázname sa môžu využívať aj rôzne vlnové dĺžky, ktorých dodržanie bude ďalšou podmienkou pre úspešnú rekonštrukciu. Dodržanie všetkých podmienok pri rekonštrukcii je ešte prísnejšie, keď sa používa hrubšie záznamové médium. Pri zázname každej dátovej stránky sa môže meniť uhol dopadu porovnávacieho zväzku na záznamové médium, čo umožní zaznamenať do jedného média veľké množstvo dátových stránok. Holografická pamäť je veľmi vhodná predovšetkým na uloženie a vyhľadanie veľkých dátových súborov, ako napr. obrázky. Výhodou holografického záznamu je, že interferenčná štruktúra je trojrozmerná. Existuje v celej oblasti prekrytia porovnávacej a objektovej vlny, do ktorej vkladáme záznamové médium. Znamená to, že aj informácia o každom bite je rozložená v celom objeme záznamového materiálu, zaznamenané bity nie sú lokalizované presne na určitom mieste, takže prípadné defekty záznamového materiálu nebudú mať výrazný vplyv na kvalitu čítania informácie a nezničia záznam. 57

Optický procesor Je to vo všeobecnosti zariadenie, ktoré sa používa na spracovanie optických informácií, t. j. záznam, čítanie, rozpoznávanie. V základe je schéma usporiadania tohoto zariadenia rovnaká, ako usporiadanie pre záznam a rekonštrukciu hologramu. Je len vybavená pomocnými prvkami, ktoré umožňujú mnohonásobné záznamy do média a ich čítanie. Navyše, objektom je v tomto prípade vždy len 2D transparent jedničiek a núl a porovnávacia vlna je vždy rovinná. Zaujímavé je rozpoznávanie informácií, kde je úlohou zistiť, či sa v holografickej pamäti nachádza určitý záznam. Využíva sa tu rekonštrukcia hologramu objektovou vlnou hľadaného záznamu, nie porovnávacou vlnou. Ak použijeme na rekonštrukciu pamäte objektovú vlnu niektorého zo záznamov v pamäti, zrekonštruuje sa porovnávacia vlna, ktorá bola rovinná. Ak táto vlna prejde spojnou šošovkou, vytvorí v ohniskovej rovine šošovky intenzívne svietiaci bod, ktorý dokazuje, že v pamäti sa hľadaný záznam nachádza. Jednou z oblastí aplikácie môže byť napríklad identifikovanie odtlačkov prstov. Holografické optické prvky Holografia umožňuje aj jednoduchú výrobu rôznych optických prvkov, ako šošovky, mriežky, deliče. Výhodu tejto metódy vidieť jednoznačne napríklad na výrobe mriežky. Klasicky sa hustá štruktúra prúžkov mriežky robila špeciálnym rycím zariadením. Namiesto toho môžeme urobiť hologram rovinnej vlny s porovnávacou rovinnou vlnou, čo je interferencia dvoch rovinných vĺn, pri ktorej má interferenčný obraz tvar prúžkov maxím a miním intenzity svetla. Ich hustotu môžeme zvyšovať jednoducho zväčšovaním uhla medzi interferujúcimi vlnami. Okrem spektroskopie môžeme mriežku použiť aj ako delič, alebo usmerňovač svetelného zväzku.

1

7

4

6

2

4

4 1

6

2 4

3 5

7

5

4' 4

2 3

3'

H

a) b) Obr. 4 2D digitálne dáta

Obr. 5 Klasická (a) a holografická (b) interferometria

Holografická interferometria Interferometria je metóda, založená na interferencii svetla. Umožňuje určovať veľmi malé zmeny objektov, ktoré sú na úrovni rozmeru vlnovej dĺžky použitého svetla. Po žiadavkou je koherentný zdroj svetla a opticky opracované povrchy (drsnosť < λ/20) objektu a použitých optických prvkov.

