Katedra Optoelektroniki Politechniki Śląskiej
w latach Złotego Jubileuszu 1971-2021
– historia i dzień dzisiejszy
I. Historia Katedry Optoelektroniki
Zarządzenie Ministerstwa Oświaty i Szkolnictwa Wyższego nr DT-04-010/1/69 z dnia 13 czerwca 1969 roku powołało w strukturze Politechniki Śląskiej w Gliwicach, z mocą obowiązującą od 15 czerwca 1969 roku, Wydział Matematyczno-Fizyczny. W składzie Wydziału znalazły się trzy katedry:
- Katedra Fizyki Technicznej,
- Katedra Matematyki Stosowanej,
- Katedra Geometrii Wykreślnej.
Dziekanem Organizatorem i pierwszym Dziekanem Wydziału został doc. dr Aleksander Opilski z Katedry Fizyki Technicznej. W październiku 1970 roku Wydział Matematyczno-Fizyczny rozpoczyna kształcenie studentów na dwóch nowo powołanych kierunkach studiów:
- fizyki technicznej, ze specjalnością fizyko-elektronika;
- matematyki stosowanej.
Zarządzenie MOiSW z dnia 15 marca 1971 roku wprowadza nową strukturę organizacyjną Wydziału, powołując do życia w miejsce trzech dotychczasowych jednostek dwie nowe:
- Instytut Fizyki;
- Instytut Matematyki.
Pierwszym dyrektorem Instytutu Fizyki został doc. dr Aleksander Opilski, a jego zastępcami zostali:
- prof. dr Włodzimierz Mościcki, do spraw nauki;
- doc. dr Bogusław Nosowicz, do spraw dydaktyki.
W Instytucie Fizyki w roku 1971 powołano sześć zespołów naukowo-dydaktycznych i ich kierowników:
- Zespół Akustycznych Metod Badania Półprzewodników kierownik doc. Aleksander Opilski, a następnie dr Zygmunt Kleszczewski;
- Zespół Dynamiki Aerozoli – kierownik doc. dr hab. Bolesław Wysłocki;
- Zespół Fizyki Ciała Stałego – kierownik doc. dr hab. Bolesław Matuła;
- Zespół Struktury Cieczy - kierownik Kazimierz Woźniczak;
- Zespół Fizyki Jądrowej - kierownik prof. dr Włodzimierz Mościcki;
- Zespól Technologii Materiałów Półprzewodnikowych – kierownik dr Sławomir Konczak.
Najsilniejszą kadrowo jednostką Instytutu Fizyki był wtedy Zespół Akustycznych Metod Badania Półprzewodników, w którym szczególnie intensywne badania prowadzi grupa badawcza w zakresie akustoelektroniki. W roku 1975 w Zespole Akustycznych Metod Badania Półprzewodników wyodrębnia się Zespól Akustoelektroniki (organizatorem tematyki naukowej był doc Aleksander Opilski). Kierownikiem zostaje dr Zenon Cerowski. W Instytucie Fizyki powstaje Zespół Jądrowych Metod Badania Ciał Stałych (kierowany przez dr Henryka Orwata).
Można uznać, że dzisiejsza Katedra Optoelektroniki miała swój początek 50 lat temu jako Zespół Akustycznych Metod Badania Półprzewodników.
W roku 1979 zachodzą zmiany organizacyjne w Instytucie Fizyki - zespoły uzyskują status Zakładów, jako jednostek o samodzielności naukowej. Zakład Akustoelektroniki stał się bardzo istotną, wiodącą jednostką Instytutu Fizyki.
W roku 1985 nazwę Zakładu Akustoelektroniki zmieniono na Zakład Akusto-Optoelektroniki, a w roku 2000 na Zakład Optoelektroniki.
