przedmowa - Fizyka UMK

PRZEDMOWA
Zainteresowanie światłem, jego natura˛ i właściwościami zawsze było
ogromne. Przyjmuje sie,
˛ że konstruktywne, podbudowane racjonalnymi
przesłankami spory o nature˛ światła rozpoczeły
˛ sie˛ w XVII w. I. Newton
(1642−1727) uważał, że światło jest zbiorem czastek
poruszajacych
sie˛ po
˛
˛
liniach prostych. C. Huyghens (1629−1695) był ojcem pogladu
˛ o falowej
naturze światła. Jak sie˛ okazuje, obie koncepcje sa˛ poprawne i obie obowiazuj
˛ a˛ do dzisiaj1 . W pewnych warunkach światło zachowuje sie˛ jak fala
elektromagnetyczna, a w innych wykazuje strukture˛ ziarnista˛ − jest zbiorem
czastek
elementarnych nie posiadajacych
masy spoczynkowej: fotonów.
˛
˛
Tak wiec,
˛ z jednej strony mamy do dyspozycji światło z całym bogactwem swej natury, a z drugiej nie mniej złożona˛ materie.
˛ Wzajemne oddziaływnie światła i materii owocuje istnieniem niezwykłej obfitości efektów
i zjawisk należacych
do odległych nierzadko dziedzin fizyki. Optoelektroni˛
ka obejmuje badania i zastosowania efektów wzajemnego oddziaływania
światła z elektronami ośrodków, czyli efektów wykorzystywanych przy budowie urzadzeń
generujacych,
przekazujacych,
analizujacych
i przetwarza˛
˛
˛
˛
jacych
informacje. W matematycznych modelach procesów optoelektron˛
icznych mówi sie˛ o przekształceniach: elektron − światło (np. w źródłach
światła), światło − światło (np. w procesach transmisji światła) i światło
− elektron (np. w fotoprzetwornikach). Jest to dział nauki i techniki poje˛
ciowo i funkcjonalnie zwiazany
z elektronika,˛ a ściślej z mikroelektronika.
˛
˛
Dla współczesnej optoelektroniki szczególnie interesujacy
˛ jest obszar długości fal elektromagnetycznych z przedziału 200 nm −50 µm. Jest to obszar
znacznie przekraczajacy
˛ tzw. zakres optyczny: od 400 nm do 700 nm.
Optoelektronika jest dziedzina˛ interdyscyplinarna˛ korzystajac
˛ a˛ z osiag˛
nieć
˛ takich dziedzin nauki i techniki jak: elektronika, elektronika kwan1
Wyczerpujac
˛ a˛ dyskusje˛ na temat natury światła można znaleźć np. w monografii
H. Hakena, Światło, PWN, Warszawa 1993.
1
PRZEDMOWA
towa, fizyka i technika półprzewodników (ogólniej ciała stałego), wszystkie
dziedziny optyki, krystalografia itd., itd.
Momentem przełomowym w rozwoju optoelektroniki było odkrycie lasera − źródła światła o wyjatkowych
właściwościch2 . Odkrycie to można,
˛
moim zdaniem, zaliczyć do najwiekszych
osiagni
˛
˛ eć
˛ naukowo-technicznych
drugiej połowy XX wieku.
Podstawowe koncepcje teoretyczne, wykorzystane w teorii lasera zostały
ogłoszone przez Alberta Einsteina w 1916 r., ale pierwszy laser został zbudowany przez Teodora Haralda Maimana dopiero w 1960 r. Potwierdzeniem
wielkości wynalazku jest fakt, że w 1964 r. C. H. Townes, N. G. Basow i A. M. Prochorow otrzymali Nagrode˛ Nobla za: „podstawowe prace
w dziedzinie kwantowej elektroniki, które doprowadziły do zbudowania oscylatorów i wzmacniaczy opartych o maserowo-laserowe podstawy”.
Odkrycie laserów dało nowy impuls w badaniach samego światła i jego
oddziaływania z materia.˛ Zwiekszył
sie˛ też znacznie zakres zastosowań
˛
światła. Dokonano odkryć, niemożliwych do dokonania bez posiadania
źródeł światła laserowego, o dużym nate˛żeniu i wielkich gestościach
energii
˛
w skolimowanych wiazkach.
Powstały nowe lub szybko rozwineły
˛
˛ sie˛ istniejace
˛ już dyscypliny naukowe i techniczne wykorzystujace
˛ „nowe oblicze
optyki” (A. Piekara, Nowe oblicze optyki). W latach 70-tych ubiegłego
wieku wyprodukowano małostratne światłowody kwarcowe. Dzieki
˛ temu
stało sie˛ możliwe przesyłanie światła na znaczne odległości. Z najważniejszych osiagni
˛ eć
˛ ostatnich lat trzeba wymienić półprzewodnikowe struktury
niskowymiarowe: na studniach kwantowych, druty i kropki kwantowe, supersieci, półprzewodnikowe lasery świecace
˛ w niebieskiej i zielonej cześci
˛
widma, kryształy fotoniczne.
Jako dyscyplina naukowo-techniczna optoelektronika rozwija sie˛ w trzech
zasadniczych kierunkach:
1. Badania podstawowe. Obszar ten dotyczy badania zjawisk, metod
i materiałów w których zjawiska optyczne i elektronowe sa˛ nierozłaczne:
to
˛
jest generacja i wzmocnienie światła, modulacja, transmisja, detekcja.
2. Prace aplikacyjne zwiazane
z rozwiazywaniem
problemów techno˛
˛
logicznych jak: miniaturyzacja, integracja elementów i funkcji, otrzymywanie ultraczystych materiałów, poszukiwanie metod ich obróbki (epitaksja, fotolitografia, nanoszenie cienkich warstw, jonowa implantacja, plazmochemia itd.).