58

Holografia vniesla do interferometrie niečo, dovtedy neuskutočniteľné – možnosť merať aj drsné povrchy, ktoré svetlo rozptyľujú. Okrem toho pridala „bonus“ – skúmať objekt aj bez jeho prítomnosti. Jednoduché vysvetlenie nájdeme v obr. 5, kde je základné experimentálne usporiadanie pri klasickej (a) a holografickej (b) interferometrii. V prípade klasickej interferometrie (a) sa svetelná vlna 1 (obyčajne rovinná) rozdelí na dve časti. Jedna 2 prechádza skúmaným objektom 3 (v našom prípade priehľadný) a druhá 4 prechádza bez akejkoľvek zmeny. Obidve vlny sú nasmerované deličmi 7 a zrkadlami 6 do rovnakého smeru tak, aby sa prekrývali. Obidve vlny sú koherentné a interferujú. Interferenciu pozorujeme napríklad v rovine 5. V každom mieste roviny pozorujeme intenzitu svetla, ktorej veľkosť závisí od toho, s akým fázovým rozdielom sa obidve vlny v tomto mieste stretli. Keď sa bude objekt meniť, bude sa meniť aj interferenčný obrázok a z jeho zmien môžeme určiť veľkosť zmien objektu. Samozrejme, bude to pravda len vtedy, keď budú zmeny vlny 2 v porovnaní s vlnou 4 vyvolané len meniacim sa objektom. To je dôvodom na vysokú optickú kvalitu všetkých prvkov a povrchov objektu. Zmeny objektu porovnávame s „ideálnou vlnou“. Pri holografickej interferometrii bude aspoň jedna z interferujúcich vĺn zrekonštruovaná z hologramu. Svetelnú vlnu 1 opäť rozdelíme na dve časti. Jedna sa rozptýli na objekte 3 (ukážka pre nepriehľadný objekt) a vytvorí objektovú vlnu 4 pre záznam hologramu. Druhá bude porovnávacou vlnou 5 pre záznam hologramu objektu v základnom stave. Zaznamenáme hologram, fotochemicky ho spracujeme a po vysušení vložíme na presne rovnaké miesto, na akom bol pri zázname. Pomocou porovnávacej vlny 5 sa zrekonštruuje objektová vlna objektu 4 v základnom stave. Keď sa bude skutočný objekt meniť, máme k dispozícii druhú objektovú vlnu 4´, ktorá bude interferovať so zrekonštruovanou vlnou 4. V tomto prípade neinterferuje objektová vlna s vlnou ideálnou, ale dve objektové vlny, ktoré sa líšia, pretože aj dva stavy objektu sú odlišné. Aj keby boli všetky prvky v zostave a povrchy objektu akokoľvek neideálne, nekvalitné, neprekáža to, lebo aj pri obidvoch stavoch objektu je tá „nekvalita“ rovnaká. Dve interferujúce vlny 4 a 4´ sa líšia len preto, že sa zmenil objekt. A prečo by sme mohli skúmať a vyhodnocovať interferogram aj bez prítomnosti objektu? Na jeden hologram môžeme naexponovať obidva stavy objektu a až potom ho spracovať. Pri rekonštrukcii sa zrekonštruujú obidve vlny, ktoré budú interferovať, hoci objekt už nemáme.

59

Záver Text príspevku bol spracovaný na základe doleuvedenej literatúry – odbornej, informačnej z Internetu a vlastných popularizačných prác autorky. Cieľom bolo priblížiť aspoň základné pojmy, či myšlienky, súvisiace s holografiou aj laickej verejnosti. Je zrejmé, že je to subjektívny výber autorky príspevku a široko dostupné zdroje, najmä na Internete poskytujú oveľa širší záber. Priala by som si, aby aj tento výber aspon čiastočne splnil cieľ príspevku.. Literatúra [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

[9]

Ludman, J., Caulfield, H. J., Riccobono, J.: „Hologoraphy for the new millenium“, Springer-Verlag New York, Inc. 2002, ISBN 0-387-95334-5. Miler, M. : Holografie, SNTL, Praha 1974. D. Gabor, "A new microscopic principle," Nature 161, pp. 777-778 (1948). Leith, E.N.; Upatnieks, J.: "Reconstructed wavefronts and communication theory". J. Opt. Soc. Am. 52 (10), (1962), pp. 1123–1130. Denisyuk, Y.N.: "On the reflection of optical properties of an object in a wave field of light scattered by it". Doklady Akademii Nauk SSSR 144 (6), (1962), pp. 1275–1278. S. A. Benton, J. Opt. Soc. Am. 59, 1545A (1969). Senderáková, D., „Tajomstvo hologramu“, v QUARK, 04/2009, str. 20-21. Senderáková, D., „Optika“, „Optics“, vo Vybrané kapitoly z prírodných vied pre študentov a učiteľov stredných škôl (editor Benko, J., UK Bratislava, 2008, ISBN 978-80223-2547-9), 679-712, 713-745. Senderáková, D., „Holografia – skutočne 3D obraz“, v „Jemná mechanika a optika“, 7– 8/2007.

