Autor: Leoš Kopecký

Světlo se nepochybně stalo nástrojem 21. století a je pravděpodobné, že se to nezmění ani ve stoletím příštím. Na první pohled je zřejmé, že za pozornost věnovanou světlu v našem století může současný bouřlivý rozvoj laserů jak ve výzkumu, tak i v průmyslu. Může za ni také rozvoj optických vláken a následně i rozvoj dalších informačních technologií využívajících vlastností fotonů. Nicméně potenciál světla je mnohem větší a rozmanitější.

Světlo je opravdu téměř univerzálním nástrojem, a to i pro naše pochopení vlastností jeho samého. Pro člověka je, nebo mělo by být, světlo jen ta část elektromagnetického vlnění, kterou je schopno zachytit lidské oko – tedy to, co vidíme. Ale třeba pro některý hmyz je světlem i pro nás neviditelné ultrafialové záření s vysokými frekvencemi a pro některé plazy zase i ta infračervená část spektra, kterou my lidé také nevidíme. Dobře, tak světlo není pro každého tvora to samé, což je docela pochopitelné. Navíc je tu ale ještě jedna dejme tomu nepřesnost. Zvykli jsme si říkat světlo i tomu elektromagnetickému vlnění, kde vnímáme fotony jako částice, které se daného děje nebo jevu účastní, přestože jejich frekvence je často taková, že jimi vytvořené obrazy nevidíme, nemůžeme je okem zachytit. Trochu si problém tím slovem „světlo“ zjednodušujeme, jde vlastně o fotony různých frekvencí, nebo častěji o jejich proud, ale je to tak díky tomu zastřešujícímu slovu pro nás laiky ještě jaksi přijatelné a pochopitelné. Umožňuje nám to alespoň trochu se přiblížit tomu nesmírně lákavému a perspektivnímu oboru, kterému se říká fotonika. Ta je kombinací částí optiky a elektroniky, oblastí, která využívá interakcí, převážně mechanizmů vzájemného působení fotonů a elektronů. Doposud se v oboru poměrně mladé fotoniky odehrály tři významné milníky. Dva už jsem v textu uvedl – vynález a aplikace laseru a využití optických vláken pro přenosy informací. Třetím milníkem je zvládnutí výroby fotonických čipů. Tedy ne elektronických, ale optických polovodičových součástek. Už v roce 2017 v prestižním médiu Nature výzkumníci z MIT (Massachusetts Institute of Technology) publikovali článek o vývoji nového systému optických obvodů, které jsou určené pro učení hlubokých neuronových sítí. 

Ty jsou v současnosti extrémně populární sekcí strojového učení, respektive umělé inteligence, protože poskytují obrovské možnosti použití jejich vlastností a schopností. Využití světla ke zpracování velkých dat a logiky je úspornější a výkonnější než pomocí klasických systémů, které dnes používáme. Místo použití elektřiny, která je základem všech čipů v počítačích, mobilních telefonech, serverech, datacentrech a podobně, se výzkumníci zaměřili na systém, který používá světlo. Optické počítače, respektive optické (světelné) čipy, jsou stále ještě ve vývoji, ale potenciální nahrazení elektroniky pravděpodobně už není nijak daleko. Optické čipy jsou a budou pochopitelně nesmírně významnou součástí budoucích zařízení. Je zajímavé ověřit si, jak reálně vypadá podpora našeho státu v rozvoji světelných technologií a především výzkum a vývoj jejich aplikací. Prostřednictví Technologické agentury České republiky bylo nebo je podpořeno 25 výzkumných projektů souvisejících s užitím světla v uvedených souvislostech. Částka podpory překračuje 0,5 mld. Kč. Jedním z nejaktivnějších subjektů v tomto výzkumu a vývoji je turnovská firma Crytur. Třeba světový Osram publikuje na svých stránkách následující text o firmě: „Společnost Crytur je prvotřídním poskytovatelem integrovaných optoelektronických řešení pro vědu, lékařství a high‑tech průmysl. S pouhými asi 350 zaměstnanci zavádí a vyrábí specializovaná řešení založená na vysoké odbornosti a úzké spolupráci zákazníků s globálním trhem. Portfolio produktů zahrnuje přesné detektory pro elektronovou mikroskopii, laserové komponenty a řešení pro vysoce intenzivní osvětlení, detektory ionizujícího záření, zobrazovací systémy s vysokým rozlišením a trvalou ochranu pro teplotní senzory.“ Výrobky firmy Crytur dnes usnadňují práci vědcům a výzkumným pracovníkům po celém světě a jsou klíčové pro správné fungování mnoha technologií vyspělého průmyslu. Základem výroby jsou monokrystaly, které slouží jako zdroj laserového záření. Tyto monokrystaly jsou optickými konstrukčními prvky nebo součástí scintilátorů či jiných detektorů. Právě scintilátory tvoří srdce moderních opto‑elektronických celků a vznikají tak špičkové malosériové výrobky, díky kterým je například získáván obraz v elektronové mikroskopii. Samotné scintilační krystaly nacházejí uplatnění především ve vědeckém výzkumu. Některé detektory jsou používány k výzkumu částic i na takových vědeckých pracovištích, jako je například CERN.

Dva příklady projektů aplikovaného výzkumu s podporou TA ČR a řešené experty firmy Crytur.

V roce 2021 byl dokončen výzkumný projekt s názvem „Vývoj DUV laseru pro polovodičovou litografii s pevnolátkovým předzesilovačem emitujícím na vlnové délce 1 485 nm“. Na tomto projektu s Crytur spolupracovali experti z Fyzikálního ústavu AV ČR – laserové centrum HiLASE, firma J. Rettenmaier & Söhne (JRS) z Německa a Nanjing Hurys Intelligent Technology z Číny. Vyvinutý modul je využíván např. jako nanosekundový předzesilovač do komerční DUV (deep ultraviolet) excimerové litografické stanice japonské firmy Gigaphoton. Druhý výzkumný projekt je příkladem ještě většího rozsahu mezinárodní spolupráce. Pod názvem „Aplikace a pokročilé optické materiály pro víceúčelové osvětlení nové generace“ se skrývá výzkum v oblasti luminiscenčních komponent pro výkonné světelné zdroje a jejich aplikační využití ve zdrojích se zvýšenou externí kvantovou účinností a podílí se na něm pět subjektů. Kromě Cryturu to jsou: Korea Photonics Technology Institute – Jižní Korea, SungKyunKwan University – Jižní Korea, UJL – Filipíny a Univerzita Karlova, Matematicko‑‑fyzikální fakulta. Výzkumný projekt bude dokončen na konci letošního roku, jeho výsledky pomohou dalšímu vývoji v LED a LD osvětlení a podpoří trh s výkonovým a vysoce kvalitním osvětlením. Nastupující výzkum, vývoj a aplikace využití vlastností světla pro průmyslové a i další oblasti se budou realizovat velmi rychle a ten vývoj bude nesmírně dynamický. To je pro světlo tak nějak přirozené, vyšší rychlost zatím neznáme.

Zdroj foto: Unsplash, Depositphotos