| by Zdzisław Jankiewicz | No comments

Cywilizacyjne zastosowania techniki laserowej

Jestem winien wyjaśnienie tej trochę przesadnej, jak może się wydawać, nazwy opisowego wprowadzenia i całej tej części strony. Rozpoczynając jakikolwiek wykład dotyczący techniki laserowej, a także przy innych okazjach, gdy o laserach opowiadam, prezentuję zdjęcie Th. Maimana, twórcy pierwszego lasera wraz z jego dziełem laserem rubinowym. Zdjęcie to jest dziwne. Laser (małe, niezakryte urządzenie) pokazane jest na tle twarzy jego twórcy. Jak głosiła plotka (sam tego nie przeczytałem w źródłowej literaturze, ale słyszałem), że fotograf nie chciał zrobić zdjęcia samego urządzenia, bo wyglądało zbyt niepozornie, mało skomplikowanie, jednym słowem było niefotogeniczne. Dodaję przy tej okazji, że wygląda ono (to urządzenie) prymitywnie. Robię to celowo.

W rzeczy samej włożenie kawałka pręcika rubinowego do wnętrza spiralnej lampy fotograficznego flesza nie robi wrażenia epokowego odkrycia. Rozumiem fotografa. A jednak to było odkrycie epokowe. Bardzo szybko lasery udowodniły swoją przydatność w wielu zastosowaniach, a ja zamierzam państwo przekonywać, że niektóre z tych zastosowań mają znaczenie cywilizacyjne.

Optoelektronika, lasery (ich odkrycie) wpisują się w ciąg przeszło stuletniego rozwoju elektroniki. Jego początek wyznaczyło odkrycie przez Josepha J. Thomsona w 1897 r. elektronu (Nagroda Nobla w 1906). Dziś rozwój elektroniki osiągnął taki poziom, że bez elektryczności (włączę w to także elektronikę) nie wyobrażamy sobie egzystencji. Leon Lederman w swojej książce „Boska cząstka” o odkryciu elektronu napisał: Na tym maleństwie spoczywa cały gmach współczesnej technologii.  Widzimy jak wiele miał racji. 

Inny popularyzator nauki, choć znany fizyk teoretyk i również laureat nagrody Nobla –  Michio Kaku, – wprowadza w swoich książkach1 pojęcie Technologicznej Osobliwości – (TO). Są to odkrycia naukowe zmieniające zasadniczo kierunek rozwoju naszej cywilizacji. Wyznaczają jej nowe trendy i perspektywy. Można im przypisać szczególne cechy:

  • Niezbędność – bez nich niemożliwy jest dalszy rozwój nauki, techniki i gospodarki; 
  • Nie zastępowalność – brak jest innych metod, innych technik, które mogłyby zadania ich przejąć i realizować. 

Mam nadzieję, że przyznana mi będzie racja, gdy powiem, że odkrycie elektronu spełnia z nadmiarem cechy KO. Bez elektryczności i elektroniki nasza, współczesna cywilizacje istnieć już nie może.

            Jestem przekonany i zamierzam przekonywać o tym państwo, że szereg zastosować optoelektroniki (laserów) spełnia również kryteria KO. To dlatego uważam, że lasery kształtują przyszłość naszej cywilizacji, i nie może już ona bez tej techniki dalej skutecznie się rozwijać.

Jako bezsporny przykład takiego zastosowania optoelektroniki uważam światłowodową telekomunikację. U podstaw tego zastosowania leży budowa lasera półprzewodnikowego2światłowodu3. Oczywiście mamy więcej sposobów przekazywania informacji włącznie z powszechnie obecnie stosowanymi sieciami łączności komórkowej, oraz radiowymi sieciami satelitarnymi. Czy są one w stanie zastąpić w stu procentach sieci światłowodowe, to wątpię. Na pewno nie w udostępnieniu szerokopasmowego Internetu. Również mało stratne, wielokanałowe (DWDM), dalekosiężne łącza światłowodowe nie są w pełni do zastąpienia przez łącza radiowe. Telekomunikacja światłowodowa niewątpliwie spełnia kryteria KO. Spróbujemy utworzyć listę takich, już zrealizowanych zastosowań: 