Kontakt: RNDr. Dagmar Senderáková, CSc., Katedra experimentálnej fyziky (KEF), Fakulta matematiky, fyziky a informatiky (FMFI), Univerzita Komenského Bratislava (UK Bratislava), Mlynská dolina F2, SK-842 48 Bratislava [email protected], +421 2 60295391

60

Obrazové senzory Miloš KLÍMA Abstrakt: Přednáška přehledově popisuje oblast moderních obrazových senzorů a jejich nejdůležitějších aplikací.

V první části jsou uvedeny základní pojmy obrazové techniky a popsány hlavní fyzikální jevy a principy, které se uplatňují při snímání obrazu pevnofázovými obrazovými senzory – 2D snímací rastr obrazových bodů, planární barvodělící optika typu CFA (Color Filter Array), aliasing, kolorimetrie obrazových senzorů, proud za tmy, blooming, převodní charakteristika apod. Druhá část přednášky je věnována obrazovým senzorům typu CMOS a jejich vlastnostem. Je zde vysvětlen princip a dále jsou popsány používané konfigurace a základní vlastnosti. Zvláštní pozornost je věnována obrazovým senzorům CMOS s vysokým rozlišením. Samostatnou oblast obrazových senzorů CMOS tvoří senzory typu FOVEON, kde je barvodělící soustava vytvořena vertikální strukturou. Na konkrétních typech senzorů (Nikon, Canon) jsou dokumentovány jejich vlastnosti. Další část se týká obrazových senzorů typu CCD (Charge Coupled Device). Nejprve je vysvětlen samotný princip obvodů vázaných nábojem a uspořádání pixelu (obrazového bodu). Poté jsou popsány možné konfigurace transportních struktur a nakonec uspořádání obrazového snímače včetně konfigurace SuperCCD (Fujifilm). Rovněž je vysvětlen způsob extrakce videosignálu. Detailní vlastnosti senzorů CCD jsou poté opět doloženy konkrétními příklady (Nikon, Dalsa, Kodak). Aplikační část přednášky se týká dvou základních aplikačních oblastí videosenzorů – digitální fotografie a videokamery. Obě oblasti jsou prezentovány řadou příkladů moderních digitálních fotoaparátů a videokamer. Jsou uvedeny příklady světových výrobců digitálních fotoaparátů Nikon, Canon, Fujifilm, Olympus, Kodak, Hasselblad atd. a výrobců videokamer s vysokým rozlišením Arri, Hitachi, Ikegami, JVC, Panasonic, Sony a další. Poslední část přednášky uvádí dva příklady doplňkových prvků obrazových senzorů vláknově optickou destičku a mikrokanálkovou destičku (Microchannel Plate- MCP). Jsou vysvětleny principy a uvedeny základní parametry. V závěru jsou uvedeny očekávané směry budoucího vývoje obrazových senzorů např. snímání, systémy 3D s více základními barvami a další. Kontakt: Prof .Ing. Miloš Klíma, CSc, FEL–ČVUT, Technická 2, 16627 Praha 6. [email protected]

61

Dvacet let České a Slovenské společnosti pro fotoniku Miroslav JEDLIČKA Anotace: Článek obsahuje osobní vzpomínky iniciátora založení České a Slovenské společnosti pro fotoniku na okolnosti související s jejím vznikem, stručný přehled činnosti společnosti v období prvních dvaceti let jejího života a její vazby na mezinárodní organizace. 1. Kořeny Dne 23. května 2010 uplyne 20 let od chvíle, kdy byly na ministerstvu vnitra České republiky zaregistrovány stanovy občanského sdružení "Československá společnost pro fotoniku". Rád bych připomněl některé okolnosti, spojené s touto událostí, zejména vliv organizace IMEKO. IMEKO je zkratka pro mezinárodní organizaci pro měření „International Measurement Confederation“ a je odvozena z původního německého názvu Die Internationale Messtechnische Konföderation. Byla založena v r. 1958 a v současné době sdružuje 39 národních společností z celého světa. Při Generální radě - jejím vrcholném orgánu - je 24 technických komisí pro různé obory měření, její druhá technická komise TC 2 má nyní název Photonics [1]. Jejím prvním předsedou byl prof. Paul Görlich, objevitel antimono-cesiové fotokatody, která - aplikována v televizní snímací elektronce ikonoskop - umožnila zrychlené zavedení pravidelného televizního vysílání ve světě. Československý národní komitét IMEKO (ČNK IMEKO) byl založen brzy po založení této instituce především proto, že IMEKO vzniklo z iniciativy Maďarska, země náležející k tehdejšímu „socialistickému“ táboru a proto bylo třeba její mezinárodní pozici upevňovat. V rámci ČNK IMEKO vznikaly odborné technické komise, které měly návaznost na stejnojmenné technické komise Generální rady IMEKO. Tak také byla jmenována komise TC 2, která se zpočátku jmenovala Detektory fotonů a v osmdesátých létech byla přejmenována na Měření ve fotonice v souladu se změnami názvu příslušné komise při Generální radě. Stal jsem se jejím předsedou zřejmě v souvislosti s okolností, že jsem byl již od začátku 60. let členem mezinárodní komise TC 2 při Generální radě IMEKO. Do československé komise bylo povoláno asi 15 pracovníků z tehdejších výzkumných ústavů, vysokých škol a některých ústavů ČSAV. Prostředky pro běžnou činnost komise přicházely z Československé vědecko technické společnosti (ČSVTS). Komise se hlavně zajímala o obor, kde se stýkala elektronika s optikou a kterému se někdy začátkem sedmdesátých let začalo říkat fotonika. Šlo o obor, který byl v Československu poměrně dobře rozvinut, protože v letech 1945 až 1990 se v tomto státě zabývala výzkumem, vývojem a výrobou fotonických součástek a jejich aplikací řada pracovišť – ústavy Československé akademie věd, výzkumné ústavy a výrobní závody. Přijímače optického záření (detektory fotonů) využívající fotoelektrické emise byly vyvíjeny a vyráběny v podniku TESLA –VÚVET, kde byla dobře zvládnuta technologie výroby fotokatod Sb-Cs, Sb-Rb-Cs, Sb-Na-K a Sb-Na-K-Cs s aplikací ve fotoelektrických násobičích, televizních snímacích elektronkách a převáděčích rentgenového obrazu a zesilovačích jejich jasu.

