Waûniejsze wydarzenia z dziedziny rozwoju techniki laserowej 1. Rys historyczny oraz sytuacja poprzedzajâca wynalezienie lasera. Panujâca od koïca XIX wieku w Europie i Stanach Zjednoczonych dâûnoôê do naukowego poznania zjawisk i zwiâzana z niâ naukowa euforia spwodowaîy ogromny postëp, zwîaszcza w dzisdzinie nauk fizycznych. Druga wojna ôwiatowa przyniosîa gruntownâ zmianë dâûeï, powodujâc ukierunkowanie badaï pod kâtem póúniejszego wykorzystania ich wyników w praktyce. Zwîaszcza dotyczyîo to prac finansowanych i wykonywanych na zlecenie wojska. W porównaniu do tego okresu pierwsza wojna ôwiatowa w dziedzinie rozwoju nauki i techniki znaczyîa nie wiele wiëcej, niû tylko cezura oddzielajaca epokë. Co najwyûej w dziedzinie lotnictwa, radiofonii, czy teû przemysîu chemicznego. Juû w latach trzydziestych wojsko zaczëîo dokîadnie sondowaê moûliwoôci potencjaîu naukowego starajâc sië ukierunkowaê go na swoje potrzeby poprzez finansowanie okreôlonego rodzaju badaï naukowych i poprzez inne srodki. Do chwili wybuchu wojny, szczególnie w Niemczech, oddziaîywanie to przerodziîo sië w zmasowany nacisk, aby prace naukowe obejmowaîy tylko te zagadnienia wiedzy, które mogîyby zainteresowaê wojsko. Przewaûajâca czëôê potencjaîu naukowego i przemysîowego Niemiec podporzâdkowana byîa pracom dla wojska. Podobnie byî w Japonii, natomiast w innych ówczesnych mocarstwach (Stany Zjednoczone, ZSRR), zjawisko to nie miaîo tak totalnego charakteru. Nowo powstaîe punkty ciëûkoôci w nauce i technice w rzeczy samej przetrwaîy wojnë. Po jej zakoïczeniu tylko niewielka iloôê naukowców powróciîa do prowadzenia dawniej rozpoczëtych prac, majâcych jednak obecnie mniejsze znaczenie przaktyczne. Z wprowadzonych pod koniec lat trzydziestych i na poczâtku czterdziestych technologii wojskowych w szybkim czasie powstaîa podstawa do utworzenia zaplecza przemysîowego, badawczego oraz produkcji zbrojeniowej na szeroko rozumianâ skalë, która po dziô dzieï pochîania na swój rozwój znacznâ czëôê fuduszy païstwa. Rozpoczëte przed wojnâ przedsiëwziëcia z dziedziny fizyki atomowej oraz badaï nad przestrzeniâ kosmicznâ doprowadziî do wyôcigu zbrojeï, Zimnej wojny oraz nagîego wzrostu potencjaîu nuklearnego mocarstw, a co za tym idzie wzrostu zagroûeï czychajâcych na zwykîego, szarego mieszkaïca Ziemi. Dzieckiem tak szeroko zakrojonej rywalizacji staî sië szybki rozwój w mikroelektroniki, nowoczesnego materiaîoznawstwa, techniki póîprzewodnikowej oraz laserowej, której to przyjrzë sië szerzej w tym referacie. Rok 1958. Charles Townes, konstruktor pierwszego wzmacniacza mikrofal zbudowanego na zasadzie emisji indukcyjnej (maser), zmodernizowaî go wraz z Lwem Szawîowem otrzymujâc tak zawny maser optyczny, który to emitowaî wzmocnione optycznie ôwiatîo. Byî to LASER (Light Amiplification by Simulated Emission of Radiation). Ôwiatîo widziane ma bardzo krótkie dîugoôci fal, okoîo jednej dziesiëciotysiëcznej mikrofali. Rezonator maserowy, w którym dochodzi do wzmocnienia, mierzy fale o dîugoôci dochodzâcej do kilku milimetrów. W przypadku ôwiatîa moûe on zmierzyê jedynie jednâ dziesiëciotysiëcznâ. Obaj fizycy znaleûli wyjôcie z tego technicznego problemu dziëki pomysîowi, by zastosowaê dîuûszy prët z lustrzanym zakoïczeniem, w którym fale ôwietlne stale przemieszczajâ sië w jednâ i w drugâ stronë, nim nie zostanâ dostatecznie powiëkszone, by mogîy byê zmierzone jako promieï laserowy. Pierwsze urzâdzenie wedîug tego projektu - tzw. laser rubinowy zbudowaî w 1960 roku w Stanach Zjednoczonych Theodore H. Maiman. To z pozoru niewinne odkrycie spowodowaîo rozwój nowej dziedziny wiedzy - techniki laserowej. Nikt jednak nawet w najômielszych snach nie przeczuwaî, iû ten promieï swietlny, widzialny tylko w otoczeniu dymu papierosowego, znajdzie tak wielkâ rzeszë entuzjastów i tak wiele zastosowaï. Jednak wszystko po kolei... Rok 1962. Po raz pierwszy projekt nowego urzâdzenia o nazwie laser zostaje realizowany praktycznie. Zapoczâtkowane jeszcze pod koniec 1960 roku praz Amerykanów - Herriota, Javanna oraz Bennetta w laboratoriach firmy Bell prace nad laserem zostajâ zakoïczone. Powstaje pierwszy laser gazowy. Dalsza realizacja projektu przenosi sië do laboratoriów Narodowego Biura Standardów (National Bureau of Standards), gdzie naukowcy przedstawiajâ gotowy dalmierz laserowy, wykorzystywany póúniej do bezkontaktowych, precyzyjnych pomiarów odlegîoôci. Jednoczeônie naukowcy amerykaïscy budujâ inny laser gazowy, zdolny do wytworzenia ciâgîego promienia ôwietlnego. Dwaj fizycy - Emmeth Laith oraz Juris Upatnicka uûywajâ go do skonstruowania laserowego hologramu. Rok 1964. W szpitalu Montlefire po raz pierwszy na ôwiecie grupa chirurgów dokonuje bezprecedensowej operacji usuniëcia kamieni nerkowych, przy której zastosowano promieï lasera. Urzâdzenie to nazwano skalpelem laserowym, a róûnica w dziaîaniu w stosunku do skalpela zwykîego polegaîa na tym, iû tutaj wypalano chore fragmenty tkanek, miast je wycinaê, tak, ja to robiono do tej pory. Zdecydowanie przyspieszyîo i uîatwiîo to pracë lekarzy, wzbudzajâc jednoczeônie szerokâ dyskusjë w prasie fachowej na temat sensownoôci zastosowaï tego typu urzâdzeï. Tym samym obalono tezë o niewielkiej przydatnoôci promieni laserowych. Laser w jednej ze swych form znalazî swe zastosowanie w medycynie. W dniu dzisiejszym kaûdy szpital posiada co najmniej jedno urzâdzenie, wykorzystujâce w swym dziaîaniu promienie lasera - od prostego skalpela znajdujâcego sië w sali operacyjnej, aû po skomplikowanâ aparaturë sîuûâcâ do przeôwietleï narzâdów wewnëtrznych, w tym i mózgu. Rok 1966. Dwaj uczeni, Peter Sorokin w Stanach Zjednoczonych oraz Fritz Schaffer w RFN dokonujâ pod dîugoletnich badaniach odkrycia lasera barwnikowego. Choê od czasu skonstrowania w 1958 roku pierwszego lasera rubinowego wynaleziono juû wiele innych materiaîów wzmacniajâcych falë ôwietlnâ, naukowcy stale poszukiwali takiego lasera, który pozwoli na zmianë dîugoôci fal w moûliwie duûym obszarze. Laser barwnikowy z okreôlonâ ôciôle czëstotliwoôciâ staî sië idealnym narzëdziem do budowy atomu i molekuî, do wywoîywania i sterowania reakcjami chemicznymi oraz wyszukiwania waûkich iloôci substancji z duûych odlegîoôci. Bowiem ôwiatîo tegoû urzâdzenia daje sië w swej czëstotliwoôci tak ustawiê, iû moûe pozostawaê przed dlµgi okres czasu w rezonansie z drganiami wîasnymi molekuî, czy teû atomów. Efekt ten jest moûliwy do zaobserwowania np. przy