Laboratorium Optoelektroniki i Czujników Światłowodowych
Optoelektronika i Fotonika
Fotoniczne i Mikroelektroniczne Czujniki Chemiczne

Historia Katedry Optoelektroniki

Katedra Optoelektroniki została utworzona w roku 1980 jako jednostka organizacyjna Instytutu Fizyki Wydziału Matematyczno - Fizycznego Politechniki Śląskiej. W latach od 1980 do 1985 nosiła nazwę Zakładu Akustoelektroniki. W roku 1985 nazwę tą zmieniono na Zakład Akustooptoelektroniki, a w roku 2000 na Zakład Optoelektroniki. Zakład w całości przeniósł się na Wydział Elektryczny w 2009 roku i utworzył tam niezależną jednostkę: Katedrę Optoelektroniki. Historia Katedry jest długa i bogata...

Organizatorem Zakładu i pierwszym jego kierownikiem był prof. Aleksander Opilski. W latach 1981 - 1983 kierownictwo przejął dr Zenon Cerowski. Po dr Cerowskim do roku 2000 kierował Zakładem znowu prof. Aleksander Opilski. Od roku 2000 kierownikiem Zakładu jest prof. Tadeusz Pustelny. W roku 2003 Zakład Optoelektroniki W wyniku konkursu Unii Europejskiej w ramach 5-go Programu Ramowego uzyskał status Centrum Doskonałości.

Główne etapy rozwoju Zakładu przedstawiono poniżej.

 

Akustyka ciał stałych

Na początku lat 70 w Instytucie Fizyki podjęto badania własności akustycznych ciał stałych. Dla realizacji tej tematyki badawczej został zorganizowany Zespół Akustycznych Metod Badania Półprzewodników, który przekształcił się później w Zespół Akustoelektroniki. Działalność naukowa Zespołu Akustycznych Metod Badania Półprzewodników była głównie skoncentrowana na zastosowaniu objętościowych i powierzchniowych fal akustycznych w badaniu własności ciał stałych, szczególnie półprzewodników.

W efekcie prac pierwszej grupy badawczej zauważono, że przerwa energetyczna półprzewodników zależy od wewnętrznych naprężeń mechanicznych w półprzewodnikach. Metody akustyczne mogą dać informacje o strukturze energetycznej półprzewodnika. Pozwoliło to wyznaczyć szerokość przerwy energetycznej półprzewodników na podstawie pomiaru prędkości fal akustycznych. W oparciu o uzyskane wyniki powstała praca doktorska Lidii Opilskiej. Późniejsze prace dowiodły korelacji pomiędzy szerokością przerwy energetycznej półprzewodników a prędkością podłużnych i poprzecznych fal akustycznych w trzech kierunkach krystalograficznych pojedynczych kryształów. Opracowaną metodę z powodzeniem wykorzystano do wyznaczenia energii aktywacji określonych grup polimerów.

Druga grupa badawcza przeprowadziła teoretyczną analizę wpływu stanów powierzchniowych w półprzewodnikach na prędkość powierzchniowych fal akustycznych. Wyniki analiz teoretycznych wskazywały na możliwości wyznaczenie metodami akustycznymi parametrów elektrycznych i elektronowych obszaru przypowierzchniowego w półprzewodnikach a także parametrów opisujących energetyczne stany powierzchniowe w półprzewodnikach. Rezultatem badań teoretycznych była praca habilitacyjna Aleksandra Opilskiego. Od strony teoretycznej analizował te zagadnienia również dr Zenon Cerowski. Z kolei w pracy doktorskiej Tadeusza Pustelnego zarówno od strony teoretycznej jak i eksperymentalnej rozważane były zagadnienia propagacji powierzchniowych fal akustycznych w układzie piezoelektryczny falowód - półprzewodnik.

Opisane wyżej prace badawcze prowadzone były w ramach długofalowego programu badawczego dotyczącego akustoelektroniki, skupionego na wszechstronnych badaniach elektrycznych i elektronowych właściwości obszaru ładunku przestrzennego w półprzewodnikach i piezopółprzewodnikach. Na podstawie podłużnego i poprzecznego akustoelektrycznego sygnału napięciowego można wyznaczyć wiele parametrów elektrycznych i elektronowych obszaru przypowierzchniowego w półprzewodnikach pierwiastkowych oraz półprzewodnikach złożonych. Należą do nich między innymi potencjał powierzchniowy, typ przewodnictwa elektrycznego, koncentracja nośników ładunku, efektywna droga Debye'a, czas relaksacji przewodności, szybkość wychwytu przez stany pułapkowe i ruchliwość powierzchniowa nośników. Można ponadto, na podstawie znaku napięcia akustoelektrycznego łatwo określić typ półprzewodnika. W ramach tych studiów powstała praca doktorska Zdzisława Kubika i Zdzisława Jakubczyka. W badaniach tych brał również udział mgr Wojciech Wajda. Ostatecznym rezultatem tych badań była praca habilitacyjna Tadeusza Pustelnego, której tematem było opracowanie nowej akustoelektrycznej metody badania obszaru przypowierzchniowego półprzewodników.

W Zakładzie prowadzono również badania nad opracowaniem ukadów akustoelektroniki. Wynikiem badań nad rezonatorem z akustyczna falą powierzchniowa była praca doktorska Mariana Urbańczyka.

 

Zastosowanie akustycznych fal powierzchniowych do analizy gazów

Powierzchniowa fala akustyczna (ang. SAW - Surface Acoustic Wave) typu Rayleigha z linią opóźniającą w pętli sprzężenia zwrotnego oscylatora może być wykorzystana do detekcji gazów. Sensor tego typu wykonany jest na podłożu piezoelektrycznym, w którym wytworzony jest tor akustyczny pokryty cienką warstwą polimeru lub związku makromolekularnego (np. ftalocyjaniny) pełniącą rolę warstwy sensorowej. Efekty sorpcji i adsorbcji powodują zmianę prędkości fazowej powierzchniowej fali akustycznej, czego efektem jest zmiana częstotliwości pracy oscylatora. Aby skompensować zmiany powstałe w skutek oddziaływania otoczenia, na przykład zmiany temperatury lub ciśnienia, na tym samym podłożu wytworzony jest drugi identyczny referencyjny tor akustyczny nie pokryty warstwą sensorową. Przeprowadzono badania wykorzystując cienkie warstwy różnych metaloftalocyjanin (MePc). Warstwy wykazywały różną czułość na różne gazy i pary. Zostało wykazane, że reakcja sensora na obecność gazów może być silna. Pozwoliło to na wykrywanie obecności gazów toksycznych na powierzchni sensora na podstawie pomiaru sygnału akustoelektrycznego. Opracowany został innowacyjny elektryczny model zastępczy dla układu z falą powierzchniową w układzie filtra poprzecznego. Ponadto należy zauważyć, że efekt akustoelektryczny może zostać wykorzystany do budowy matrycy akustycznych sensorów gazów. Dlatego też testowane były później własności sensorowe warstw wybranych polimerów. Została dla nich określona czułość, jak również szybkość odpowiedzi i szybkość regeneracji. Opracowane zostały metody zwiększenia dynamiki tych procesów. W oparciu o otrzymane wyniki powstała praca doktorska Wiesława Jakubika i praca habilitacyjna Mariana Urbańczyka.

W późniejszym okresie prowadzone były badania nad opracowaniem metod wizualizacji akustycznej struktur biologicznych, które rozwijał dr Adam Szpakowski i prof. Tadeusz Pustelny.

Emisja akustyczna

Zjawisko emisji akustycznej w ciałach stałych może być z powodzeniem stosowane w badaniu stanu naprężeń mechanicznych materiałów oraz stabilności konstrukcji. Zastosowania te wynikają z natury samej zjawiska emisji akustycznej. Fale sprężyste emisji akustycznej generowane w procesie elastycznej deformacji wskazują na występowanie zmian w strukturze badanych materiałów.

Badania emisji akustycznej w ciałach stałych zapoczątkowano w Zakładzie Akustoelektroniki w roku 1985. Z początku były one skoncentrowane głównie na badaniach struktury materiałów. Później zostały one rozszerzone o materiały geologiczne (węgiel, łupki, piaskowce), kompozyty (służące do wyrobu pasów transmisyjnych używanych w przemyśle), ceramiki posiadające własności nadprzewodzące (Y-Ba-Cu-O) jak również ciągłe badania aktywności pokładów węglowych w trakcie prac wydobywczych a także wyładowania niezupełne w transformatorach energetycznych.

W ciągu ostatnich kilku lat zaproponowano i wykorzystano kilka różnych systemów pomiarowych bazujących na zjawisku emisji akustycznej. Układy te dokonywały rejestracji (makroskopowych parametrów oraz pojedynczych impulsów emisji akustycznej, w czasie rzeczywistym) oraz analizy zarejestrowanych impulsów w sposób zapewniający akwizycję podstawowych i zaawansowanych deskryptorów sygnału emisji akustycznej. Dla materiałów geologicznych badano występowanie efektu Kaisera i kształt tempa zliczeń EA w trakcie jednoosiowego obciążania próbek. Potwierdzono występowanie efektu Kaisera zaś materiałom, z których były wykonane próbki przydzielano odpowiedni typ według klasyfikacji Moggiego.

Ciągłe badania pokładów węglowych potwierdziły funkcjonalność skonstruowanej prototypowej aparatury pomiarowej w warunkach pracy pod ziemią. Wykazały one dużą zgodność pomiędzy wartościami średnimi energii fal rejestrowanych sygnałów EA mających swe źródło w masie skalnej a zapisami sejsmografów. Tym samym zademonstrowana została nowa metoda umożliwiająca przewidywanie tąpnięć w górotworze.

Badania nadprzewodzących ceramik Y-Ba-Cu-0 prowadzane były w automatycznym kriostacie w temperaturach zmieniających się w zakresie od temperatury otoczenia do temperatury ciekłego azotu. Badania prowadzone w takich warunkach umożliwiły odseparowanie i rozróżnienie wielu termicznie stymulowanych wydarzeń EA. W szczególności separowano sygnały EA wynikające z nadprzewodzących właściwości badanych próbek. Badania prowadzone były przede wszystkim przez dr Franciszka Witosa i dr Jerzego Krzaka.

 

Akustooptyka

Na początku lat 70 członkowie późniejszego Zespołu Akustycznych Metod Badania Półprzewodników włączyli się w badania z zakresu akustooptyki. Temat został podjęty w efekcie powstania nowych źródeł światła - laserów. Inicjatorami byli: Aleksander Opilski i Zygmunt Kleszczewski. Badania koncentrowały się zarówno na zastosowaniu odchylania fali świetlnej za pomocą wiązki ultradźwiękowej w celu badania właściwości cieczy posiadających bardzo duże lepkości jak również na akustooptycznych właściwościach piezoelektrycznych monokryształów, które są szczególnie użyteczne w akustoelektronice. Opracowane zostały akustooptyczne metody badania propagacji powierzchniowych fal akustycznych. Rezultatem tych badań były prace doktorskie Zygmunta Kleszczewskiego i Janusza Berdowskiego.

W rezultacie szybkiego rozwoju badań ciał stałych przy wykorzystaniu metod akustooptycznych i akustoelektronicznych, Zespół Akustycznych Metod Badania Półprzewodników został w 1977 roku podzielony na dwie grupy: Zespół Metod Akustyki Ciał Stałych oraz Zespół Metod Akustoelektroniki. Kierownikiem pierwszego Zespołu został prof. Zygmunt Kleszczewski. Kontynuował on przez wiele lat badania akustooptyczne. Praca drugiego zespołu koncentrowała się na badaniach oddziaływania fal ultradźwiękowych z elektronami w półprzewodnikach przy wykorzystaniu powierzchniowych i objętościowych fal akustycznych.

Prace dotyczące oddziaływania ultradźwiękowych fal objętościowych z elektronami stały się motorem rozwoju technologii cienkowarstwowych przetworników piezoelektrycznych wykonanych z CdS i ZnO. W oparciu o te prace powstały prace doktorskie Józefa Finaka i Huberta Jeronimka. Rezultaty badań oddziaływania powierzchniowych fal akustycznych z elektronami w półprzewodnikach zostały opisane w poprzednich rozdziałach.

 

Optoelektronika

Na początku lat 80-tych Zespół Akustycznych Metod Badania Półprzewodników włączył się bardzo aktywnie w nurt badań z zakresu optoelektroniki. Z tego powodu w roku 1985 Zakład Akustoelektroniki zmieniła nazwę na Zakład Akusto- i Optoelektroniki.

Tematyka badań skupiała się na technologii światłowodów planarnych i paskowych oraz zastosowaniu tychże światłowodów do budowy sensorów różnych wielkości fizycznych. Pod kątem zastosowań sensorowych badane były również światłowody włókniste w oparciu, o które skonstruowano odbiciowe czujniki przesunięcia i wibracji jak również czujnik temperatury wykorzystujące: deformacje włókna światłowodowego (czujnik mikrozgięciowy), przesunięcie krawędzi absorbcji na sutek zmiany temperatury jak również zjawisko luminescencji. W oparciu o zmodyfikowany system światłowodów optycznych stworzony został model czujnika przesunięcia. W skład systemu wchodziła para światłowodów tworzących tor pomiarowy oraz odseparowana para światłowodów tworzących tor odniesienia. Układ pobudzany był diodą LED. W rozgałęziaczu typu Y światło rozdzielane było pomiędzy dwa tory. Po przejściu toru pomiarowego światło soczewkę gradientową, która formowała wiązkę pomiarową (zmieniała rozbieżność wiązki). Światło po odbiciu od powierzchni mającej możliwość ruchu powracało do soczewki i oświetlało światłowód na końcu którego znajdowała się fotodioda. Celem wiązki odniesienia była kompensacja zmian sygnału wynikających z fluktuacji natężenia światła emitowanego przez diodę LED oraz strat powstałych w wyniku mikrozgięć włókna światłowodowego. Do analizy tych strat służył zaprojektowany w tym celu układ elektroniczny. Opisany system przystosowany był do współpracy z programowanym mikroprocesorem, którego służył do obróbki danych pochodzących od wielu takich systemów (linearyzacja, uśrednianie i prezentacja). Przedstawionej konstrukcji sensor pracował jako czujnik ciśnienia. Został również wykorzystany do kontroli ruchu głowicy kombajnu górniczego.