62

Fotokonduktivní přijímače záření (fotoelektrické odpory) CdS, CdSe, PbS a InSb byly vyráběny v podniku TESLA – Blatná a včetně dalších druhů výzkumně sledovány na několika vysokoškolských a akademických pracovištích. Křemíkové a germaniové fotoelektrické diody vyráběla TESLA-Rožnov, v malých sériích pro speciální účely také TESLA-VÚVET. Generátory fotonů (světelnými zdroji) pro osvětlování a signalizaci spojenou s přenosem jednoduché informace ze zabývala TESLA Holešovice, která vyráběla mnoho typů tepelných zdrojů (žárovek), výbojových zdrojů (zářivek, doutnavek, rtuťových, halogenidových i sodíkových výbojek) a elektroluminiscenčních panelů. V oboru laserových zdrojů byly vyvinuty a vyráběny rubínové lasery, lasery helium neonové a lasery s náplní CO2 (TESLA VÚVET, Ústav přístrojové techniky ČSAV, METRA Blansko). TESLA Vrchlabí měla v náplni své výrobní činnosti také zobrazovací součástky využívající kapalné krystaly (LCD) a svítivé diody (LED), na kterých pracovala také TESLA VÚST. Obrazovky – zdroje fotonů pro reprodukci obrazů – černobílé i barevné byly produktem podniku TESLA Rožnov, kde se vyráběly v obrovském množství pro pokrytí domácích potřeb i pro vývoz. Převáděči obrazu z jednoho do jiného spektrálního oboru záření, zesilovači jasu obrazu a speciálními obrazovkami se zabývala TESLA VÚVET. Na několika pracovištích bylo vyvíjeno tažení optických vláken pro telekomunikační účely. TESLA VÚVET vyvinula destičky z optických vláken, využívané jako vstupní okénka různých fotonických měničů druhu optický obraz-elektrický signál. Stav po roce 1989 vedl - většinou z důvodů neschopnosti konkurovat trhu otevřenému na západ - k poměrně rychlému zhroucení výroby většiny těchto součástek, v podstatě se zachránily jen světelné zdroje a obrazovky [2]. Činnost československé komise TC 2 před r. 1989 spočívala kromě organizování různých odborných setkání také ve snaze o zavedení soustavného vzdělávání v oboru fotoniky na některé z vysokých škol. Pokoušela se také o sdružování sil a prostředků ve směru, který byl tehdy velkou slabinou a týkal se kalibrace absolutních měřičů světelných a zářivých veličin a jejich srovnávání na různých tehdejších pracovištích, zejména v laboratořích Československého metrologického ústavu v Bratislavě (ing.Juraj Žatkovič,CSc) a v podniku TESLA Holešovice (Josef Krtil). Zvlášť významné akce, které tato komise uspořádala a které umožnili kontakt československých odborníků s kolegy zejména ze západních zemí, bylo 4. symposium IMEKO o detektorech fotonů v Praze v r. 1969, stejnojmenné 8. symposium v. r. 1978 a také seminář o detektorech fotonů během světového kongresu IMEKO v r. 1985 v Praze. Koncem r. 1988 uspořádala komise prostřednictvím pobočky ČSVTS Československého metrologického ústavu v Bratislavě první odborné setkání s názvem FOTONIKA ´88 jako celostátní seminář, který svým způsobem navazoval na jednodenní semináře, pořádané v předchozích patnácti letech ve dvouletých intervalech pobočkou ČSVTS TESLA Holešovice k průběžnému posuzování stavu v oboru detektorů fotonů. Seminář se konal ve Vysokých Tatrách za účastí asi šedesáti zástupců různých pracovišť, kteří na závěr akce vypracovali usnesení adresované tehdejšímu federálnímu ministerstvu hutnického, strojírenského a elektrotechnického průmyslu a požadovali v něm rozhodná opatření pro zlepšení neuspokojivého stavu fotoniky v ČSSR [3].

63

Obr. 1 Návrh na rozsah fotoniky, předložený na 1. československém semináři o fotonice v r.1988. Jak tomu za socializmu obvykle bývalo, byla odezva tohoto orgánu nulová. Na semináři byl také diskutován rozsah soudobé fotoniky a vzájemné vazby jednotlivých jejích odvětví podle obr. 1 [4]. Navrhovaný souhrn jednotlivých odvětví odpovídal spíše na otázku, o co všechno by se mohla fotonika zajímat než na otázku co to vlastně fotonika je. A na to byly a jsou i dnes různé názory, které jsou shromážděny například v [5] a [6]. Problémem totiž bylo, že existovalo několik dalších názvů, jejichž propagátorům se zdálo, že by pro tento obor, nebo alespoň pro jeho část, mohly být také vhodné, například názvy: optoelektronika, elektrooptika, kvantová optika, kvantová elektronika, integrovaná optika, technologie optického vlnění a některé další. 2. Vznik společnosti Po politickém převratu 1989 mě napadlo řešit situaci v oboru československé fotoniky jinak, něž požadovat nějakou pomoc od ústředních státních orgánů. Byl jsem stále předsedou komise TC 2 "Měření ve fotonice" při ČSNK IMEKO a jakmile byl začátkem r. 1990 přijat zákon o občanských sdruženích, obrátil jsem se 1. února 1990 osobním dopisem na více než 150 českých a slovenských pracovníků v oboru fotoniky s návrhem na založení odborné fotonické společnosti. Dopis obsahoval také předběžné návrhy na poslání spolku a jeho uspořádání. Odezva na dopis byla velmi pozitivní, ke spolupráci se přihlásilo přes 60 zájemců. Rychle byl sestaven přípravný výbor, který vypracoval stanovy a na 12. červenec 1990 svolal do jedné posluchárny pražské FEL ČVUT ustavující valnou hromadu, která spolek založila a přijala jeho stanovy. Zvolila také činovníky statutárních orgánů společnosti, tj. předsedu, místopředsedu, členy výkonného výboru a dozorčí rady. V přijatých stanovách společnosti bylo uvedeno, že společnost sdružuje zájemce o všechny druhy vědecké, technické, hospodářské i jiné činnosti, spojené s projevem fyzikální částice foton a souhrnně nazvané fotonikou [7]. Fotonika tím neměla být definována jako všechno, co souvisí s projevem fotonu jako spíše to, že do sdružení mohou vstoupit všichni, kdo se o foton nějak zajímají. Pro nábor členů byly využity tehdejší soudobé akce: X. konference československých fyziků a 7. seminář o využití sluneční energie, kde byly vystaveny postery, informující o založení společnosti. Současně proběhla všechna nutná opatření pro legalizaci společnosti podle tehdejšího práva. Pro členy společnosti, kterých bylo na začátku 122, bylo zahájeno vydávání informačního bulletinu, jehož 1. číslo vyšlo v lednu 1991. Hned po vzniku společnosti proběhlo jednání o vstupu do vznikajícího Svazu československých vědecko technických společností (ČSVTS) ale nebylo úspěšné, protože vstupní finanční příspěvek byl nad tehdejší možnosti společnosti. 64

Členové prvních statutárních orgánů ČSSF v r. 1990 Výkonný výbor Ing. Antonín Abrahám, Ing. Juraj Doupovec, CSc, Ing. Miroslav Jedlička, CSc, Ing. Peter Kordoš, DrSc, doc. Ing. Emil Košťál, CSc, Ing. Jiří Král, Mgr. Maciej Kucharski, CSc, RNDr. Boleslav Věchet, CSc, Ing. Juraj Žatkovič, CSc. Dozorčí rada RNDr. Ján Bartl, CSc, Ing. Ludvík Bejček, CSc, RNDr Štěpán Kubín, CSc. Předseda Ing. Miroslav Jedlička, CSc Místopředseda Ing. Juraj Žatkovič, CSc

Ještě v r. 1990 bylo zahájeno jednání s nakladatelstvím Orbis Pictus, které chtělo ve spolupráci se společností zahájit vydávání čtvrtletníku „Journal of Photonics“. S jiným nakladatelstvím jsme vážně jednali o vydání publikace "Encyclopaedia Photonica"3. Původní záměry společnosti z doby bezprostředně po jejím založení se většinou nesplnily, protože věci se vyvíjeli jinak, než jsme si původně mysleli. V pozdější době, kdy se řada organizací začala rozpadat a v našich dvou státech se podstatně snížila průmyslová základna fotoniky, naše společnost přesto prokázala svou životaschopnost a užitečnost pořádáním konferencí a seminářů. V r. 1992 byla uspořádána první významnější akce nové společnosti - konference FOTONIKA 92 s mezinárodní účastí v Olomouci. Během ní se uskutečnila druhá valná hromada společnosti, která schválila vstup ČSSF do České vědecko-technické společnosti pro aplikovanou kybernetiku a informatiku (ČVTS AKI) jako kolektivní člen a jejímž prostřednictvím se tak stala i členem ČSVTS [8]. Schválila také vstup do Evropské optické

3. Tehdejší návrh osnovy publikace ENCYCLOPAEDIA PHOTONICA 4. Analysis of electromagnetic and photon radiation. 5. Light - description, properties. 6. Vision, photobiological information systems, information mechanism. 7. Sources of electromagnetic radiation and light. 8. Tunable and coherent semiconductor lasers. 9. Electro-optics. 10. Photon detectors, light modulators, optical signal and image transducers, LLL devices. 11. Optoelectronics. 12. Optical waveguides, bulk and thin film transmission and processing systems (optical amplifiers, photonic switchingdevices). 13. Optical information processing. 14. Optical neural networks, parallel optical memories, optical holographic memories. 15. Transmission and recording of image information. 16. HDTV and optical video recording. 17. Computer vision. 18. Solar energetics. 19. Photon metrology - radio and photometry.