naôwietlaniu napromieniowanych czâstek, które poza tym nie wysyîajâ ôwiatîa. Jako aktywne medium - wzmiacniacz ôwiatîa - w nowych laserach barwnikowych dziaîajâ syntetycznie wyprodukowane organiczne barwniki. Pozytywny efekt uboczny laserów barwnikowych, to fakt, iû za ich pomocâ moûna wywoîywaê i kontrolowaê wyjâtkowo krótkie bîyskawice ôwietlne (rekord wynosi 8 femtosekund. Jedna femtosekunda to odpowiednik jednej milionowej jednej miliardowej czëôci sekundy. W tym przypadku promieniem lasera zaczynajâ sië interesowaê chemicy, którzy otrzymujâ w swe rëcë nowe, bardzo precyzyjne narzëdzie, niosâce pomoc przy przeprowadzaniu reakcji, które dosê czësto w normalnych warunkach laboratoryjnych byîyby niemoûliwe do zrealizowania. Rok 1970. Rozwój techniki cyfrowej oraz nie wystarczajâca juû pîyta gramofonowa z zapisanâ na niej muzykâ powodujâ powstanie gramofonowej pîyty wizyjnej. Ze wzglëdu na zbyt malâ pojemnoôê stadardowej pîyty, skonstruowano specjalnâ jej odmianë o tej samej ôrednicy, jednakûe z dwunastokrotnym zwëûeniem odstëpów pomiedzy poszczególnymi rowkami z danymi. Niemoûliwe wiëc w takim wypadku staîo sië zastosowanie do odczytu zwykîego rodzaju gîowicy. I tu z pomocâ przysztâ technika laserowa, która umoûliwiîa skonstrowananie specjalnej gîowicy laserowej, zbierajâcej gromady danych zapisanych na pîycie i îâczâcej je w obraz wizyjny. Po raz pierwszy do uûytku të nowâ technologie wprowadziîo do obiegu miëdzynarodowe konsorcjum elektroniczne TED, bëdâce poîâczenie trzech ówczesnych gigantów rynku, czyli AEG Telefunken, Teldec oraz Decca. Ten rok uwaûa sië za przeîomowy w dziedzinie techniki elektronicznej. Po raz pierwszy znalazî tu zastosowanie promieï lasera, a dziëki swej precyzji zostaî poddawany szerokim badaniom pod kâtem wykorzystania w nowych technologiach zapisu obrazu i dúwiëku. Juû w niedîugim czasie pozycja pîyty gramofonowej oraz kasety magnetofonowej jako noônika informacji ulegîy mocnemu zachwianiu, lecz do tego momentu musi upîynâê jeszcze trochë czasu. Rok 1970. Laser po raz pierwszy zastosowany w dziedzinie rozrywki masowej. To precedensowe wydarzenie miaîo miejsce podczas Monachijskiego Festiwalu Operowego i polegaîo na prezentacji kolorowych, ruchomych figur laserowych, majâcych swymi ksztaîtami przypominaê scenë teatralnâ. pokaz ten traktowano jako przejaw rozwoju sterowania oôwietleniem, w którym kaûda kolorowa lampa pracowaîa automatycznie w takt muzyki. Caîe pasmo czëstotliowoôci dúwiëków muzyki byîo w tym celu podzielone za pomocâ filtrów elektronicznych na mniejsze przedziaîy (odpowiednio - niskie, ôrednie i wysokie tony), które z uwzglëdnieniem amplitudy dúwiëku (jego mocy) sterowaîy odpowiedniâ grupâ lamp. Promienie laserowe nie tylko oôwietlaîy kolorowo i ze zmiennâ intensywnoôcia dekoracje sceniczne, rónoczeônie ukazywaîy róûnorodnoôê form (vide poruszajâce sië figury geomedtryczne Lassjou, czy teû przenikajâce sië pasma ôwiatîa). Forma i dynamika tych figur byîa dobierana przez komputer sterujâcy lampami laserowymi. Jako bazë wyjôciowâ doboru ksztaîtu przyjmowaî on barwë dúwiëku, rytmikë oraz gîoônoôê muzyki. Opinie na temat tego przedstawienia byîy podzielone (ja zwykle w przypadku nowatorskich