Fotonai vietoj elektronų

Laser 2001 – World of Photonics. Taip nuo šiol vadinsis jau 30 metų Miunchene vykstanti lazerių mugė. Tai visiškai atitinka realią situaciją, nes didžiausios lazerinės technikos vystymosi galimybės atsiras būtent tada, kai ji priartės prie elektronikos.

Terminu „fotonika” apibūdinami visi pritaikymai, generuojant, apdorojant, saugant, stiprinant ar perduodant optinius signalus. Šiuo atveju apibrėžimas vienas su vienu atitinka elektronikos definicijos skirtumą, kai vietoj elektronų naudojami fotonai.

Bet fotonikos termino išskyrimas nereiškia, kad pramoniniai lazerinės technologijos pritaikymai nustumiami šešėlin. Šviesa yra universalus įrankis, todėl jos pritaikymo sritys aprėpia viską – nuo kompaktinių plokštelių grotuvų ir skenerių iki lazerinių gręžimo ir pjovimo staklių. Tarp jų rasime daugybę pritaikymų matavimo technikoje, medicinoje ar mene.

Šiemet pasaulinė lazerių rinka turėtų siekti 1 mlrd. dolerių ribą. 1999 m. ji buvo perpus mažesnė. Dviženkliai skaičiai, apibūdinantys augimą, papildo šį optimistinį vaizdą. Net ir šiemet, kai daugelyje aukštosios technologijos pramonės sektorių stebimas tam tikras sąstingis, lazerinės technikos sektoriuje tikimasi 36 proc. dydžio prieaugio.

Jeigu iš arčiau pažiūrėsime, kas sudaro šios rinkos apimtis, aptiksime porą joje dominuojančių gaminių: puslaidininkiniai lazeriniai diodai, kurie yra svarbiausi CD grotuvų komponentai, užima ¾ pasaulinės lazerių rinkos. Likusią rinkos dalį užima kitos komercinės lazerinės sistemos, tokios kaip: kietakūniai lazeriai (pavyzdžiui, Nd:YAG), dujų lazeriai (CO2, eksimerai, argonas) ir dažų lazeriai. Didžiausia lazerinių diodų dalis naudojama optiniame ryšyje: net 58 proc. šių pritaikymų tenka puslaidininkiniams lazeriams.

Į lazerių mugės atidarymą buvo pakviesti du korifėjai: MIT profesorius Erichas Ippenas ir kompanijos Jenaoptics prezidentas Lotharas Spaaethas. Abu pažvelgė į ateitį. Ippenas kalbėjo apie naują fotonikos pritaikymą, o Spaethas atkreipė dėmesį į kitas dar neišnaudotas lazerinės technikos galimybes.

Profesorius Ippenas sulaukė savo darbų pasaulinio pripažinimo itin sparčių lazerių kūrimo srityje. Tai ne vien mokslinių tyrimų sritis; itin spartūs lazeriai nemažai kur konkrečiai pritaikomi, pavyzdžiui, realaus laiko trimatėje kompiuterinėje tomografijoje. Kitas pavyzdys gali būti „femtosekundinis medžiagų apdorojimas” bei fotoniniai A/D keitikliai. Šiandien pačių trumpiausių impulsų trukmė yra kiek mažesnė nei 5 femtosekundės (10-15 s). Tą trukmę atitinkanti dažnių juosta yra labai plati – apie 150 terahercų. Horizonte Ippenas regi optinę koherentinę tomografiją, leidžiančią realiame laike pamatyti ląstelių dalijimąsi.

Didžiausia fotonikos pritaikymų sritis, jo nuomone, bus optinis ryšys. Pasaulyje jau nutiesta 400 mln. km optinių skaidulų, be kurių negalėtų egzistuoti Internetas. Perduodamos informacijos kiekis auga eksponentiškai; šiemet turėtų būti įdiegta pirmoji komercinė 40 Gb/s spartos sistema. Kitos kartos technika bus spartesnė nei 100 Gb/s. MIT Linkolno laboratorijoje jau sukurti optiniai perjungikliai, kurių sparta siekia 80 Gb/s.

Artimiausiais metais didžiausias iššūkis fotonikos tyrėjams bus didelio lūžio rodiklio šviesolaidžiai, kurie leis pagaminti tobulesnius fotoninius integrinius grandynus.

Didelė pažanga

Lotharas Spaethas savajame įžanginiame žodyje tvirtino, kad fotonika priklauso labiausiai augančioms ūkio sritims. Bet jis taip pat pabrėžė, kad šis augimas nėra koks nors vienai šaliai būdingas reiškinys ir kad čia rasime didesnį tarptautinį bendradarbiavimą nei kitose technologijos srityse.

Yra dvi svarbiausios taikymų sritys: tradicinėje pramonėje (pavyzdžiui, automobilių pramonėje) ir naujose pramonės šakose, tokiose kaip ryšių ir informcinės technikos pramonė. Bet iki šiol susidaro įspūdis, kad fotonikos augimo galimybės blogai žinomos šiandienos jaunimui, todėl šią sritį pasirenka labai nedaug studentų.

Spaethas taip pat skundėsi, matyt, ne pirmą kartą Europos politikų trumparegiškumu ir pesimistiškomis nuotaikomis. Verslo sąlygos JAV yra maždaug tokios pačios kaip ir Europoje – ir vienus, ir kitus kankina stagnacijos nuotaikos. Tačiau amerikiečiai sako: „spalio mėnesį mes vėl pasieksime augimą”, o Europoje (ypač Vokietijoje) vyrauja beveik mazochistinė nuostata ir tegalvojama tik apie artėjantį rinkos nuosmukį. Taip pat svarstoma, ar po visais požiūriais sėkmingų metų nevertėtų truputėlį atsipūsti.

Didžiausia pasaulyje

Trumpai pasižiūrėkime, kas buvo rodoma LASER 2001. Nors ši mugė savo srityje ir buvo didžiausia pasaulyje, visai natūralu, kad į ją atrinkta labai subjektyviai. Besidomintys gali užsisakyti parodos katalogą info@laser.de.

Pradėsime nuo nedidelės pramoninių lazerių apžvalgos.

Danų firma Knowledge Center Delta (BMP@delta.dk) pademonstravo spalvų matavimo sistemą, leidžiančią nustatyti kiekvieno skaitmeninio vaizdo elemento spalvinę sudėtį. Grafikos pramonei, tekstilės pramonei, taip pat įvairiems moksliniams tyrimams ICAM (tikriausiai neatsitiktinai šis pavadinimas yra tariamas „eyecam”) yra nepakeičiamas prietaisas. Techniškai žiūrint, jį sudaro skaitmeninės kameros ir spalvų matuoklių derinys. Įrenginys unikalus dėl savo didžiulės skyros.

Wiener Femtolasers Produktions GmbH parodė femtosekundinį stiprintuvą su osciliatoriumi, galintį generuoti 30 fs trukmės ir 1 kHz pasikartojančio dažnio impulsus. Tai yra trumpiausius impulsus generuojanti komercinė sistema pasaulyje. Tarp tokio lazerio panaudojimo sričių yra labai tikslus medžiagų apdorojimas, didelės skyros spektroskopija ir koherentiškos terahercinės spinduliuotės emisija.

Buvo rodoma nemažai lazerių, generuojančių 10 ps ir trumpesnius impulsus, pavyzdžiui, Lumera Laser iš Kaizerslauterno teikiami vidutinės galios lazeriai (info@lumera-laser.com). Diodais kaupinamas lazeris duoda daugiau kaip 16 W vidutinę išvesties galią infraraudonojoje spektro dalyje (1,06 µm), kai impulsų pasikartojimo dažnis būna 160 MHz. Naudojant netiesiškus optinius kristalus, galima gauti ne tik matomosios, bet ir ultravioletinės srities spinduliuotę. Ties lazerio bangos ilgiu, lygiu 532 nm, išvestyje vis dar būna 3 W, o ties 266 nm – 1 W.

Trumpf Werkzeugmaschinen (info@de.trumpf.com), pasaulyje pirmaujanti medžiagų apdorojimo lazerių kūrimo srityje kompanija, pateikė naujovišką kilovatinės klasės diodais kaupinamą lazerį. Kompanija taip pat pranešė pradėjusi bendradarbiauti su Jenoptik Gruppe diodinių lazerių srityje.

Naujai įsikūrusi firma Jenoptik Laserdiode GmbH (jold@jenoptik.com) pademonstravo lazerinių diodų rietuves (stacks), sudarytas iš 4-25 elementų. Lyginant su anksčiau buvusiais panašios rūšies prietaisais, rietuvės yra kompaktiškesnės ir efektyviau aušinamos. Kai jų kaina kiek nors sumažės, jos neabejotinai bus daug kur pritaikomos.

Dilas iš Mainco (infoline@dilas.de) savo ateitį taip pat regi didelės galios lazerinių diodų srityje. Technologinis šuolis nuo klasikinių lazerinių lempų prie puslaidininkių leidžia padidinti gamybos apimtis ir sumažinti jos kaštus. Panašiai jau yra buvę su lazeriais kompaktinių plokštelių grotuvams. Bet naujieji lazeriniai diodai generuoja nuo 10 W iki kelių kW galią.

Kompanija Schott Glas iš Mainco (www.schott.de) parodė interferencinius filtrus, atskiriančius tam tikrų bangos ilgių spinduliuotę. Tokių filtrų pralaidumo juosta gali būti ir plati, ir siaura, todėl jie tiks keletui pritaikymų. Pavyzdžiui, galima jais „suderinti” šviesos diodų matricas ir gauti vieną spalvą. Šviesos diodų spektras esti natūraliai išplitęs, o tokie filtrai leidžia kompensuoti šį efektą. Kitas siaurajuosčių filtrų taikymas – tai lietaus sensoriai automobiliams, kurie pradėjus lyti įjungia stiklo valytuvus.

Operatyviam naujų gaminių prototipų kūrimui, taip pat preciziškam detalių apdorojimui, graviravimui skaidrios medžiagos viduje ir nedidelių paviršių valymui labai gerai tinka naujas Nd:YVO4 lazeris, sukurtas Fraunhoferio lazerinės technikos institute Aachene (Vokietija) (info@ilt.fgh.de). Jį naudojant galima per kelias minutes stiklo gabalo viduje sukurti trimatį darinį

Lamda Physics (maecom@lamdaphysik.com) pasirodė su savo naujuoju STEEL (Stable Energy Excimer Laser) lazeriu. Išvestyje jis sukuria 1 J energiją. Kadangi maksimalus impulsų dažnis yra 300 Hz, tai išvesties galia yra apie 300 W. Tokio lazerio pakanka apdorojant visas medžiagas: nuo mikroskopinių kiaurymių gręžimo iki medžiagos savybių pakeitimo – ją grūdinant, pasyvuojant ar perkristalizuojant. Pastarojoje srityje rasime daug dabar aktualių pritaikymų, pavyzdžiui, eksimerinį atkaitinimą, kuris naudojamas aukštos kokybės polikristalinio silicio gamyboje. Toks silicis naudojamas TFT plokščiuosiuose ekranuose.

PicoQuant iš Berlyno (photonics@pq.fta.de) sukūrė moduliuojamą bet kokiu iki 2 GHz dažnio signalu lazerinį diodą. Bangos ilgiai pasirenkami tarp 400 nm ir 1550 nm, o maksimali išvesties galia būna tarp 5 ir 50 mW.

Informacinių technologijų fotonika

Vadovaujant profesoriui Clemensui Baackui Berlyne esantis Heinricho Herco Ryšių technikos institutas (www.hhi.de) tapo viena svarbiausių pasaulyje institucijų optinio ryšio technologijos srityje. Dabar HHI parodė eksperimentinę sistemą, kuri, naudojant optoelektronikos priemones, spinduliuoja iki 60 GHz dažnius ir turi optiškai valdomas antenas. Optinis pluoštelių fokusavimas ir optinis milimetrinių bangų perdavimas turės didelę reikšmę ateities mobiliajai telefonijai.

Mėlynas impulsinis lazeris (bangos ilgiai nuo 395 iki 420 nm, impulsų trukmė mažesnė kaip 3 ns) buvo rodomas Miuncheno Toptica Photonics (www.toptica.com) stende. Šis šviesos šaltinis idealiai tinka poligrafijos pramonėje, taip pat bus pritaikomas ir optinės atminties įrenginiuose. Lazeriai generuoja 5 arba 30 mW galią.

Spectra-Physics (www.spectra-physics.com) irgi parodė dėmesio vertus lazerinius diodus. Tai stebėtinos 4 W galios 355 nm bangos ilgio (taigi beveik violetinei) spinduliuotei kvazinetrūkios veikos lazeris. Šio dažnį dvigubinančio lazerio technologija buvo sukurta Lucet Technologies. Jo impulsų dažnis – 80 MHz, o trukmė apie 10 ps. Pritaikymo sritys yra labai plačios: skaitmeninis vaizdų apdorojimas, medicinos technika, puslaidininkinių padėklų patikra ir įvairios kompiuterinės technikos sritys. Be to, firma parodė optinio ryšio filtrus, kurių pralaidumo juosta tėra vos 100 GHz pločio. Filtrų slopinimas, nukrypus vos per 1,2 nm nuo centrinio bangos ilgio, yra 25 dB.

Bonos mokslinis centras Ceasar (Center for Advanced European Studies and Research) (www.ceasar.de) pateikė naują lazerinį metodą medicinai. Naudojant šį metodą kaule galima padaryti labai plonus, vos 200 µm storio, pjūvius. Tai geriau nei įmanoma pasiekti pačiais smulkiausiais pjūkleliais. Be to, neatsiranda jokių metalo atliekų, kurios vėliau gali, pavyzdžiui, iškreipti branduolių magnetinio rezonanso matavimų rezultatus.