Decyzją ówczesnego Rektora Politechniki Śląskiej - Pana Profesora Andrzeja Karbownika, Zakład Optoelektroniki w całości został przeniesiony na Wydział Elektryczny w 2009 roku i utworzył tam niezależną jednostkę organizacyjną - Katedrę Optoelektroniki. Katedra Optoelektroniki znajduje się w strukturach organizacyjnych Wydziału Elektrycznego do chwili obecnej.
Jak już zaznaczono, organizatorem Zakładu Akustoelektroniki był doc. Aleksander Opilski, zaś pierwszym jego kierownikiem - dr Zenon Cerowski. Od roku 1976 kierownictwo Zakładem przejmuje doc. Aleksander Opilski. W latach 1981 - 1983 funkcję kierownika sprawował dr Zenon Cerowski. Po dr Cerowskim od 1983 do roku 2000 kierował Zakładem ponownie prof. Aleksander Opilski. W latach 2000-2021 kierownikiem Zakładu a następnie kierownikiem Katedry Optoelektroniki był prof. Tadeusz Pustelny. Od roku 2021 funkcję Koerownika Katedry Optoelektroniki pełni dr hab. inż. Erwin Maciak, prof. PŚ.
W roku 2003 ówczesny Zakład Optoelektroniki w wyniku konkursu Unii Europejskiej w ramach 5-go Programu Ramowego EU uzyskał status Centrum Doskonałości - Metrological and Technological Center of Optoelectronics and Acustoelectronics
Katedra Optoelektroniki w roku 2009
Katedra Optoelektronki, we wszystkich swoich wcześniejszych formach organizacyjnych, była zawsze jednostką akademicką. W Jej aktywności akademickiej można wyróżnić działalność naukową i badawczą, działalność dydaktyczną oraz działalność organizacyjną w zakresie promowania nauki.
II. Działalność naukowa i badawcza Katedry Optoelektroniki
Główne tematyki badawcze Katedry Optoelektroniki (we wszystkich Jej wcześniejszych formach administracyjnych) zostały przedstawione poniżej.
W zaproponowanym poniżej omówieniu starano się przedstawić główne obszary badawcze realizowane w Jednostce w okresie ostatniego półwiecza w ujęciu tematyki badawczej, z uwzględnieniem ich chronologii rozwoju.
II.1. 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. Prace były prowadzone w dwóch grupach badawczych.
W efekcie prac pierwszej grupy badawczej stwierdzono, że przerwa energetyczna półprzewodników zależy od struktury krystalicznej i od wewnętrznych naprężeń mechanicznych w półprzewodnikach. Badania potwierdziły, że 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 wyznaczenia metodami akustycznymi parametrów elektrycznych i elektronowych obszaru przypowierzchniowego w półprzewodnikach a także parametrów opisujących energetyczne stany powierzchniowe w półprzewodnikach. Rezultatem badań teoretycznych była w roku 1977 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.
Powyższe prace badawcze prowadzone były w ramach długofalowego programu badawczego PBR3, dotyczącego akustoelektroniki, skupionego na wszechstronnych badaniach elektrycznych i elektronowych właściwości obszaru ładunku przestrzennego w półprzewodnikach i piezopółprzewodnikach. Wyniki analiz teoretycznych podłużnego i poprzecznego akustoelektrycznego sygnału napięciowego wskazują na możliwość wyznaczenia wielu 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 ładunków większościowych i mniejszościowych przez stany pułapkowe i ruchliwość powierzchniowa nośników. Wykazano, że można na podstawie znaku napięcia akustoelektrycznego określić typ półprzewodnika. W ramach studiów tzw. efektu akustoelektrycznego podłużnego powstały prace doktorskie Zdzisława Kubika i Zdzisława Jakubczyka. W badaniach tych brał również udział mgr Wojciech Wajda. Ostatecznym rezultatem badań zjawisk akustoelektronowych była praca habilitacyjna Tadeusza Pustelnego, której tematem było opracowanie nowej akustoelektrycznej metody badania obszaru przypowierzchniowego półprzewodników złożonych grupy III-V.
