tytuł, stopień, imię i nazwisko - WEMiF
Transkrypt
tytuł, stopień, imię i nazwisko - WEMiF
Warszawa, dnia 10.08.2015 r. prof. dr hab. inż. Ryszard Romaniuk Politechnika Warszawska Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Instytut Systemów Elektronicznych KWESTIONARIUSZ – RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ DLA RADY WYDZIAŁU ELEKTRONIKI MIKROSYSTEMÓW I FOTONIKI, POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ Tytuł rozprawy: Czujniki optyczne na bazie kryształów fotonicznych – projektowanie, analiza i wytwarzanie Autor rozprawy: mgr inż. Adrian Zakrzewski Podstawą recenzji jest uchwała Rady Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej oraz pismo Dziekana w tej sprawie, nr. W12/2658/2015 z dnia 21.07.2015 r. Autor rozprawy, Pan mgr inż. Adrian Zakrzewski posiada osobisty zapis bibliograficzny w podstawowych naukowych bazach danych o zasięgu globalnym jak Thomson Reuters - WoK i Elsevier - Scopus. Parametry zapisów są następujące: ilość dokumentów – kilkanaście, ilość cytowań – około 100 przez ok. 100 dokumentów, indeks Hirscha H=5. Wszystkie cytowane prace mają charakter współautorski. Najbardziej aktualne cytowania pojawiają się również w roku 2015. Są to, subiektywnie według recenzenta – w przypadku nie istnienia w zakresie nauk technicznych krajowych standardów w tym względzie, parametry zupełnie wystarczające do ubiegania się o stopień naukowy doktora. Doktorant posiada dodatkowo skromne profile zawodowe na portalach Mendeley, LinkedIn i SPIE.org. 1. Jakie zagadnienie naukowe jest rozpatrzone w pracy /teza rozprawy/ i czy zostało ono dostatecznie jasno sformułowane przez autora? Jaki charakter ma rozprawa (teoretyczny, doświadczalny, inny)? Obszarem badawczym w którym jest usytuowana praca doktorska jest fotonika materiałów strukturalnych. Obszar badawczy został przez Autora zarysowany dostatecznie wyczerpująco w drugim rozdziale pracy na temat kryształów fotonicznych (KF). Autor przeprowadził podstawowe analizy niektórych optycznych materiałów strukturalnych co przedstawił w rozdziale czwartym, z wykorzystaniem narzędzi numerycznych opisanych w rozdziale trzecim. Projektowana struktura fotoniczna o nanometrowym wymiarze charakterystycznym musi być pobudzona falą optyczną, któremu to zagadnieniu Autor poświęca rozdział piąty. Do pobudzenia struktury czujnikowej wykorzystywany jest optymalizowany stożek światłowodowy. Przed przystąpieniem do pomiarów projektowanej struktury w atmosferze gazowej Autor przedstawia szersze tło optycznej detekcji gazów w rozdziale szóstym. Rozdział siódmy przedstawia autorską koncepcję spektroskopowego czujnika gazu wykorzystującego dwuwymiarową strukturę optycznego materiału strukturalnego – kryształu fotonicznego. Rozdział ósmy przedstawia kilka pomiarów pomocniczych oraz próbę przeprowadzenia pomiaru zasadniczego – charakteryzacji badanej struktury fotonicznej w atmosferze acetylenu. Całość pracy przedstawia pełen i wyczerpujący opis rozwiązywanego zagadnienia naukowo – technicznego. Zagadnieniem naukowym rozpatrzonym w pracy jest projekt, analiza i budowa czujnika acetylenu na krysztale fotonicznym z wykorzystaniem zjawiska spowolnienia prędkości grupowej fali wskutek strukturalnej dyspersji falowodowej. Zmniejszenie wartości (spowolnienie obwiedni fali) vg powoduje wydłużenie czasu interakcji modulowanej fali świetlnej z medium, wskutek