3. Rozwiazywanie
problemów funkcjonalnych zwiazanych
np. z zada˛
˛
niami informatycznymi takimi jak, generacja i formowanie informacji, prze2
Fascynujaca
i dramatyczna chwilami historia badań lasera, właściwości jego
˛
promieniowania została opisana przez M. Bertolottiego w ksia˛żce Masery i lasery. Ujecie
˛
historyczne, PWN, Warszawa 1987.
2
PRZEDMOWA
kazywanie, przetwarzanie i przechowywanie informacji i również wizualizacja informacji, czy wreszcie budowa komputerów optycznych.
Monografia Optoelektronika oparta jest na monografiach, podrecznikach
˛
i pracach oryginalnych. Jest znacznie rozszerzonym zapisem wieloletnich
wykładów autora w Instytucie Fizyki UMK w Toruniu na specjalnościach:
Podstawy Mikroelektroniki i Miernictwo Komputerowe, Fizyka Medyczna
oraz (cześciowo)
Fizyka Laserów i Optoelektronika.
˛
Piszac
˛ Optoelektronike˛ chciałem:
1) dać podstawy do zrozumienia nowoczesnej techniki operujacej
˛ światłem,
2) pomóc w zrozumieniu działania urzadzeń
optoelektronicznych,
˛
3) wskazać na możliwe, czesto
zaskakujace
op˛
˛ zastosowania i zwiazki
˛
toelektroniki z innymi dziedzinami nauki i techniki.
Optoelektronika jest przeznaczona dla wszystkich, którzy interesuja˛ sie˛
nowoczesnymi dziedzinami nauki i techniki wykorzystujacymi
światło. Tak
˛
wiec,
˛ przede wszystkim jej adresatami sa˛ studenci fizyki uniwersytetów oraz
studenci uczelni technicznych różnych specjalności, w tym telekomunikacji,
ale też pracownicy naukowi (zwłaszcza młodsi) i inżynierowie.
W tej ksia˛żce staram sie˛ przedstawić optoelektronike˛ szeroko, jako dziedzine˛ nauki i techniki zajmujac
˛ a˛ sie˛ oddziaływaniem fotonów i elektronów.
Położyłem jednak główny nacisk na przedstawienie w miare˛ kompletnego
opisu fizyki najważniejszych zjawisk optoelektronicznych, mniej zajmujac
˛
sie˛ problemami technicznymi czy parametrami urzadzeń
optoelektronicz˛
nych, a to dlatego, że rozwiazania
techniczne zbyt szybko staja˛ sie˛ prze˛
starzałe. Zdaje˛ sobie sprawe,
˛ że taka wizja optoelektroniki może być dla
niektórych czytelników dalece niesatysfakcjonujaca,
˛ szczególnie tych, którzy
widza˛ w niej wyłacznie
dziedzine˛ techniczna.
˛
˛
Stosunkowo dużo miejsca zajmuja˛ lasery, a szczególnie lasery półprzewodnikowe. Myśle,
ogromnej roli
˛ że jest to uzasadnione przy uwzglednieniu
˛
tych urzadzeń
w optoelektronice. Również laserom barwnikowym poświe˛
˛
ciłem wiecej
uwagi niż innym. Wynika to z tradycji i osiagni
˛
˛ eć
˛ w badaniach luminescencji, w szczególności luminescencji roztworów barwników
w Instytucie Fizyki UMK oraz z długoletnich zainteresowań autora ta˛ tematyka.˛ Lasery to w moim przekonaniu szeroko rozumiana optoelektronika. Bezdyskusyjnie natomiast „czysta” optoelektronika to wspomniane
już lasery półprzewodnikowe, detektory, choć nie wszystkie, wyświetlacze
oraz cześć
˛ modulatorów. Omówienie modulacji światła oczywiście musi
sie˛ znaleźć w podreczniku
fotoniki, jednak z drugiej strony efekty elek˛
trooptyczne czy akustooptyczne sa˛ wykorzystywane np. w modulatorach
światłowodowych, w strojeniu i stabilizacji laserów półprzewodnikowych.
Również bez omówienia światłowodów trudno sobie wyobrazić ksia˛żke˛ poświecon
˛ a˛ optoelektronice.
3
PRZEDMOWA
Literatura przedmiotu jest niesłychanie obszerna. Pomocne w rozpoznaniu literaturowym bed
˛ a˛ spisy literatury na końcu każdego rozdziału. Dodatkowo w stopkach stron sa˛ zamieszczone odwołania do artykułów oryginalnych, najcześciej
najnowszych. Niezbyt czesto
podaje˛ adresy stron
˛
˛
internetowych, co wynika z ulotności takich danych.
Na koniec, pragne˛ goraco
Rodzinie za to, że wytrzymała
˛ podziekować
˛
trudny, zwłaszcza końcowy okres przygotowywania tekstu, tym samym
moja˛ fizyczna˛ i duchowa˛ nieobecność w domu i życiu rodziny. Dziekuj
˛ e˛
kolegom głównie z Zakładu Optoelektroniki UMK za ogromny trud przeczytania fragmentów monografii oraz za równie duży trud, a nawet może wiek˛
szy, wysłuchiwania mnie, za cenne uwagi i owocne dyskusje. Wreszcie dzie˛
kuje˛ recenzentom. Dziekuj
˛ e˛ za cenne uwagi merytoryczne i redakcyjne,
za wskazanie braków i nieścisłości, za komentarze, a przede wszystkim za
pozytywne i życzliwe recenzje.
Ksia˛żka powstała przy wsparciu finansowym w postaci przyznanego mi
stypendium przez Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu.
4