W Zakładzie prowadzono również badania nad opracowaniem układów akustoelektroniki. Wynikiem badań nad rezonatorem z akustyczna falą powierzchniowa była praca doktorska Mariana Urbańczyka. W ramach tej pracy doktorskiej został opracowany rezonator na akustycznych falach powierzchniowych na częstotliwości ok. 10MHz. W tym czasie rezonator w tym zakresie częstotliwości był ważnym osiągnięciem naukowo-technicznym.
II.2. Zastosowanie akustycznych fal powierzchniowych do analizy gazów Układ linii opóźniającej z powierzchniową falą akustyczna (ang. SAW - Surface Acoustic Wave) typu Rayleigha w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego (tzw. rezonator z SAW) może być wykorzystany do detekcji wybranych gazów w środowisku powietrza. 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 adsorpcji 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. W Katedrze prowadzono 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 intensywna. Pozwoliło to na wykrywanie obecności gazów toksycznych na powierzchni sensora na podstawie pomiaru sygnału akustoelektrycznego. Opracowany został teoretyczny, innowacyjny elektryczny model zastępczy dla układu z falą powierzchniową w układzie filtra elektronicznego. Szczegółowa analiza właściwości efektu akustoelektrycznego wskazała, że może on zostać wykorzystany do budowy matrycy akustycznych sensorów gazów. Testowane były 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 powstały prace doktorskie Wiesława Jakubika oraz Tomasza Hejczyka. Z tematyk detekcji wybranych gazów metodą akustycznych fal powierzchniowych zostały zrealizowane rozprawy habilitacyjne Mariana Urbańczyka oraz Wiesława Jakubika.
II.3. Emisja akustyczna
Metoda emisji akustycznej (EA) daje unikalną możliwość obserwacji procesów deformacyjnych, lokalizacji źródeł tych procesów i diagnozowanie stanu badanego materiału, ośrodka, elementu lub urządzenia/obiektu.
Badania EA w ciałach stałych zapoczątkowano w Zakładzie Akustoelektroniki w roku 1982. Były to badania EA w materiałach geologicznych (węgle, łupki i piaskowce) w trakcie jednoosiowego obciążania próbek. Koncentrowano się na potwierdzeniu występowanie efektu Kaisera, nadawaniu badanym próbkom odpowiedniego typu według klasyfikacji Mogiego oraz na wyznaczaniu czasów narastania funkcji źródła i rozmiarów źródeł.
W latach 1988-1994 prowadzono badania EA pokładów węglowych w trakcie eksploatacji – zbudowano prototypową aparaturę pomiarową oraz wykonano badania „in situ”. Badania wykazały 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.
W latach 1986-1994 materiałem badawczym były taśmy przenośnikowe stosowane w górnictwie. Badania laboratoryjne pokazały dużą różnorodność procesów deformacyjnych w takich materiałach kompozytowych oraz możliwość diagnozowania stanu badanych próbek taśm.
W latach 1992-1996) prowadzono badania EA w wysokotemperaturowych ceramikach nadprzewodnikach Y-Ba-Cu-O. 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.
Począwszy od 1999 roku zajęto się zastosowaniem metody EA do badania wyładowań niezupełnych (WNZ). Badano zamodelowane źródła WNZ oraz WNZ w wybranych elementach i urządzeniach systemu elektroenergetycznego (pręty cewek generatorów, izolacja silników elektrycznych małej mocy, olejowe transformatory energetyczne). Zostały wprowadzone autorskie deskryptory EA o akronimach ADC, ADP i ADNC umożliwiające analizę sygnałów EA w dziedzinie progu dyskryminacji. Wiele badań było prowadzonych równolegle metodą elektryczną we współpracy z Instytutem Elektroenergetyki i Sterowania Układów kierowanym przez profesora Zbigniewa Gacka. Dzięki temu uzyskano możliwość skalowania wyników uzyskanych metodą EA oraz zbudowano opis wielu zjawisk WNZ w oparciu o analizę wyników uzyskanych połączonymi metodami elektryczną i EA. Aktualnie prowadzone są badania olejowych transformatorów energetycznych połączonymi metodami - metodą EA (lokalizacja źródeł i identyfikacja sygnałów pochodzących od WNZ i procesów magnesowania) i metodą termowizyjną.
