| by Zdzisław Jankiewicz | No comments

Lasery a rozwój współczesnej cywilizacji

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). W trakcie lektury niezwykle ciekawej książki Leona Ledermana „Boska cząstka” natknąłem się na następujące zdanie charakteryzujące znaczenie tego odkrycia: 

>> Na tym maleństwie spoczywa cały gmach współczesnej technologii <<

Rzeczywiście, chyba nie można dziś sobie wyobrazić naszej egzystencji, naszej cywilizacji bez tego odkrycia. Elektronika i jej wszechstronne zastosowania odgrywają zbyt znaczącą rolę nie tylko w nauce i gospodarce, ale także życiu codziennym człowieka. Do tego dochodzi telekomunikacja (telefon, radio, telewizja), a obecnie także komputery, Internet itd. itd.

Michio Kaku (fizyk, Noblista – futurolog) w swoich licznych. opublikowanych w wielu krajach na świecie, książkach popularyzujących zdobycze nauk fizycznych (Hipercząstka, Fizyka rzeczy niemożliwych itp.) wprowadza pojęcie „Technologicznej Osobliwości – (TO)”.

Należą do nich odkrycia tak ważne, że zmieniają zasadniczo kierunki rozwoju nauki, technologii i przemysłu. Zmieniają podstawy naszej cywilizacji. Wyznaczają nowe jej perspektywy.  

Wynalazkom, o których mowa, można nadać następujące 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.

Niewątpliwie elektronika te cechy ma i spełnia warunki „TO – technologicznej osobliwości”. Nie na darmo zyskała miano dziedziny stulecia:

>> Wiek XX nazywany jest dziś „wiekiem elektroniki. <<

Obecnie wielu specjalistów zajmujących się szeroko rozumianą optoelektroniką lub wymiennie nazywaną fotoniką, upatrują w niej cechy „TO – technologicznej osobliwości”.

Pojawienie się i rozwój optoelektroniki (będę raczej używał tej nazwy) rozpoczyna się w momencie zbudowania pierwszego LASERA – tak nazwano generator promieniowania zakresu optycznego. Za datę wynalezienia lasera uznaje się dzień 4 lipca 1960, tj. datę ukazania się publikacji Th. Maimana1, donoszącego o uruchomieniu pierwszego kwantowego generatora światła. Była to jednocześnie realizacja idei A. Einsteina – budowa wzmacniacza kwantowego wykorzystującego efekt emisji wymuszonej2 w zakresie optycznym. 

W zakresie mikrofalowym generator kwantowy był zbudowany wcześniej (pierwszy MASER został skonstruowany przez Ch. Townesa w 1954 r.), lecz dopiero wtedy okazało się, że idea emisji wymuszonej jest „wyjątkowym darem przyrody” ale wyłącznie dla zakresu optycznego. Było to na dodatek o niezwykle ważne. W tym obszarze widma nie znano innych metod generacji promieniowania elektromagnetycznego i dotychczas generatorów monochromatycznych fal optycznych nie było.

Budowa laserów okazała się stosunkowo łatwa. Wkrótce w innych ośrodkach uruchomiono rubinowy laser Maimana. Ponadto pokazano możliwość uzyskania emisji z innych ośrodków np. gazowych. 

W pierwszych pięciu latach po publikacji Th. Maimana (lata 1960 -1965) pojawiły się lasery na ważniejszych, do dziś wykorzystywanych osnowach, z laserem półprzewodnikowym włącznie. W 1964 r., a więc już po uruchomieniu lasera, twórcy pierwszych wzmacniaczy kwantowych Charles Townes, Nikołaj Basow i Aleksander Prochorow wyróżnieni zostali nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.  

Każda nowa idea, nowe odkrycie jest tyle warte, ile jest ona użyteczna w praktycznej działalności człowieka. Wizjoner techniki laserowej Gordon Gold (to on po raz pierwszy użył nazwy LASER) w początkowym okresie prac nad generatorami światła napisał: 

>> Lasery będą tym dla optyki, czym tranzystory są dla elektroniki <<.

Pomylił się. Stały się czymś więcej. Lasery spowodowały powstanie nowego (na styku optyki i elektroniki) kierunku nauki i techniki:  OPTOELEKTRONIKI (FOTONIKI). 

Fotonika (Optoelektronika), jeżeli chodzi o jej rangę, porównywana jest często z elektroniką. Uważa się, że podobnie do miana wieku XX,

>> Wiek XXI nazwany zostanie wiekiem fotoniki <<

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 półprzewodnikowego3 i światłowodu4. Oczywiście mamy więcej sposobów przekazywania informacji włącznie z powszechnie obecnie stosowanymi sieciami łączności komórkowej, oraz mikrofalowymi sieciami satelitarnymi. Czy są one w stanie zastąpić w stu procentach sieci światłowodowe? Wątpię w to. Na pewno nie byłyby w stanie udostępnić, tak jak sieć światłowodowa, 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, moim zdaniem, 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 innych, które są potrzebna oraz oczekują na realizację.  Wśród nich jest od dawna badana kontrolowana laserowa synteza (fuzja) termojądrowa. Jako jedna z pierwszych znalazła się ona wśród możliwych dokonań za pomocą 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 statków kosmicznych (laser – żagiel), przesyłanie energii w przestrzeni kosmicznej i inne. 

Autor prezentowanego tu materiału uważa się za „szczęściarza”. Tak się bowiem szczęśliwie złożyło, że na początku mojej drogi aktywności zawodowej pojawił się ten ważny wynalazek oraz miałem to szczęście, że nie tylko uczestniczyłem czynnie w początkowych pracach nad mikrofalowymi i optycznymi wzmacniaczami i generatorami kwantowymi, ale należałem do zespołu, który opracował i uruchomił pierwsze w kraju Masery i Lasery. Uznaję także za szczęśliwy traf, że udało mi się trwać przy tej tematyce do dnia dzisiejszego. 

Dziś czynię Państwu pewne wyznanie. Mimo zaawansowanego wieku, staram się śledzić rozwój optoelektroniki, a w szczególności te jej zastosowania, które wskazują na to, że laser jest wynalazkiem spełniającym kryterium (TO) – „Technologicznej Osobliwości”. Już dziś mam i przedstawiam tu Państwu zastosowania laserów będące kandydatami do tej listy. Sukcesywnie będę starał się umieszczać w tym miejscu zdobyte o nich informacje.     

O niektórych z tych zastosowań w tym dziale już 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.

Gdyby udało mi się Państwa zainteresować tą tematyką, chętnie służę dyskusją nad nimi w dowolnym czasie i miejscu.

  1. Th. Maiman „Stimulated Optical Radiation in Ruby” Nature, 187, 4736, pp. 493 – 494 (1960) 
  2. Einstein A., „On the quantum theory of radiation”, Phys. Z. p. 121 (1917)
  3. R. N. Hall,  et al. „Coherent Light Emission From GaAs Junctions”, Phys. Rev. Lett., 9, 366-368 (1962)
  4. Charles K. Kao, 2009 –  Nagroda Nobla „za odkrycie sposobu transmisji światła przez włókna optyczne”

Dodaj komentarz