Światło w polskich badaniach

Rola technologii związanych ze światłem w codziennym życiu jest nie do przecenienia. Z dobrodziejstw fotoniki i optoelektroniki korzystamy, kiedy rozmawiamy przez współczesny telefon, używamy laptopa, szkolnej tablicy cyfrowej, kamery... O sukcesach naszych badaczy, które wiążą się z tą dziedziną wiedzy i niszach rynkowych zagospodarowanych przez polskie innowacyjne firmy mówi w rozmowie z PAP prof. dr hab. Tomasz Woliński, kierownik Zakładu Optyki i Fotoniki Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej i prezes Polskiego Stowarzyszenia Fotonicznego. Badacz koordynuje z ramienia UNESCO obchody Międzynarodowego Roku Światła w Polsce.

Jak przypomina prof. Woliński, równo 1000 lat temu arabski uczony Ibn al-Haytham opublikował swoje pierwsze prace nt. optyki. W tym roku mija też 200 lat od ogłoszenia prac Augustina-Jeana Fresnela, który pierwszy stwierdził, że światło może zachowywać się jak fala, a nie jak zbiór cząstek. Cztery równania Jamesa Clerka Maxwella, które ujednoliciły teorię elektryczności i magnetyzmu w teorię elektromagnetyzmu powstały w 1865 r., czyli 150 lat temu. Teoria Maxwella stała się podstawą współczesnej nauki o promieniowaniu elektromagnetycznym, jak również optyki falowej.

Kolejna rocznica to 100 lat ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, który wyjaśnił wiele zjawisk związanych z oddziaływaniem grawitacji i światła, odkrył czarne dziury, grawitacyjne zakrzywienie toru promieni słonecznych, wytłumaczył, dlaczego zegary spowalniają swój bieg w pobliżu źródła grawitacji. Współczesna fotonika narodziła się 50 lat temu, kiedy Charles Kao (noblista z 2009 r.) zaproponował użycie niskostratnych światłowodów do przesyłania informacji zakodowanej w torze optycznym na olbrzymie odległości, tworząc podwaliny telekomunikacji światłowodowej. W zeszłym roku nagrodę Nobla dostali twórcy niebieskich diod. Wszystkie te rocznice spowodowały, że rok 2015 został ogłoszony przez UNESCO Międzynarodowym Rokiem Światła.

Chemicy z Uniwersytecie Marii Curie-Skłodowskiej (UMCS) w Lublinie dołączyli 40 lat temu do elitarnego klubu wytwarzającego światłowody, a w 1979 r. uruchomiono w Lublinie pierwszą linię światłowodową dla telekomunikacji. Polska była wówczas - obok USA, Wielkiej Brytanii, Francji i Japonii - piątym krajem, który wprowadził taką innowację.

 – W Polsce produkuje się obecnie światłowody specjalne, które można zastosować do nowych układów i urządzeń światłowodowych. Wytwarza je Zespół Technologii Światłowodowej przy UMCS, grupa światłowodowa w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) w Warszawie i zespół przy Politechnice Białostockiej, który przez lata był związany z hutą szkła Białystok. Są to m.in. mikrostrukturalne światłowody fotoniczne z dziurkami (w przekroju przypominają plaster miodu) wytwarzane zarówno z tradycyjnej krzemionki, polimerów, jak i ze szkieł wieloskładnikowych. Technologie te różnią się z uwagi na właściwości światłowodów i ich zastosowania – wylicza prof. Woliński.

To, jak zaznacza profesor, osiągnięcia, z których Polska jest znana w środowisku naukowym. Światłowody najnowszej generacji pojawiły się na świecie po koniec XX wieku i nadal są wytwarzane w niewielu ośrodkach, w Polsce aż w dwóch – w ITME i w Lublinie. Technologie te stosuje i rozwija kilka grup badawczych w kraju, również na Politechnice Warszawskiej.