65

společnosti (EOS) 4 [9] a delegovala do Advisory Committee EOS prof. P. Tománka. Po předcházející dohodě s Výkonným výborem ČSNK IMEKO rozhodla o tom, že vzhledem k předcházející historii a personální unii budou členové společnosti, kteří se přihlásí za členy ČNK IMEKO působit jako jeho komise TC 2 s názvem odpovídajícím příslušné komisi TC 2 při Generální radě IMEKO. Když se po necelých třech letech od založení společnosti rozpadla československá federace, vznikla na základě českého právního řádu nadnárodní „Česká a slovenská společnost pro fotoniku“ se sídlem v Praze a s nezměněnými stanovami, která je přístupná všem českým i slovenským občanům. Za měnících se ekonomických podmínek, v době nastupující privatizace a zmenšení průmyslová základny fotoniky v našich obou státech jsme se rozhodli věnovat se především pořádáním konferencí a seminářů, protože jsme to považovali za užitečné a umožňovalo nám to prokázat svou životaschopnost v době, kdy se řada organizací rozpadala. První z mezinárodního hlediska skutečně významnou konferenci jsme uspořádali v r. 1995 pod názvem PHOTONICS 95 v Praze. Okolnost, že byla spojena s výroční valnou hromadou Evropské optické společnosti, přispěla k propagaci ČSSF v mezinárodní a zejména evropské fotonické obci. Vedoucí činitelé EOS a ČSSF byli při této příležitosti přijati primátorem Prahy. Od roku 1994 jsme převzali pořádání tradiční každoroční konference "Optické komunikace", která vznikla v r. 1978 a bývala před r. 1989 organizována péčí Výzkumného ústavu sdělovací techniky A.S. Popova (TESLA-VÚST). Přenos informací na optických kmitočtech se totiž stal při rozvoji sdělovacích technik samozřejmostí a optické kabely se stávaly nejpoužívanějším přenosovým médiem. V r. 1998 byla pro členy společnosti vypsána soutěž o logo společnosti. Zvítězil návrh doc. RNDr. Miroslava Milera, DrSc., který je v barevné verzi na obr. 2.

4

European Optical Society ( E.O.S.) Do roku 1984 byla optika v Evropě representována Evropským optickým komitétem. V posledním roce svého života byl tento komitét spíše jen symbolem. Proto se v r.1984 rozhodlo o připojení komitétu k Evropské fyzikální společnosti a o vytvoření Optické divize což mělo poskytnout lepší rámec pro aktivity v optice. Nesnáze však pokračovaly: nebyly prostředky pro organizování akcí, byly problémy s přílišnou heterogenitou evropské optické obce a v Evropě značně zvýšila svou aktivitu a vliv SPIE. V r.1986 se evropské národní společnosti rozhodly založit evropskou federaci pro aplikovanou optiku s názvem Europtica. Oficiální registrace byla v Paříži v r.1989. V prosinci 1986 byla mezi Evropskou fyzikální společností, Eurooptikou a SPIE uzavřena dohoda, že tyto organizace nebudou v Evropě pořádat víc než jednu velkou akci z oboru optiky ročně. Tato dohoda byla uzavřena před zahájením pořádání známých konferencí ECO, které byly organizovány francouzskou agenturou Europtica Service International Communication (E.S.I.C.) Tyto konference nebyly příliš úspěšné‚ především proto, že byly obrovské. Bylo zřejmé‚že Evropané preferují menší a specificky zaměřené akce, kde si mezi sebou mohou volně vyměňovat názory a nápady. Byly to právě tyto konference ukázaly cestu kudy dál. Z iniciativy Optické divize Evropské fyzikální společnosti byla proto po dohodě s Europtikou založena Evropská optická společnost 12. 3. 1991 na zasedání ECO 4 v Haagu.

