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.