czego wzrasta czułość czujnika. O ile wzrasta pomiarowo (nie teoretycznie) gdyby zmierzyć obok siebie dwa czujniki analogiczne z wykorzystaniem efektu zmniejszenia wartości vg i bez tego efektu? W zasadzie jest to podane na zakończenie pracy w postaci wartości ng=514,14 ale bez dokładnego pokazania metody obliczenia tej wartości i bez możliwości weryfikacji w metrologicznych warunkach kalibracji. Wielka szkoda, bo praca jest jakby zakończona bez pointy chemiczno - aplikacyjnej. Zagadnienie naukowe zostało sformułowane przez Autora dostatecznie jasno. Teza rozprawy została sformułowana przez Autora bezpośrednio w postaci: Możliwe jest wykorzystanie zjawiska „slow light” występującego w odpowiednio zaprojektowanych strukturach kryształów fotonicznych do budowy spektroskopowego czujnika gazu charakteryzującego się dobrymi parametrami użytkowymi. Teza jest sformułowana potocznie zrozumiale i nie budzi w takim rozumieniu większych zastrzeżeń. Jest jednak dość ogólnie związana z tytułem rozprawy doktorskiej, w tym sensie, że stanowi jego bardzo wąski fragment. Krótko mówiąc doktorant realizuje częściowo tezę pracy a nie temat sformułowany w tytule pracy doktorskiej. Teza pracy dokładnie formułuje to co ma zrobić doktorant, choć sformułowanie „dobre parametry użytkowe” też może budzić zastrzeżenia jako dość niejasne z puntu widzenia ściśle technicznego, inżynierskiego, nie mówiąc o sformułowaniu naukowym. Dodatkowo doktorant nie konstruuje ‘czujnika’ tak jak to rozumieją metrolodzy, tylko pewien jego fragment technologiczny, strukturę. Parametry czujników gazu są na ogół bardzo dokładnie określane przez potencjalnych producentów i użytkowników. Można sobie wyobrazić jak zareagowałby profesjonalny użytkownik na sformułowanie w folderze reklamowym czujnika – dobre parametry użytkowe! Tutaj mamy do czynienia z pracą badawczą prowadzącą do pokazania „proof-of-principle”, a nawet nie modelu użytkowego, a jednak Autor używa sformułowania na wyrost ‘parametry użytkowe’. Są to parametry laboratoryjne, co pokazuje rys.8.19. Sytuacja tam przedstawiona jest dość odległa od warunków użytkowych. Pewnym uzasadnieniem na tak szeroki tytuł pracy jest to, że Autor prowadzi rozważania analityczne nad szerszą klasą materiałów fotonicznych, niż później realizowana i badana konkretna struktura czujnikowa. Rozprawa ma charakter teoretyczno – doświadczalny. Warstwę teoretyczną tworzą analizy numeryczne materiałów strukturalnych potencjalnie przydatnych do projektowanego czujnika. Warstwę doświadczalną stanowiły prace nad badaniami niektórych elementów składowych zestawu laboratoryjnego – w tym stożków światłowodowych, budowa zestawów laboratoryjnych, wykonanie szeregu pomiarów pomocniczych, oraz częściowa charakteryzacja struktury czujnika na dość złożonym stanowisku pomiarowym. Zwraca uwagę kompleksowość i kompletność zrealizowanego zakresu badań: od opracowania modeli numerycznych po detale prac technologicznych i zaawansowanych technik pomiarowych. Podsumowując, zagadnienie naukowe rozpatrzone w pracy ma wagę merytoryczną odpowiednią dla pracy doktorskiej, ma charakter ważny i współczesny pod względem badawczym. Stanowi obecnie w literaturze światowej przedmiot badań naukowych i naukowo – technicznych dla różnych konfiguracji czujników i różnych wielkości pomiarowych. Z biegiem czasu zagadnienie to staje się, dla coraz szerszych grup czujników, coraz bardziej przedmiotem szerokich badań technicznych i przemysłowych. Niektóre z czujników fotonicznych są oferowane komercyjnie łącznie z aparaturą specjalizowaną, np. w elektroenergetyce. 