 – Światłowody fotoniczne mogą być wykorzystywane jako układy czujnikowe, do przetwarzania informacji, do generacji tzw. supercontinuum, czyli bardzo dobrej jakości światła białego, a w przyszłości również do transportu informacji. Na razie są do tego za drogie, bo koszt ich wytwarzania jest bardzo duży w stosunku do światłowodów telekomunikacyjnych – wyjaśnia prof. Woliński.

Kolejna specjalność Polski to detektory podczerwieni. Zajmuje się tym firma badawczo-rozwojowa Vigo System, spin-off założony przez prof. Józefa Piotrowskiego, a obecnie kierowany przez jego syna. Specjaliści Vigo opanowali sposób wytwarzania detektorów, które według prof. Wolińskiego należą do najlepszych na świecie. Jak podkreśla rozmówca PAP, jeden z nich został zainstalowany w amerykańskim pojeździe marsjańskim Curiosity. Jest to wizytówka polskiej fotoniki.

 – Polska może też pochwalić się technologiami ciekłych kryształów dla fotoniki, rozwijanymi m.in. przez chemików z Wojskowej Akademii Technicznej. Wszystko zaczęło się ponad 30 lat temu, wówczas pojawił się plan, żeby wytworzyć płaskie ekrany ciekłokrystaliczne. Kiedyś sądzono, że to mrzonka, żeby telewizor można było powiesić na ścianie, w tej chwili jest to już norma. Obecnie powstaje wiele takich urządzeń jak np. nowej generacji wyświetlacze czy projektory, które bazują na ciekłokrystalicznych przestrzennych modulatorach światła. A wszystko dzięki temu, że coraz lepiej znamy szczególne właściwości optyczne kryształów ciekłych. Podstawy fizyczne, chemiczne i optyczne tej wiedzy były wypracowane w wielu ośrodkach europejskich, w tym również w Polsce – mówi prof. Woliński.

Zespół prof. Wolińskiego na Politechnice Warszawskiej jest liderem w dziedzinie wypełniania mikrootworków w światłowodach fotonicznych ciekłymi kryształami. Badania w tej dziedzinie prowadzone są od ponad 10 lat. „Mamy światłowód fotoniczny wypełniony ciekłym kryształem i oddziaływując na niego z zewnątrz możemy modulować i dynamicznie zmieniać właściwości samego światłowodu, co przy sterowaniu sygnałem optycznym jest niezmiernie ważne. Takimi badaniami zajmujemy się w mojej grupie na Wydziale Fizyki PW” - wyjaśnia szef grupy badawczej.

 – Polska ma duży potencjał w zakresie technologii dla fotoniki. Warto podkreślić, że jest to dziedzina, na którą nie potrzeba specjalnych nakładów, jak na inne gałęzie tradycyjnego przemysłu. Nowe produkty szybko wchodzą na rynek. Fotonika współgra z mikro- i nanoelektroniką, wchodzi też ostro w nauki medyczne, oferując nieinwazyjne metody obrazowania pacjentów czy diagnostyczne układy tomograficzno-optyczne – wylicza profesor.

Są jeszcze technologie z pogranicza fotoniki i elektroniki, które powstały w firmach TopGaN i Ammono i wykorzystują kryształy azotku galu dla niebieskiej fotoniki. Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Japończycy - twórcy niebieskiej diody LED, którzy korzystają z polskich kryształów azotku galu.

W Polsce działa obecnie kilkadziesiąt firm i ośrodków badawczych prowadzących badania i wdrożenia w zakresie optoelektroniki i fotoniki. Większość z nich łączy Polska Platforma Technologiczna Fotoniki. Patronem i koordynatorem Platformy jest PCO (Przemysłowe Centrum Optyki), które pracuje głównie dla wojska i przemysłu zbrojeniowego. Grupa jednoczy działania na rzecz wdrożeń i transferu wyników badań do gospodarki. Fotonika jest od pięciu lat jednym z priorytetów unijnych. Misją Polskiej Platformy Technologicznej Fotoniki jest rozwój fotoniki nie tylko w zakresie badań, ale również wytwarzania produktów i wprowadzania na rynek urządzeń innowacyjnych w celu szerszego wykorzystania nowoczesnych technologii opartych na świetle w Polsce.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl