Světlo a fotonika – II. část

Ing. Miroslav Jedlička, CSc.,
Česká a Slovenská společnost pro fotoniku

Fotonika v Československu a v České republice

V letech 1945 až 1990 se v Československu výzkumu, vývoji a výrobě fotonických součástek a jejich použití věnovali odborníci několika pracovišť – v ústavech Československé akademie věd, výzkumných ústavech a výrobních závodech.

Přijímače optického záření (detektory fotonů) využívající fotoelektrickou emisi byly vyvíjeny a vyráběny v podniku TESLA VÚVET. Zde pracovníci dobře zvládli technologii výroby fotokatod Sb-Cs, Sb-Rb-Cs, Sb-Na-K a Sb-Na-K-Cs, které byly používány ve fotoelektrických násobičích, televizních snímacích elektronkách a převáděčích rentgenového obrazu.

Fotokonduktivní přijímače záření (fotoelektrické rezistory) CdS, CdSe, PbS a InSb vyráběl podnik TESLA Blatná. Tyto součástky byly spolu s dalšími druhy výzkumně sledovány na několika vysokoškolských a akademických pracovištích.

Křemíkové a germaniové fotoelektrické diody vyráběl podnik TESLA Rožnov, v malých sériích pro speciální účely také TESLA VÚVET.

Generátory fotonů (světelnými zdroji) pro osvětlování a signalizaci spojenou s přenosem jednoduché informace ze zabýval podnik TESLA Holešovice. Zde se vyrábělo mnoho typů tepelných zdrojů (žárovek), výbojových zdrojů (zářivek, doutnavek, rtuťových, halogenidových i sodíkových výbojek) a elektroluminiscenčních panelů. V oboru laserových zdrojů fotonů byly vyvinuty a vyráběny rubínové lasery, lasery helium-neonové a lasery s náplní CO2 (TESLA VÚVET, Ústav přístrojové techniky ČSAV, METRA Blansko). V náplni výrobní činnosti závodu TESLA Vrchlabí byly také zobrazovací součástky využívající kapalné krystaly (LCD) a dále svítivé diody (LED), v tomto oboru spolupracoval rovněž podnik TESLA VÚST. Černobílé i barevné obrazovky – zdroje fotonů pro reprodukci obrazů – produkoval podnik TESLA Rožnov. Zde se obrazovky vyráběly v obrovském množství pro pokrytí domácího trhu i na vývoz.

Obr. 1. Rozsah elektrooptiky
Každému druhu přeměny energie náleží jeden kvadrant kruhu. V prvním je přeměna O-E (optická na elektrickou), ve druhém přeměna E-O, ve třetím přeměna O-E-O a ve čtvrtém E-O-E. Přeměny uvedené v prvních dvou lze považovat za hlavní, protože přeměny v kvadrantu 3 a 4 jsou vlastně kombinacemi prvních dvou. Údaje ve výsečích jednotlivých kvadrantů jsou ve směru pohybu hodinových ručiček seřazeny z hlediska zpracování informace: v první výseči je prostá přeměna energie, ve druhé převod signálu na signál a ve třetí buď převod obrazu na elektrický signál, nebo převod elektrického signálu na obraz či obrazu na obraz. Ve směru od středu obrazce k obvodu jsou pro každou přeměnu udány využívané fyzikální jevy a principy, druhy elektrooptických měničů, jejich aplikace a také příbuzné neelektrooptické obory.

Převáděči obrazu z jednoho do jiného spektrálního oboru, zesilovači jasu obrazu a speciálními obrazovkami se zabývala TESLA VÚVET.

Stav po roce 1989 vedl – většinou z důvodu neschopnosti konkurovat trhu otevřenému na Západ – k poměrně rychlému zhroucení výroby zmíněných součástek, v podstatě zůstaly jen světelné zdroje a obrazovky [1].

Začátkem 70. let dvacátého století vznikla na Elektrotechnické fakultě ČVUT ve studijním směru, kde se vyučovala televize, potřeba pojmenovat část vyučovaného oboru, která se zabývala zařízeními pro přeměnu optického signálu a obrazu na elektrický signál a naopak. Protože studijní obor elektroakustika, který se věnoval přeměně akustického signálu na elektrický a naopak, byl na zmíněné fakultě již dlouho zaveden, byl zvolen název elektrooptika, přičemž se předpokládalo, že tato analogie umožní jeho zavedení. Okolnost, že ve fyzikálním slova smyslu je elektrooptika trochu něco jiného, byla úmyslně přehlédnuta.

V rámci definování oboru elektrooptika byly zavedeny tyto pojmy [2]:

• Elektrooptický přijímač, v němž se uskutečňuje přeměna energie nebo přeměna energie spojená s přenosem informace z optického oboru do elektrického oboru. Symbolika: O-E.

• Elektrooptický vysílač, který realizuje přeměnu energie nebo přeměnu energie spojenou s přenosem informace z oboru elektrického do oboru optického. Symbolika: E-O.