2. Czy w rozprawie przeprowadzono w sposób właściwy analizę źródeł / w tym literatury światowej, stanu wiedzy i zastosowań w przemyśle /świadczący o dostatecznej wiedzy autora. Czy wnioski z przeglądu źródeł sformułowano w sposób jasny i przekonywujący? Główny wykaz bibliografii rozprawy doktorskiej obejmuje 138 pozycji. Tematyka bibliografii obejmuje następujące główne zagadnienia: technologia światłowodów specjalnych, kryształy fotoniczne, grupowy współczynnik załamania w stratnych materiałach strukturalnych, struktura pasma fotonicznego, optyka nieliniowa, magnetyczne kryształy fotoniczne, fotonika krzemowa, nano-stożki światłowodowe, nano-wytwarzanie optycznych materiałów strukturalnych, metody numeryczne w elektromagnetyzmie, rozwiązywanie równań Maxwella dla różnych warunków brzegowych, programowanie w LabView, czujniki gazów dla średniej podczerwieni, fotoniczne czujniki gazów, właściwości acetylenu, i inne. Wydaje się, że ten zestaw tematów pokrywa w pełni obszar realizacji pracy doktorskiej, a więc można stwierdzić, że przeprowadzono w sposób właściwy analizę źródeł. W bibliografii Autor cytuje 4 prace w swoim autorstwie i współautorstwie adekwatnych do treści rozprawy. Podsumowując, analiza źródeł wspiera w sposób prawidłowy prowadzony w rozprawie wywód teoretyczny, projektowy, analityczny, technologiczny i metrologiczny. Cytowana literatura jest aktualna i obejmuje w marę całościowo obszar analizowanych zagadnień. Autor przedstawia realistyczne wnioski dotyczące stanu nauki i techniki światowej w zakresie fotonicznych czujników gazów, i na tym tle przedstawia własne w pewnym sensie ograniczone możliwości realizacji pracy badawczej. W tych realnych warunkach realizuje jednak pracę uzyskując założone wyniki analityczne i doświadczalne. Bibliografia rozprawy jest uzupełniona wykazem pomocniczym związanym z dorobkiem publikacyjnym Autora. Dorobek literaturowy Autora na etapie starania się o stopień naukowy doktora jest znaczny i dość jednolity tematycznie. Dorobek ten w znacznym stopniu wspiera badania przedstawione przez doktoranta w rozprawie. Cytowania międzynarodowe prac doktoranta, zbliżające się do 100 świadczą o zainteresowaniu wynikami prac Autora, w szerszym środowisku niż tylko krajowe. To zapewnie nieźle rokuje na przyszłość, jeśli doktorant utrzyma tempo pracy. Ocenę wiedzy Autora opieram nie tylko na powoływanej bibliografii ale i własnych publikacjach doktoranta znacznie przekraczających wymogi formalne w tym względzie. Co prawda brak jest w dorobku doktoranta prac jedno-autorskich, wszystkie prace są zespołowe, ale w naukach technicznych nie jest to zaskoczeniem. Wiedzę Autora dotyczącą szerszego obszaru dookoła realizowanej rozprawy doktorskiej oceniam wysoko, jako adekwatną do uzyskania stopnia naukowego doktora. 