66

Obr. 2. Logo ČSSF Černobílá verze loga má český text. Loga obsahují symbol fotonu hν, který tvoří součin Planckovy konstanty h a kmitočtu záření ν. V barevném provedení je symbol podložen barvami spektra světla. Přibližně ve stejné době jsme také zahájili vydávání publikace Kdo je kdo v české a slovenské fotonice, která měla zpřístupnit údaje o významných lidech v oboru. Brzy jsme však museli od tohoto záměru upustit, protože termín Kdo je kdo si mezitím registroval jiný vydavatel. ČSSF začala v r. 2002 udělovat pravidelně při každé konferenci Photonics Prague finanční cenu pro mladé české a slovenské vědce ve věku do 35 let za prezentaci nejlepší práce na této konferenci. Práce hodnotí speciální komise, která se skládá z významných odborníků, přítomných na konferenci. V r. 2006 byla při ČSSF založena sekce s názvem „Forum FTTX“ jako profesní sdružení členů společnosti i dalších institucí a nezávislých odborníků k napomáhání rozvoji přístupových optických sítí. Členové ČSSF se výrazně podíleli i na organizaci kongresů SPIE Optics and Optoelectronics“ v roce 2007 a 2009 v Praze. (SPIE je mezinárodní společnost založená r. 1955 v USA pro podporování pokroku v technologiích, založených na světle. Zkratka je odvozena od původního názvu Society of Photographic Instrumentation Engineers [10].) 3. Činnost . Stručný přehled našich aktivit od r. 1992 do dnešních dnů zahrnuje celkem 25 akcí: • 7 mezinárodních konferencí PHOTONICS PRAGUE (1992 - 2008) • XV. česko-polsko-slovenskou konferenci o optice (2006) • 18. symposium IMEKO TC 2 „Photonics in Mesurements“ (2008) • 13 celostátních konferencí o optických komunikacích (1994 - 2009) • Semináře „Fluktuace záření“ (1992), „Výuka a aplikace fotoniky“ (1993), „Metrologie v optických komunikacích“ (1997), „Optonika“ (2010). 4. Mezinárodní spolupráce Mezinárodní činnost je orientována především na Evropskou optickou společnost (EOS), sdružující 21 národních společností. ČSSF je jejím významným členem, zorganizovala Valnou výroční hromadu EOS v roce 1995, zástupce ČSSF byl do r. 2009 několik let předsedou důležitého Vědeckého poradního výboru a členem Výkonného výboru EOS. ČSSF spolupracuje také Mezinárodní společnost pro optiku a fotoniku (SPIE) zejména spolupráce při organizaci kongresů. Další mezinárodní institucí, s níž je činnost ČSSF spojena je Mezinárodní konfederace pro měření (IMEKO). ČSSF je řadou svých členů spojena se subkomisí TC-2 „Měření ve fotonice“ Českého národního komitétu IMEKO. 67

ČSSF má také vazbu na Mezinárodní komis pro optiku (ICO) [11]. Několik členů výkonného výboru ČSSF bývá pravidelně zvoleno do Českého komitétu ICO. 5. Závěr Vzhledem k minulému postupnému zanikání činnosti v oboru výzkumu a průmyslové výroby fotonických měničů na území bývalého Československa a jeho následnických států se společnost v období 20 let svého života orientovala především na pořádání odborných konferencí. Zdá se, že si v tom počínala úspěšně, což je předpokladem i pro neméně úspěšnou budoucnost v 21. století, které se někdy také označuje jako století fotonu. Literatura [1] www.imeko.org [2] Kubát, M.: Strategické problémy české elektroniky. Ve sborníku „ Studie o technice v českých zemích 7“, Sborník NTM č. 32, Encyklopedický dům Praha (2003), str. 812 – 815. [3] Jedlička, M.: Fotonika 88´. Jemná mechanika a optika 34 (1989), č.2, str. 63. [4] Jedlička, M.: Fotonika jako věda i nástroj. Sborník „Fotonika ´88“ . Stará Lesná: ČSVTS Bratislava 1988, str. 7 - 11. [5] Jedlička, M.: Fotonika a její historie v Československu. Ve sborníku „ Z dějin rozhlasu, televize a filmu 3“. Praha: Národní technické museum 2007, str. 21-36. [6] Jedlička, M.: Světlo a fotonika – 1.část. Světlo 8 (2005), č. 3, str. 41- 43. [7] Stanovy ČSSF. www.photon-czsk.org [8] www.csvts.cz/cvtsaki/ [9] www.myeos.org [10] www.spie.org [11] www.ico-optics.org Kontakt: Ing. Miroslav Jedlička, CSc, Česká a Slovenská společnost pro fotoniku. 160 00 Praha 6, Jemenská 581, [email protected],

68