W latach 2015-2016 członkowie Zespołu Badań Metodą EA pracowali w Urzędzie Dozoru Technicznego (UDT) w Warszawie. W tym okresie zbudowali mobilne laboratorium wyposażone w 32-kanałowy system pomiarowy EA AMSY-6, uczestniczyli w certyfikowanym kursie AT2 - Acoustic Emission Testing (level 2) i uzyskali certyfikaty AT level 2 uprawniające do prowadzenia badań zbiorników ciśnieniowych metodą emisji akustycznej. Dzięki temu w 2015 r. w UDT wdrożono metodę emisji akustycznej zgodnie z norma PN-EN 1330-9:2019. Autorzy przeprowadzili badania ponad dwudziestu różnorodnych obiektów przemysłowych takich jak urządzenia ciśnieniowe (zbiorniki o osi pionowej, zbiorniki o osi poziomej, reaktory, kolumny, rurociągi technologiczne) i zbiorniki magazynowe o osi pionowej ściśle. Aktualnie prowadzone są badania gazociągów metodą EA.
W badaniach metodą EA stosowano początkowo aparaturę EA DEMA zbudowaną w IPPT PAN oraz zbudowany system pomiarowy do rejestracji i analizy sygnałów EA (zbudowany z urządzeń firm Bruel & Kjaer, Bell & Howell i Tektronix). W 2000 roku DEMA-COMP zbudowano system pomiarowy łączący obie ww. funkcje zawierający aparaturę DEMA jako element do akwizycji danych. W 2010 roku w Katedrze Optoelektroniki roku zbudowano autorski 8-kanałowy system pomiarowy 8EA-WNZ dedykowany do identyfikacji sygnałów pochodzących od WNZ i lokalizacji źródeł WNZ w olejowych transformatorach mocy metodą EA. Wzmocnienie systemu jest w pełni kontrolowane przez jego oprogramowanie, z zakresem dynamiki 65 dB dla zmian sygnału wejściowego. Szerokość pasma systemu wynosi od 20 kHz do 1000 kHz. System wyposażony jest w autorskie oprogramowanie napisane w LabVIEW umożliwiające monitorowanie sygnałów, rejestrację danych w czasie rzeczywistym (w paśmie 20-1000 kHz), podstawowe (w dziedzinach czasu, częstotliwości i czasowo-częstotliwościowej) oraz zaawansowaną analizę zarejestrowanych sygnałów (w dziedzinie progu dyskryminacji).
Aktualny skład Zespołu Badań Obiektów Metodą Emisji Akustycznej: dr hab. inż. Franciszek Witos, prof. PŚ; dr hab. inż. Zbigniew Opilski, prof. PŚ; dr inż. Aneta Olszewska, mgr inż. Maciej Setkiewicz.
Ważniejsze osiągnięcia: monografia habilitacyjna i dwie prace doktorskie; 11 prac w 4 monografiach, ponad 20 artykułów w czasopismach z listy filadelfijskiej, 3 patenty i 3 granty KBN/NCN.
W tematyce diagnostyki izolacji urządzeń elektroenergetycznych powstała praca doktorska pani Teresy Buchacz.