3. Czy autor rozwiązał postawione zagadnienia, czy użył właściwej do tego metody i czy przyjęte założenia są uzasadnione? Autor stawia przed sobą następujące zagadnienia do rozwiązania: opracowanie koncepcji spektroskopowego czujnika acetylenu, zaprojektowanie struktury dwuwymiarowego kryształu fotonicznego – pełniącego funkcje elementu aktywnego czujnika, wytworzenie kryształu fotonicznego oraz charakteryzacja zbudowanego czujnika gazu. Przyjęte przez Autora główne założenia realizacji pracy doktorskiej są następujące: - wybór czujnika fotonicznego, gdyż skrócona droga oddziaływania jest poprzez efekt znacznej wartości wartości grupowego współczynnika załamania, co jest równoznaczne z nieznaczną wartością prędkości grupowej zmodulowanej amplitudowo fali optycznej; - wybór acetylenu, gdyż gaz ten posiada sygnatury spektralne w wygodnym paśmie gdzie dostępne są wszystkie elementy potencjalnego systemu pomiarowego czujnika wykonanego w klasie laboratoryjnej a następnie demonstracyjnej; Autor przyjął realistyczne założenia możliwe do zrealizowania w posiadanych warunkach laboratoryjnych. Te realistyczne założenia zostały sformułowane poprawnie, są uzasadnione i doprowadziły do realizacji pracy w założonych ramach. Podsumowując, Autor rozwiązał postawione zagadnienie i użył do tego właściwej metody. 4. Na czym polega oryginalność rozprawy, co stanowi samodzielny i oryginalny dorobek autora, jaka jest pozycja rozprawy w stosunku do stanu wiedzy czy poziomu techniki reprezentowanych przez literaturę światową? Autor wymienia ponownie swoje zasadnicze osiągnięcia w podsumowaniu, grupując je w listę z dodatkowym skrótowym opisem merytorycznym. Zgadzam się w pełni z tym wykazem. Wymienię jedynie główne, najważniejsze według recenzenta, kierunki prac własnych i otrzymane oryginalne wyniki: - opracowano koncepcję spektroskopowego czujnika acetylenu w zakresie spektralnym ok. 1550 nm, - wykonywano stożki światłowodowe optymalizowane do zastosowania w czujniku, - opracowano wymagania na strukturę czujnika fotonicznego, - opracowano oprogramowanie dla obliczeń optymalnego rozwiązania geometrycznego i modowego, struktury fotonicznej w postaci niesymetrycznego światłowodu planarnego, - obrazowano wytworzone struktury za pomocą SEM i szacowano wymiary geometryczne nanostruktur, - zbudowano dedykowane stanowisko pomiarowe sterowane ze środowiska LabView, - wykonano pomiary fotonicznej struktury czujnikowej w atmosferze acetylenu, obserwując absorpcje wąskopasmową. Samodzielny i oryginalny dorobek Autora polega na obliczeniu struktury fotonicznej i wykonaniu symulacji i wstępnych pomiarów czy rzeczywiście działa ona jako struktura fotoniczna w założonym środowisku gazowym. Pozycja rozprawy w stosunku do stanu wiedzy i poziomu techniki reprezentowanych przez literaturę światową jest bardzo dobra i adekwatna do krajowego wyposażenia laboratoryjnego na wiodącej uczelni technicznej jaką jest Politechnika Wrocławska. Warto zwrócić uwagę na fakt, że autor rozwiązał szereg zagadnień warsztatowotechnologicznych optoelektroniki, takich jak technika separacji struktur światłowodowych czy wprowadzanie światła do nanostruktur fotonicznych. Zagadnienia te, w publikacjach często pomijane lub opisane w krótkich komentarzach, stanowią często o sukcesie (lub porażce) aplikacyjnych projektów z zakresu fotoniki. 5. Czy autor wykazał umiejętność poprawnego i przekonywującego przedstawienia uzyskanych przez siebie wyników /zwięzłość, jasność, poprawność redakcyjna rozprawy/? Edycja i redakcja pracy nie budzi zastrzeżeń. Układ tematyczny pracy jest logiczny i biegnie wzdłuż ścieżki – przedstawienie szerszego tła badawczego, projektowanie, analiza, eksperyment numeryczny i eksperyment laboratoryjny. Mimo dość szerokiego opisu tła badawczego, praca zawiera dużo oryginalnego materiału własnego Autora. Materiał ten jest przedstawiony w sposób zwięzły, jasny i poprawny. Doktorant jest współautorem wielu publikacji, łącznie kilkudziesięciu, także wielu w źródłach recenzowanych, więc należy przypuszczać, że przed napisaniem rozprawy doktorskiej przeszedł dłuższą szkołę pisania prac naukowo – technicznych. 