  1. Telekomunikacja światłowodowa – uzasadnienie dane powyżej.
  2. Wykrywanie i rejestracja fal grawitacyjnych –zestawy LIGO, oparte o interferometr laserowy Michelsona, budowane przez przeszło 40 lat, wykryły po raz pierwszy zburzenia czasoprzestrzeni w 2016 r. (Nagroda Nobla 2018). Planowane są dalsze, bardziej zaawansowane układy w tym umieszczone w kosmosie.
  3. Wzorce czasu i długości w postaci generatorów mikrofalowych, zapewniające obecnie stabilność na poziomie 10-15 dzięki użyciu w nich laserów. Wykorzystanie generatorów optycznych (laserów) jako wzorców pozwoli osiągnąć stabilność 10-18. Nie ma innych metod budowy tak stabilnych zegarów wzorcowych.
  4. Pomiary odległości do satelitów i księżyca mają ogromne znaczenie dla nauki i praktyki. Satelity laserowe stanowią stabilny punkt odniesienia dla triangulacji międzykontynentalnej. To jedyna tak prosta metoda śledzenia przemieszczeń płyt tektonicznych i kontynentów na Ziemi. Odległość  do księżyca mierzona jest obecnie z niepewnością pojedynczych centymetrów, a planowane jest jej obniżenie nawet o dwa rzędy wielkości. Nie istnieją inne metody realizacji takich pomiarów.
  5. Optyczna telekomunikacja kosmiczna rozwijana obecnie bardzo intensywnie pozwowi skuteczniej penetrować ludzkości dalsze rejony kosmosu. Stosowana obecnie łączność w pasmie mikrofal stwarza ograniczenia zarówno co do ilości przesyłanej informacji jak i zasięgu łączy.
  6. Holografia optyczna realizująca pełny („holo”) zapis obrazu obiektu wymaga zastosowania koherentnego źródła światła, a więc lasera. Tak zapisany obraz przy odtworzeniu widziany jest jako przestrzenny lecz nie to jest najważniejsze. Technika ta ma szerokie zastosowanie w technice: interferometrii holograficznej, kodowaniu przy gromadzeniu i przesyłaniu informacji itp.   

Takich, już zrealizowanych obszarów zastosowań pewno można by poszukać i wymienić więcej. Istnieje wiele, które są potrzebna oraz oczekiwane i na realizację oczekuje. Wśród nich jest od dawna badana kontrolowanlaserowa synteza (fuzja) termojądrowa. Jako jedna z pierwszych znalazła się ona wśród możliwych dokonań laserów.  Niestety w tym jedynym przypadku lasery nie spełniły pokładanych w nich nadziei. Inne spośród oczekiwanych wydają się być bardziej realne: komputery optyczne, napęd fotonowy (laser żagiel), przesyłanie  energii w przestrzeni kosmicznej i inne.

O niektórych z tych zastosowań w tym dziale zamieściłem prelekcje. O innych być może uda mi się jeszcze zgromadzić odpowiedni materiał i opowiedzieć. Uważam za właściwe pisanie na ten temat. Powszechnie wyrażany pogląd, iż technika laserowa jest synonimem nowoczesności i postępu XXI wieku znajdować przez to będzie uzasadnienie.


  1. Jest ich wiele, że wspomnę tylko: 1. Hiperprzestrzeń; 2.  Fizyka rzeczy niemożliwych;  3. Jak nauka zmieni świat za 50 lat.
  2. R. N. Hall,  et al. „Coherent Light Emission From GaAs Junctions”, Phys. Rev. Lett., 9, 366-368 (1962)
  3. Charles K. Kao, 2009 –  Nagroda Nobla „za odkrycie sposobu transmisji światła przez włókna optyczne”