II.4. Akustooptyka
Na początku lat 70-tych XX-go wieku członkowie Zespołu Akustycznych Metod Badania Półprzewodników włączyli się również w badania z zakresu akustooptyki. Temat został podjęty w efekcie powstania nowych źródeł światła - laserów. Inicjatorami tematyki badawczej byli ówcześni: doc. Aleksander Opilski oraz mgr 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 1975 roku podzielony na dwie grupy: Zespół Metod Akustyki Ciał Stałych oraz Zespół Akustoelektroniki. Kierownikiem pierwszego Zespołu został późniejszy profesor Zygmunt Kleszczewski. Kontynuował on przez wiele lat badania akustooptyczne. Kierownikiem drugiego Zespołu został doc. Aleksander Opilski.
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 ważnym czynnikiem rozwoju technologii cienkowarstwowych przetworników piezoelektrycznych wykonanych z CdS i ZnO. W oparciu o te badania powstały prace doktorskie Józefa Finaka i Huberta Jeronimka.
Oddziaływaniom pola elektromagnetycznego z polem akustycznym poświęcona była praca doktorska Marka Błahuta obroniona na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Gdańskiego.
II.5. Inżynieria biomedyczna
Od wielu lat w tematyce naukowej i badawczej dzisiejszej Katedry Optoelektroniki jest obecna inżynieria biomedyczna.
Tematyka ta była obecna w formie współpracy Katedry z Fundacją Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu. Współpraca ta została nawiązana jeszcze z nieodżałowanym Profesorem Zbigniewem Religą. Katedra opracowała unikalny w skali światowej system do wyznaczania aktualnej objętości krwi w komorze sztucznego serca. Zostały opracowane dwa systemy określania objętości części krwistej komory w oparciu o ideę akustyczną a także z wykorzystaniem układu sensorów optycznych. W badaniach uczestniczyli: prof. Tadeusz Pustelny, ówczesny mgr Grzegorz Konieczny oraz doktor Zbigniew Opilski. Badania nad systemem monitorowania pracy komory sztucznego serca zostały realizowane w ramach pracy doktorskiej Grzegorza Koniecznego.
Z zakresu inżynierii biomedyczne były prowadzone badania modelowe parametrów metrologicznych układu krążenia dla potrzeb diagnostyki hemodynamicznej serca w grupie profesora Pustelnego. Badania pozwoliły na zaproponowanie niskoinwazyjnej metody wyznaczania parametrów układu krążenia z okolic serca. Badania zakończyły się m.in. doktoratem Macieja Gawlikowskiego.
Katedra Optoelektroniki, we współpracy z Instytutem Techniki i Aparatury Medycznej oraz Śląskim Uniwersytetem Medycznym prowadziła bardzo intensywne badania nad opracowaniem systemu do wczesnej detekcji zmian dysplastycznych i nowotworowych skóry u pacjentów. Efektem kilkuletnich badań był oryginalny w skali światowej optyczny system diagnostyki nowotworów skóry. Po stronie Katedry Optoelektroniki w opracowaniu systemu uczestniczyli ówcześni: prof. Tadeusz Pustelny, dr hab. Marian Urbańczyk, dr Zbigniew Opiski, dr Erwin Maciak. Badania nad opracowaniem systemu do diagnostyki nowotworów skóry zakończyły się dużym sukcem. System był wystawiany w Brukseli na światowej wystawie EURKA Innova w 2007 i uzyskał najwyższe przyznawane na wystawie wyróżnienie: Gold Medal with menton oraz Grand Prix du Jury EUREKA Innova 2007.
W zakresie inżynierii biomedycznej bardzo aktywną działalność prowadzi dr hab. inż. Przemysław Struk. Dr Struk od lat rozwija współpracę z Universytetem w Besncon z grupą kierowaną przez Profesora Christopher’a Goreckiego. Efektem wspólnych badań jest opracowanie diagnostycznego systemu endoskopowego do detekcji nowotworów w jamach ciała. Opracowany system diagnostyczny prezentuje wysoki stopień zaawansowania technologicznego i metrologicznego. Jest osiągnięciem w skali ogólnoświatowej.
W Katedrze Optoelektroniki został opracowany system do obrazowania podskórnych naczyń krwionośnych w tkankach ludzkich z wykorzystaniem promieniowania optycznego z zakresu podczerwieni. Diagnostyka z wykorzystaniem opracowanego systemu pozwala na detekcję zmian dysplastycznych i nowotworowych w tkance miękkiej (w tym detekcję nowotworów piersi u kobiet). Diagnostyka jest nieinwazyjna i w pełni bezpieczna dla pacjentów. Umożliwia prowadzenie badań wielokrotnych w dowolnie powtarzających się okresach. Badania były realizowane we współpracy pomiędzy Katedrą Optoelektroniki Politechniki Śląskiej a przedsiębiorstwem WASKO S.A.. W badaniach uczestniczyli, po stronie Katedry Optoelektroniki: dr hab. inż. Zbigniew Opilski, mgr Maciej Setkiewicz, prof. Tadeusz Pustelny, zaś po stronie WASKO S.A.: dr Mirosław Pach oraz dr Tomasz Hejczyk.
II.6. 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 zmienił nazwę na Zakład Akusto-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 w półprzewodnikach, 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. Światło, po przejściu toru pomiarowego, było transmitowane przez soczewkę gradientową, która formowała wiązkę pomiarową (zmieniała rozbieżność wiązki). Po odbiciu od powierzchni mającej możliwość ruchu, sygnał świetlny powracał do soczewki i oświetlał światłowód, na końcu którego znajdował się detektor (fotodioda lub fototranzystor). Celem wiązki odniesienia była kompensacja zmian sygnału wynikających z fluktuacji natężenia światła emitowanego przez diodę LED oraz strat powstałych w wyniku mikrozgięć włókna światłowodowego. W ramach swojej pracy doktorskiej badania te realizował w tym okresie ówczesny mgr Paweł Karasiński. Do analizy strat zgięciowych służył zaprojektowany w tym celu układ elektroniczny. System światłowodowy przystosowany był do współpracy z programowanym mikroprocesorem, który służył do obróbki danych pochodzących od wielu takich systemów (linearyzacja, uśrednianie i prezentacja). Sensor o przedstawionej konstrukcji pracował jako czujnik ciśnienia. Został również wykorzystany do kontroli temperatury głowicy kombajnu górniczego. Badania nad wykorzystaniem światłowodów specjalnych typu D w aspekcie opracowania sensora pola magnetycznego o relatywnie dużym natężeniu w oparciu o tzw. efekt Faraday’a były rozwijane przez mgra Kamila Barczaka. Badania zostały podsumowane rozprawą doktorską, efektem której było opracowanie oryginalnych sensorów pola magnetycznego o bardzo dobrych właściwościach izolacyjnych. Bania możliwości wykorzystania światłowodów włóknistych i światłowodów specjalnych do pomiarów prądów elektrycznych o dużym natężeniu (setek amperów i więcej) oraz do pomiarów indukcji pola magnetycznego zostały przez Kamila Barczaka podsumowane Jego rozprawą habilitacyjną.
Problem detekcji pola magnetycznego w oparciu o wpływ tego pola na planarne struktury z warstwami magnetycznych ciekłych kryształów był badany i analizowany w pracy doktorskiej ówczesnego mgra Cumy Tyszkiewicza.
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, wielomodowych refraktometrów planarnych oraz wielomodowych struktur interferencyjnych typu MMI.
W rezultacie badań w zakresie optoelektroniki oraz technologii optyki planarnej powstały prace doktorskie Romana Rogozińskiego i Kazimierza Guta.
W Jednostce były bardzo intensywnie rozwijane badania nad analizą propagacji plazmonów powierzchniowych zarówno w strukturach planarnych optyki zintegrowanej jak również w strukturach optycznych na bazie falowodów optycznych. Badania te zaowocowały rozprawami doktorskimi ówczesnych magistrów fizyki - Zbigniewa Opilskiego oraz Erwina Maciaka. Badania w tej tematyce był realizowane w rozprawie doktorskiej Pani Jolanty Ignac-Nowickiej.
Badania zjawisk fizycznych zachodzących w planarnych i włóknistych elementach światłowodowych, badania nad technologią ich wytwarzania oraz konstruowania czujników optycznych różnych wielkości fizycznych są w Katedrze Optoelektroniki ciągle intensywnie rozwijane. Są one głównie skupione na:
- modelowaniu procesu elektrodyfuzji dla wymiany jonowej w szkłach,
- analizie wpływu profilu refrakcyjnego światłowodu na czułość interferometru różnicowego,
- analizie pola prążkowego w badaniu światłowodów planarnych,
- zastosowań światłowodów w technice sensorowej,
- 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 koncentrują się są na:
- oznaczaniu metodami akustycznymi niskich koncentracji mieszanin gazowych,
- elektrycznych właściwości warstw ftalocjaniny w układzie czujnika gazów typu SAW,
- analizie układu filtra poprzecznego zastępującego układ wykorzystujący akustyczną fale powierzchniową,
- wytwarzaniu i charakteryzowaniu par fluorofor-absorber dla czujnika amoniaku bazującego na zjawisku luminescencji.
Technologia wymiany jonowej jest najczęściej wykorzystywana do produkcji gradientowych struktur światłowodowych oraz interferometrów międzymodowych (MMI). 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 szerokie badania nad wytwarzaniem optoelektronicznych struktur falowodowych technologią zol-żel.
Analizy teoretyczne i numeryczne struktur optyki planarnej i optyki zintegrowanej są przedmiotem zainteresowań naukowych dr hab. Marka Błahuta, prof. PSl. Tematyka ta była przedmiotem Jego rozprawy habilitacyjnej. Profesor Błahut tematykę tę kontynuuje i z powodzeniem rozwija, zwłaszcza w aspekcie zastosowań zjawiska interferencji międzymodowej w sensorach wybranych gazów.
Technologii wymiany jonowej w szkłach na potrzeby wytwarzania elementów i układów optyki planarnej dotyczyła rozpraw habilitacyjna dra hab. Romana Rogozińskiego.
Obok technologii wymiany jonowej prowadzone są w Katedrze badania nad wytwarzaniem optoelektronicznych struktur falowodowych technologią zol-żel. Badania te były podstawą rozprawy habilitacyjnej dra Pawła Karasińskiego. Tematyka analiz teoretycznych i numerycznych układów planarnych i paskowych wykonanych w technologii zol-żel była także głównym przedmiotem rozprawy habilitacyjnej dra Cumy Tyszkiewicza
Z powodzeniem badania w tematyce struktur planarnych i paskowych są kontynuowane i rozwijane przez profesorów Politechniki Śląskiej Pawła Karasińskiego oraz Cumę Tyszkiewicza również obecnie.
Intensywnie rozwijane są w Katedrze badania zjawiska rezonansu plazmonowego. W oparciu o to zjawisko opracowano szereg typów czujników różnych wielkości fizycznych. Dziedzina ta rozwijana jest przez profesorów PSl: dra hab. inż. Zbigniewa Opilskiego oraz dra hab. inż. Erwina Maciaka. W badaniach struktur optoelektronicznych uczestniczyli m.in. doktorzy: Iwona Zielonka, Damian Kasprzak, Jolanta Ignac-Nowicka, Artur Szewczyk.