6. Jakie są słabe strony rozprawy i jej główne wady? We wstępie pracy Autor używa pewnych ogólnych sformułowań. Niektóre z nich mają język mało precyzyjny i nie techniczny. Np. Od momentu pojawienia się pierwszej publikacji [brak literatury],… Odpowiednio [jak] zaprojektowane, wykazują interesujące [wyrażenie mało techniczne] właściwości… , naprzeciw aplikacyjnym wymaganiom… Kryształy fotoniczne są pod-klasą ogólniejszej grupy materiałów nazywanych meta-materiałami, lub materiałami strukturalnymi. Nazwa KF jest rozciągana na inne zakresy spektralne, nie tylko na bliską podczerwień, ale i na daleką podczerwień – jak teraherce a nawet mikrofale. W tych zakresach spektralnych o charakterystykach materiału strukturalnego decyduje periodyczność i rozkład przestrzenny zespolonej stałej dielektrycznej i jej pochodna, a nie tylko współczynnik załamania. Prace nad KF są także bardzo szeroko prowadzone w obszarach aplikacyjnych, także przez przemysł, zdecydowanie nie są to pojedyncze modele demonstracyjne , jak pisze Autor. Dla zakresu widzialnego VIS i UV technologia KF jest trudniejsza niż dla IR, MIR, FIR. W zakresach IR produkuje się efektywne powłoki typu „cloaking” z meta-materiałów. Marzeniem technicznym jest budowa takich powłok dla VIS. Czy termin slow light nie ma polskiego przełożenia? Zjawisko spowolnionego światła istnieje tylko podczas propagacji światła w materii w obszarze szybkich zmian dyspersji. W kryształach fotonicznych nie tyle wykorzystuje się dyspersję materiałową objętościową ile dyspersję falowodową i jej szybkie zmiany, spowodowane właściwościami materiału strukturalnego. Jeszcze lepsze efekty z wykorzystaniem zjawiska dyspersji anomalnej w KF uzyskuje się w czujnikach interferometrycznych, gdzie następuje znaczny wzrost czułości. A może zamiast tajemniczego słowa taper zastosować stożek? W niektórych fragmentach praca porusza zagadnienia dość fundamentalne w rodzaju ab ovo. Jeśli już nie można było ich ominąć to warto takie wywody przesunąć do załącznika. Np. taka sytuacja jest na str. 42, 44, str. 51-52, itp. W niektórych częściach opisowych, tekstowych, Autor nadużywa niepotrzebnych przymiotników, jakby chciał, niepotrzebnie, zwiększyć wartość prowadzonych badań. Tytuł rozprawy sugeruje pracę habilitacyjną lub szeroką monografię na temat czujników fotonicznych a nie przyczynkową rozprawę doktorską, i jest nieadekwatny do treści pracy. Tytuł dotyczy relatywnie szerokiego obszaru wiedzy, który Autor obejmuje jedynie w niewielkiej części. Praca doktorska nie jest w żadnym wypadku monografią. Tytuł pracy doktorskiej powinien brzmieć np.: Spektroskopowy, absorpcyjny czujnik acetylenu wykorzystujący zjawisko małej prędkości grupowej fali optycznej w krysztale fotonicznym. Albo: Wykorzystanie zjawiska dyspersji falowodowej (lub małej prędkości grupowej) w krysztale fotonicznym do budowy elementu aktywnego czujnika… Autor wykonał wiele interesującej i oryginalnej pracy badawczej na poziomie projektowym, analitycznym i pomiarowo – charakteryzacyjnym, co wypełnia z