• Elektrooptické převáděče, které jsou určeny pro přeměnu energie nebo přeměnu energie spojenou s přenosem informace tak, že na vstupu i výstupu je sice energie téhož druhu, avšak procesu přeměny se účastní též druhá energie. Symbolika je dvojí: O-E-O nebo E-O-E.

Kdyby v té době byl pojem fotonika rozšířen tak, jak tomu bylo o deset až patnáct let později, byli by pro tato zařízení autoři asi zvolili název fotonické měniče. Ty jsou totiž založeny na procesech vazby, jak je popisuje kvantová elektrodynamika. Celý navrhovaný rozsah elektrooptiky byl přehledně naznačen pomocí kruhového obrazce na obr. 1.

Obr. 2. Návrh na rozsah fotoniky předložený na 1. československém semináři o fotonice v roce 1988

Ve fotonické výzkumně-výrobní základně „socialistického„ Československa bylo mnoho pracovníků, kteří se často setkávali na odborných akcích, většinou pořádaných pobočkami Československé vědeckotechnické společnosti. Významnou úlohu při pořádání konferencí i při usnadňování styku odborníků z různých pracovišť mezi sebou hrála jedna z technických komisí československého národního komitétu IMEKO^*). Její původní název zněl Detektory fotonů, později byla přejmenována ve shodě se stejnou mezinárodní komisí IMEKO na Fotonická měření. Jejími členy byly zástupci akademických, vysokoškolských, výzkumných i výrobních pracovišť z celé republiky. Kromě organizování různých odborných setkání se tato komise také snažila zavést soustavné vzdělávání v oboru fotoniky na některé z vysokých škol. Její snaha rovněž směřovala ke sdružení sil a prostředků ve směru, který byl tehdy velkou slabinou: týkal se kalibrace absolutních měřičů světelných a zářivých veličin a jejich srovnávání na různých tehdejších pracovištích, zejména v laboratořích Československého metrologického ústavu v Bratislavě (Ing. Juraj Žatkovič, CSc.) a v podniku TESLA Holešovice (Josef Krtil).

V druhé polovině 80. let minulého století tato komise rozhodla uspořádat první odborné setkání s názvem FOTONIKA ’88 jako celostátní seminář. Ten svým způsobem navazoval na jednodenní semináře pořádané v předchozích patnácti letech ve dvouletých intervalech pobočkou ČSVTS TESLA Holešovice k průběžnému posuzování stavu v oboru detektorů fotonů. Seminář se uskutečnil ve Vysokých Tatrách za účasti asi šedesáti zástupců z různých pracovišť. Ti na závěr akce vypracovali usnesení adresované tehdejšímu federálnímu ministerstvu hutnického, strojírenského a elektrotechnického průmyslu. V něm požadovali rozhodná opatření vedoucí ke zlepšení neuspokojivého stavu fotoniky v ČSSR [3]. Na semináři byl také diskutován rozsah tehdejší fotoniky a vzájemné vazby jejích jednotlivých odvětví (podle obr. 2) [4].

Záhy po listopadovém převratu 1989 byl přijat zákon č. 83/1990 Sb., o občanských sdruženích. Poté členové výboru komise Fotonická měření při československém národním komitétu IMEKO založili občanské sdružení s názvem Československá společnost pro fotoniku. V jeho stanovách je uvedeno, že společnost sdružuje zájemce o všechny druhy vědecké, technické, hospodářské i jiné činnosti spojené s projevem fyzikální částice foton a souhrnně nazvané fotonikou [5]. Tím jistě nebyla fotonika definována jako všechno, co souvisí s projevem fotonu, jako spíše to, že do sdružení mohou vstoupit všichni, kdo se o foton zajímají. Když se po necelých dvou letech od založení společnosti rozpadla československá federace, vznikla na základě českého právního řádu Česká a Slovenská společnost pro fotoniku, s nezměněnými stanovami a přístupná všem českým i slovenským občanům [6].

Obr. 3. Anglická varianta loga České a slovenské společnosti pro fotoniku

Vzhledem k postupnému zanikání činnosti v oboru výzkumu a průmyslové výroby fotonických měničů na území bývalého Československa se společnost v období patnácti let svého působení orientovala především na organizování odborných konferencí. Uspořádala několik velkých mezinárodních konferencí PHOTONICS PRAGUE [7] a od začátku 90. let dvacátého století se ujala pořádání tradičních každoročních konferencí OPTICKÉ KOMUNIKACE.

A co světlo?

Patří světlo – přesněji generace světla, světelná technika a osvětlování – do fotoniky? V prvním přiblížení se zdá, že poměr světla k fotonice je stejný jako poměr výroby elektrické energie k elektronice. Přece je však jedna významná oblast světla k fotonice v podstatně těsnější vazbě, pomine-li se základní okolnost, že světlo jsou fotony, a také to, že i v elektroenergetice se v malé míře uplatňují fotonické měniče pro získávání elektrické energie (fotovoltaické články [8]). Světelné zdroje LED (Light Emmiting Diode) jsou totiž typické fotonické měniče. Na tomto místě nebudou porovnávány vlastnosti klasických světelných zdrojů a LED z hlediska účinnosti, dosažitelného výkonu, cen, doby života apod. O tom existuje četná literatura – mnoho údajů se objevilo i v tomto časopisu. Bude stačit konstatování, že své „dětské krůčky„ mají LED již dávno za sebou a že jejich aplikace – zejména z důvodu vysoké spolehlivosti – např. v leteckém a automobilovém průmyslu nebo i v příručních svítilnách je dnes neoddiskutovatelná [9].