technologii), jednak spotkaîo sië ono z duûym rozgîosem. Z czasem wiâzki laserwe stajâ sië nieomal obowiâzkowym wyposaûeniem nocnych klubów, dyskotek, a takûe koncertów etc. Pomimo upîywu ponad dwudziestu lat od tego wydarzenia, imprezy takie nadal gromadzâ wiele osób szukajâcych niezapomnianych wraûeï. Choê zorganizowanie pokazu ôwiateî laserowych nadal nie jest tanim przedsiëwziëciem, to juû dosyê czësto, nawet i w Polsce majâ miejsce wydarzenia tego typu (np. objazdowy pokaz zorganizowany przez stacjë radiowâ RMF FM latem ubiegîego roku, czy teû doroczny Festiwal Ôwiateî Laserowych na Mazurach). Jako noônik/ekran wyîapujâcy promienie laserowe stosuje sië dym, bardzo cienme ekrany szklane lub tafle wodne (z dziaîek wodnych idealnie pionowy wylatuje pod ciônieniem woda tworzâc taflë bëdâcâ ekranem. Wysokoôc takiego ekranu waha sië w przybliûeniu od 15 do 25-30 metrów. Rok 1973. Amerykaïskie Lawrence Livemore Laboratory przygotowaîo i przeprowadziîo duûy eksperyment syntezy jâdrowej. Zastosowano do tego celu dwanaôcie laserów wysokiej mocy, kaûdy o dîugoôci 50 metrów. Byîy one ûródîem poîâczonego w wiâzkë bîysku energii rzëdu 10.000 watosekund, skierowanego na porcjë zamroûonego deuteru i trytu (tzw. cieûka woda) w formie kulki o wielkoôci zbliûonej do îebka od szpilki. Pierwsze próby doôwiadczenia zakoïczyîy sië niepowodzeniem. Dopiero po dwóch latach doôwiadczeï i rekonstrukcji maszyny doprowadzono w 1975 roku do pierwszej w ôwiecie reakcji termojâdrowej wywoîanej promieniami laserowymi. Rok 1975. Technika laserowa wkracza w przestrzeï kosmicznâ. Zwiâzek Radziecki finansuje prace i doprowadza do stworzenia przez grupë naukowców specjalego lasera o podwyûszonej wydajnoôci przeznaczonego do sterowania systemem satelitów. Precyzja lasera miaîa takûe zagwarantowaê bezpieczeïstwo misji poszczególnych pojazdów, gdyû to wîaônie na niej oparto system ich dezaktywacji oraz sprowadzania z powrotem na powierzchnië Ziemi. Rok 1978. Znane z przeprowadzenia pierwszej w ôwiecie reakcji termojâdrowej przy wykorzystaniu promieni laserowych, laboratorium Lavrence`a Livemore`a oddaîo do uûytku nowe urzâdzenie laserowe sîuûace do przeprowadzania reakcji atomowych, nazwane "Shiva". Zasada dziaîania: 20 dziaîek laserowych "Shivy" wytwarza wspólnie okoîo 20 terawatów energii i rozgrzewa kuleczki z zamroûonego ciëûkiego wodoru do temeratury 60 milionów stopni, powodujâc rozszczepienie jâder atomów. Kolejnym, wiëkszym urzâdzeniem, w którym to pokîadali swe nadzieje naukowcy byîa "Nova". W tym samym roku zbudowano jeszcze cztery uzâdzenia do przeprowadzania kontrolowanych reakcji termojâdrowych klasy Tokamak (odpowiednio w Japonii, Stanach Zjednoczonych, Zwiâzku Radzieckim oraz Wielkiej Brytanii). Poszerzyîo to w stopniu znacznym gremium naukowców, stosujâcych të, badú co bâdú, rewolucyjnâ technikë. Rok 1980. Do przetwarzania danych rozbudowano w licznych krajach wysoko rozwiniëtych laserowe banki danych. Do tego typu pamiëci doskonale nadajâ sië znane juû od 1948 roku promienie laserowe w postaci hologramów. Urzâdzenie kodujâce dane przeksztaîca zakodowane sygnaîy elektryczne we wzorzec w postaci rastra, cxyli w przezroczyste i nieprzezroczyste punkty. Ten rastrowy obraz