nadmiarem wymagania na prace doktorską, jednak jest to coś innego niż to co obiecuje tytuł pracy doktorskiej. Sprawa wyboru takiego dość nietrafionego tytułu pracy doktorskiej to nie tylko decyzja doktoranta. Ale także, a może nawet głównie promotora, oraz zatwierdzającej decyzji Rady Wydziału. Nie widziałbym więc tutaj głównej winy po stronie doktoranta. Pisanie pracy doktorskiej jednostronnie na A4 w celu być może potencjalnego umożliwienia recenzentowi potencjalnie wprowadzania uwag i poprawek jest w dzisiejszych czasach mediów cyfrowych zupełnie nieadekwatne do sytuacji. Doprawdy szkoda papieru. Jest to zapewne standard wydziałowy, a więc nie wina doktoranta. Warto to chyba zmienić. Z wymienionych słabszych stron pracy nie wszystkie są winą doktoranta, w szczególności nieadekwatny tytuł pracy. Pozostałe są drobiazgami redakcyjnymi i technicznymi nie mającymi wpływu na meritum rozwiązywanego przez doktoranta zagadnienia. 7. Jaka jest przydatność rozprawy dla nauk technicznych? Praca pokazuje początkową część pełnego potencjalnego cyklu budowy nowego rodzaju czujnika: fotonicznego czujnika acetylenu. Oczywiście nie obejmuje tego cyklu w pełni, a raczej jego zupełnie początkowe fragmenty naukowo – techniczne. Pełen cykl prac nad zaproponowanym przez doktoranta czujnikiem wymaga znacznie bogatszego wyposażenia laboratoryjnego, niż ten którym dysponował. W szczególności światowe laboratoria pracujące w dziedzinie czujników fotonicznych dysponują bogatym instrumentarium chemicznym, a także mechatronicznym. Być może potrzebna byłaby współpraca w tym względzie z Wydziałem Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Równoległa realizacja pracy doktorskiej na takim wydziale, gdzie dokonano by charakteryzacji i zastosowania struktury dałoby zapewne rewelacyjny wynik. Tak praca wygląda nieco na nie zakończoną, urwaną w najciekawszym momencie. Jednak czy praca doktorska musi być zakończona demonstratorem? Recenzent skłania się do odpowiedzi, że niekoniecznie i uznaje pracę za zakończoną istotnym, nietrywialnym sukcesem naukowo technicznym. Autor wykazał, że wykorzystując dostępne narzędzia i technologie fotoniki można tworzyć nową generację czujników optycznych o wymiarach mniejszych niż stosowane dotychczas. Wybór materiałów, technologii i narzędzi użytych do tworzenia modelu czujnika pokazuje, że autor jest świadom możliwości i ograniczeń rozwiązań bazujących na kryształach fotonicznych i potrafi skutecznie realizować rozbudowane projekty w tym obszarze. Podsumowując, stwierdzam, że przydatność rozprawy dla nauk technicznych jest znaczna. Wyniki prac teoretycznych i laboratoryjnych mogą być bezpośrednio wykorzystane do kontynuacji prac aplikacyjnych i wdrożeniowych. 8. Do której z następujących kategorii Recenzent zalicza rozprawę: a/ nie spełniająca wymagań stawianych rozprawom doktorskim przez obowiązujące przepisy b/ wymagająca wprowadzenia poprawek i ponownego recenzowania c/ spełniająca wymagania d/ spełniająca wymagania z nadmiarem e/ wybitnie dobra, zasługująca na wyróżnienie Rozprawa doktorska posiada znaczny, przekraczający standardowe wymagania, ładunek własnej twórczej pracy badawczej. W zależności od sposobu prezentacji materiału w czasie obrony pracy, oraz przebiegu dyskusji otwartej i na posiedzeniu Komisji, jestem skłonny z przyjemnością przychylić się do wniosku o uznanie pracy za zasługującą na wyróżnienie.