Obr. 4. Princip funkce LED Po připojení napětí U k přechodu P-N v propustném směru se Fermiho hladina rozštěpí na kvazi-Fermiho hladiny E_Fc a E_Fv, které jsou od sebe posunuty o energetický rozdíl eU. Tato energie je k dispozici při tzv. zářivé rekombinaci elektronů a děr. Připojení napětí totiž způsobí, že elektrony z typu N přecházejí do typu P a díry naopak (tzv. injekce nosičů) a obojí nosiče se ve velkém množství hromadí v blízkosti přechodu. To jsou výhodné podmínky pro vznik zářivé rekombinace, kdy elektrony svou energii předávají fotonům vznikajícího záření.

Princip využití fotonického převodu energie z elektronů na fotony u LED si lze objasnit na obr. 4. Zde je zjednodušené konstrukční uspořádání elektroluminiscenční diody LED. Je tvořena polovodičovým přechodem P-N, připojeným ke zdroji elektrického proudu v propustném směru, který dodává elektrickou energii, využívanou pro vznik energie zářivé, tj. fotonů. Přechod P-N má za tmy a v tepelné rovnováze polohu Fermiho hladiny společnou. Elektrický proud procházející přechodem za rovnovážných podmínek je určen algebraickým součtem rovnovážných toků nosičů náboje, které za časovou jednotku dopadají na přechod, vynásobený nábojem elektronu. Za rovnováhy jsou součty elektronových i děrových proudů procházejících přechodem nulové. Jakmile se k přechodu připojí elektrické napětí, změní se poloha Fermiho hladiny na obou stranách přechodu do polohy dvou kvazi-Fermiho hladin a začne vhánění děr ze strany P a vhánění elektronů ze strany N do společné oblasti přechodu. Tím jsou ovšem porušeny dosavadní rovnovážné podmínky a nastává intenzivní rekombinace elektronů a děr, při níž se energie nosičů elektrického náboje, rovnající se energetické vzdálenosti kvazi-Fermiho hladin, následkem přechodu přes zakázaný pás mění na energii vznikajícího záření, reprezentovaného fotony. Tento ukázkový proces fotonické přeměny energie se často nazývá injekční elektroluminiscence a neuplatňuje se u jakéhokoliv přechodu P-N. Je nutné splnit mnoho podmínek ohledně dotace, teploty, koncentrace defektů v materiálech, existence tzv. přímého zakázaného pásu a rekombinačních center atd.

Závěry

• Používání pojmu fotonika pro vymezení určitého vědního a technického oboru často bývá účelové; určitě je však vhodné pro popis procesů týkajících se výměny energie mezi nosiči elektrického náboje a fotony a zařízení založených na těchto procesech.

• V ČR má fotonika dobrou tradici a jsou zde podmínky pro její pokračování.

• Všichni, kdo pracují v oboru světelné techniky, se nemohou vyhnout podezření, že jsou také trochu fotoniky.

Literatura:
[1] KUBÁT, M.: Strategické problémy české elektroniky. In: Studie o technice v českých zemích, Sborník NTM, 2003, roč. 7, č. 32, s. 812–815. Encyklopedický dům, Praha.
[2] JEDLIČKA, M. – KOŠŤÁL, E.: Koncepce elektrooptiky. Slaboproudý obzor, 1974, roč. 35, č. 12, s. 541–544.
[3] JEDLIČKA, M.: Fotonika ´88. Jemná mechanika a optika 1989, roč. 34, č. 2, s. 63.
[4] JEDLIČKA, M.: Fotonika jako věda a nástroj. In: Sborník Fotonika ´88 . ČSVTS, Bratislava, 1988, s. 7–11.
[5] Československá společnost pro fotoniku. Slaboproudý obzor, 1990, roč. 51, č. 12, s. 485.
[6] www.photon-czsk.org
[7] Jemná mechanika a optika, 1995, roč. 40, č. 9, s. 303–304, 1999, roč. 44, č . 9, s.290–291, 2002, roč. 47, č. 8, s. 260.
[8] LIBRA, M. – POULEK, V.: Fyzikální podstata fotovoltaické přeměny solární energie. Světlo, 2005, roč. 8, č. 1, s. 32–36.
[9] MARSH, D.: LEDs make the spotlight. EDN Europe, 2004, roč. 49, č. 12, s. 20–29.

^*) IMEKO je zkratka mezinárodní organizace pro měření International Measurement Confederation; je odvozena z původního německého názvu Die Internationale Messtechnische Konföderation.