zostaje przeksztaîcony za pomocâ powszechnie sotosowanych ôrodków holograficznych przez heterodynë punktowego promienia laserowego w interferencyjny obraz. Na noôniki danych nadajâ sië doskonale pîyty fotograficzne lub tez warstwy metalowe, odparowujâce tylko w tych miejscach, które spotykajâ sië ze ôwiatîem laserowym. W pamiëciach tego typu informacje nie ulegajâ ûadnym zmianom, dlatego doskonale nadajâ sië do tworzenia duûych banków danych. Dane sâ rejestrowane na noôniku za pomocâ promienia laserowego, a co ciekawsze caîy proces jest zjawiskiem odwracalnym. Podobnie dyskusyjne jest stosowanie fotochromowych filmów, w których na skutek naôwietlenia zmienia sië absorbcja kolorów. Jednostki pamiëci od 107 do 108 megabajtów na 1 mm szeôcienny moûna uzyskaê za pomocâ trójwymiarowych hologramów we wnëtrzu krysztaîu. Stworzyîo to zupeînie nowe miûliwoôci w dziedzinie gromadzenia danych (duûa pojemnoôê przy mikroskopijnej powierzchni zapisu). Rok 1981. Pierwsze odtwarzacze z pîyt cyfrowych (Compact Disc), podobnie jak i pîyty pojawiîy sië na rynku. Zostaîy one skonstruowane i ustanaryzowane przez dwie firmy elektroniczne - holenderskiego Phillipsa ora japoïskâ Sony. Koncepcja ta uwzglëdnia dwie nowe, rózne technicznie zasady. Jedna z nich polegaîa na tym, iû rejestracja sygnaîu dúwiëkowego nie nastëpowaîa tak, jak w przypadku konwencjonalnych pîyt gramofonowych w sposób analogowy, tzn. proporcjonalnie do czëstotliwoôci i siîy dûwiëku, lecz cyfrowo. Czëstotliwoôê dúwiëku poddawanego procesowi zapisy na krâûku byîa dyskretyzowana i rejestrowana nie w postaci spiralnych rowków, lecz jako maîe podîuûne zagîëbienia, których poîoûenie wzglëdem siebie oraz dîugoôê byîy nosnikami informacji o dúwiëku. Drugâ zasadniczâ nowoôciâ byî sposób ich odtwarzania. Polegaî on nie na mechanicznym odtworzenie za pomocâ igîy, lecz nastëpowaî pod wpîywem promienia laserowego. Dlatego teû pîyta, której powierzchnia zabezpieczona jest przezroczystym tworzywem, byîa i jst praktycznie niezniszczalna. Równierz kurz, wîosy, plamy, zadrapania powierzchni i temu podobne urazy mechaniczne nie miaîy wpîywu na jakoôc odtwarzanego dúwiëku. Pîyty CD stadardowych rozmiarów majâ ôrednicë tylko 11,5 centymetra. Ôcisîe rozpowszechnienie nowych technologii rozpoczëîo sië dopiero po udostëpnieniu dokumentacji technicznej firmom z dalekiego wschodu, co zapewniîo masowâ produkcjë oraz maksymalne obniûenie jej ceny . W poîaczeniu z wypustami pirackimi, doprowadziîo to do faktu, iû nie ma chyba obecnie osoby, która nie widziaîaby na wîasne oczy plyty kompaktowej. Koniec lat osiemdziesiâtych i poczâtek dziewiëêdziesiaþych upîywa pod znakiem rozwoju techniki laserowej w dwóch kierunkach. Pierwszy to ôwiadome komplikowanie podzespoîów i tworzenie nowych, precyzyjniejszech urzâdzeï wykorzystywanych zarówno w badaniach naukowych, jak i przez wojsko. Na systemach laserowych oparte sâ juû niektóre systemy naprowadzania broni na cel, kontroli lotów, precyzyjnego wyznaczania poîoûenia wroga lub wynaleziony niedawno, dosyê kontrowersyjny karabin laserowy. Broï të przedstawiono jako prototyp, jednak najprawdopodobniej nie wejdzie ona do seryjnej produkcji ze wzglëdu na protesty wielu wpîywowych