Do wytwarzania światłowodów planarnych i paskowych wykorzystano technologię wymiany jonowej w szkłach. Zaprojektowane światłowody wykorzystano do budowy soczewek planarnych, jedno i wielomodowych elementów pasywnych optyki zintegrowanej oraz w technologii czujników planarnych w układach z modulacją amplitudy oraz do wytwarzania monolitycznych czujników interferencyjnych w podłożu szklanym. Do modelowania technologii procesu wytwarzania światłowodów o zdanych parametrach oraz do zagrzebywania światłowodów opracowana została teoria wymiany jonowej bez obecności zewnętrznego pola elektrycznego jak też przy obecności tego pola.

Opracowana technologia wytwarzania światłowodów paskowych pozwala na budowę planarnych rozgałęziaczy typu Y, planarnych interferometrów NxM w konfiguracji Macha-Zehndera oraz wielomodowych refraktometrów planarnych.

W rezultacie badań w zakresie optoelektroniki powstały prace doktorskie Romana Rogozińskeigo, Pawła Karasińskiego, Kazimierza Guta i Zbigniewa Opilskiego.

Badania zjawisk fizycznych zachodzących w planarnych i włóknistych elementach światłowodowych, badania nad technologią ich wytwarzania oraz konstruowania czujników optycznych różnych wielkości fizycznych są głównie skupione na:

  1. modelowaniu procesu elektrodyfuzji dla wymiany jonowej w szkłach,

  2. analizie wpływu profilu refrakcyjnego światłowodu na czułość interferometru różnicowego,

  3. analizie pola prążkowego w badaniu światłowodów planarnych,

  4. zastosowań światłowodów w technice sensorowej,

  5. efektach elektroluminescencyjnych oraz ich praktycznym wykorzystaniu, testowaniu i badaniu włóknistego czujnika luminescencyjnego.

Badania własności czujnikowych cienkich warstw związków makromolekularnych i półprzewodników organicznych wykorzystujące akustyczne fale powierzchniowe są głównie skupione na:

  1. oznaczaniu metodami akustycznymi niskich koncentracji mieszanin gazowych,

  2. elektrycznych właściwości warstw ftalocjaniny w układzie czujnika gazów typu SAW,

  3. analizie układu filtra poprzecznego zastępującego układ wykorzystujący akustyczną fale powierzchniową,

  4. wytwarzaniu i charakteryzowaniu par fluorofor-absorber dla czujnika amoniaku bazującego na zjawisku luminescencji.

Obecnie technologia wymiany jonowej jest najczęściej wykorzystywana do produkcji gradientowych struktur światłowodowych. Przez odpowiedni dobór warunków technologicznych - typ domieszki, strukturę chemiczną szkła jak również rozmiar okna przez które następuje proces wymiany jonowej, czas i temperaturę procesu można wytwarzać jedno i wielomodowe struktury światłowodowe, których geometria i apertura numeryczna może być zmieniania w szerokim zakresie. Obok technologii wymiany jonowej prowadzone są badania nad wytwarzaniem optoelektronicznych struktur falowodowych technologią zol-żel.

Równocześnie prowadzone są badania zjawisk magnetooptycznych w światłowodach włóknistych oraz strukturach planarnych, w tym także światłowodach zawierających ciekłe kryształy nematyczne. W połączeniu z pracami nad światłowodowymi czujnikami planarnymi prowadzone są także prace nad akustooptycznymi przetwornikami sygnału EA nie wrażliwymi na zakłócenia elektromagnetyczne.

Intensywnie rozwijane są w Zakładzie badania zjawiska rezonansu plazmonowego. W oparciu o to zjawisko opracowano czujniki różnych wielkości fizycznych. Dziedzina ta rozwijana jest przez dr Z. Opilskiego i jego współpracowników.

W badaniach uczestniczą m.in.: Iwona Zielonka, Kamil Barczak, Erwin Maciak, Cuma Tyszkiewicz, Damian Kasprzak, Jolanta Ignac-Nowicka.

Rezultatem badań wielomodowych planarnych struktur interferencyjnych jest praca habilitacyjna Marka Błahuta.

 

Katedra Optoelektroniki współpracuje na polu dydaktycznym i naukowym z różnymi Uniwersytetami i instytucjami badawczymi należącymi do Wspólnoty Europejskiej.