ôrodowisk. Zasada dziaîania jest prosta, a zarazem drastyczna. Ûoînierz otrzymuje do rëki coô na ksztaît normalnego karabinu, jednakze wyposaûonego w niewielkie dziaîko generujâce i wystrzeliwujâce promienie laseorowe. Ich czëstotliwoôê jest tak dobrana, iû po trafieniu wroga powyûej pasa powodujë wypalenie siatkówki jego oczu. To, co do tej pory uznawano za fantastykë, staîo sië rzeczywistoôciâ, jednak ze wzglëdu na moûliwoôê nieprzewidzianego uûycia broni zdecydowano sië zatrzymaê prace nad tym projektem. Znane sâ teû obecnie próby detonacji îadunków wybuchowych z duûej odlegîosci za pomocâ promieni laserowych. Precyzja trafienia z "dziaîa" laserowego jest ogromna i pozwala na trafienie monety dziesiëcioccentowej z okoîo 2 kilometrów! Kto wie, czy obecnie w laboratoriach wojskowych nie ma juû jeszcze silniejszej broni opartej na promieniach laerowyh, lecz narazie pozostaje to ukryte pod pîaszczykiem tajemnicy... Drugi kierunek rozwoju to zejôcie z technikâ laserowâ do mas. W wielu domach znajdujâ sië juû czytniki pîyt kompaktowych, pîyt CD-I, CD-V (kompaktowe pîyty wizyjne), a takûe CD-ROM. Lata dziewiëêdziesiate to takûe poszukiwanie nowych zastosowaï dla stanardowych czytników. Technika komputerowa w momencie niewystarczalnoôci pojemnoôci dyskietki magnetycznej i nadal wysokich cenach dysków twardych zainteresowaîa sië pîytâ kompaktowâ, jako noônikiem pamiëci masowej. Zmodyfikowano w tym celu zwykîy odtwarzacz CD, by mógî odczytywaê dane komputerowe zapisane w standarcie ISO-9001. Inne modyfikacje czytnika kompaktowego to standard Photo-CD opracowany przez firmë Kodak. Umoûliwia on zapis barwny zdjëê robionych zwykîym aparatem z wysokâ jakoôciâ. Obecnie spotykane na rynku czytniki kompaktowe mogâ odtwarzaê zwykîy zapis Audio-CD oraz wiëkszoôc ze stosowanych standardów. W technice komputerowej laser znalazî takûe zastosowanie w drukarkach laserowych - oferujâcych wydruki o nieporównywalnie lepszej jakoôci za niewiele wiëkszâ cenë. Laser i jego promienie to takûe inspiracja dla filmu. Ileû to nie widzieliômy efektownych scen, w których postaci walczyîy na laserowe miecze, pojazdy strzelaîy promieniami, laserowe obrazy stwarzaîy wszelkiej maôci iluzje (vide sîynna trylogia George`a Lucasa "Gwiezdne wojny"). Fakt faktem wszystkie te sceny rozgrywaîy sië w bliûszej lub dalszej przyszîoôci. Czy tak bëdzie? Czy z pozoru niewinne odkrycie dokonane przez dwóch naukowców w 1958 roku zrewolucjonizuje przestrzeï kosmicznâ? Juû dziô w niektórych dziedzinach nie potrafimy sië obejôê bez promieni laserowych. Co przyniesie jutro? Pozostaje nam czekaê i wierzyê w potëgë ludzkiego umysîu... Koniec Uwagi koïcowe: -------------- W pracy nad referatem wykorzystano m.in. materiaîy z "Kroniki Techniki", dane zawarte w sieci komputerowej Internet oraz fragmenty prasy fachowej. Ewentualne nieôcisîoôci mogâ wynikaê jedynie z przedawnienia niektórych danych (rekordy). Ze wzglëdu na zbyt duûâ objëtoôê materiaîu zdecydowaîem sië na wybranie tylko najwaûniejszych fragmentów informacji z tej dziedziny wiedzy. Mam nadziejë, iû nie wpîynëîo to na ogólny obraz caîoôci. Tomasz Wiôniewski Inûynierskie Zastosowanie Komputerów grupa K-01 semestr pierwszy, rok szkolny 1996-1997