II.7. Wysokozaawansowana metrologia nanowarstw i nanostruktur
W już w okresie XXI-go wieku w Katedrze bardzo intensywnie prowadzone są badania w zakresie technologii nanowarstw i nanostruktur oraz ich fizykochemicznej charakteryzacji. Badania technologiczne prowadzone są we współpracy w Katedrą Chemii Fizycznej Politechniki Śląskiej ale również we współpracy z Instytutem Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu a także z Instytutem Technologii Elektronowej oraz z Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie. Celem współpracy z Katedrą Chemii Fizycznej jest opracowanie nanostruktur półprzewodników tlenkowych o bardzo rozwiniętej powierzchni w formie warstw o nanometrowej grubości, nanorurek i tzw. nanokwiatów. Badania mają na celu wykorzystanie nanostruktur półprzewodników tlenkowych w sensorach wybranych gazów w procesie monitorowania środowiska naturalnego oraz kontroli i monitorowania środowisk pracy w obiektach zamkniętych. Efektem badań jest opracowanie sensorów tlenków azotu, tlenków węgla, wodoru, amoniaku, metanu a także lotnych związków organicznych.
Rezultatem współpracy z Instytutem Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu jest opracowanie oryginalnych technologii nanostruktur tlenku grafenu i tlenku grafitu dla zastosowań w sensorach wodoru oraz tlenków węgla i tlenków azotu. Podobny charakter miała współpraca z Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych, gdzie na potrzeby technik sensorowych zostały opracowane warstwy grafenu. Po stronie Katedry Optoelektroniki w badaniach o charakterze technologicznym uczestniczyli: dr Marcin Procek, dr Sabina Drewniak, dr hab. inż. Erwin Maciak, prof. Tadeusz Pustelny, dr hab. inż. Przemysław Struk, mgr Piotr Kałużyński, mgr Maciej Setkiewicz.
Katedra Optoelektroniki dysponuje bardzo bogatą i nowoczesną bazą metrologiczną w zakresie charakteryzacji mikro- i nanostruktu. Bazę metrologiczną Katedry tworzą Laboratoria: Skaningowej Mikroskopii Elektronowej SEM, Mikroskopii Siła Atomowych AFM, Mikroskopii Optycznej (w tym polaryzacyjnej) oraz Mikroskopii w Polu Bliskim, Widmowej Spektroskopii Optycznej, Spektroskopii Plazmonów Powierzchniowych, Spektroskopii Ramana, Elipsometrii Spektralnej, Spektroskopii Pola Zanikającego,…
Aktualnie, baza technologiczna ale przede wszystkim baza metrologiczna w zakresie fizyko-chemicznej charakteryzacji warstw, w tym mikro i nonostruktur prezentuje wysoki międzynarodowy poziom. Baza ta pozwala na realizację badań naukowych z zakresu technologii i metrologii na wysokim, światowym poziomie.
Badania te z dużym powodzeniem są prowadzone przez: dr hab. inż. Erwina Maciaka, dr hab. inż. Zbigniewa Opilskiego, prof. Tadeusz Pustelnego, dr hab. inż. Pawła Karasińskiego, dr hab. inż. Cumę Tyszkiewicza, dr hab. inż. Kamila Barczaka, dr hab. inż. Romana Rogozińskiego, dr Marcina Procka, dr Sabinę Drewniak, dr Kazimierza Guta, mgra Piotra Kałużyńskiego, mgra Macieja Setkiewicza.
Katedra Współpracuje z: MOEMS Group Institut FEMTO-ST at Université de Franche-Comté, Besançon we Francji, z Institute of Microelectronics w Barcelonie w Hiszpanii, z University of Geteborg w Szwecji, University of Oulu w Finlandii, z Optoelectronics Groupe of University of Twente w Holandii, University of Stuttgart w Niemczech,…
II.8. Podsumowanie działalności naukowo-badawczej Katedry Optoelektroniki
Wymiernym dorobkiem naukowym i badawczym Pracowników Katedry Optoelektroniki są publikacje naukowe w czasopismach o uznanej, wysokiej międzynarodowej pozycji.
W okresie pięćdziesięcioletniej historii Katedry Optoelektroniki, Jej Pracownicy opublikowali ponad 500 artykułów indeksowanych w światowych bazach Web of Science oraz SCOPUS. Uzyskali prawie 30 patentów międzynarodowych i krajowych. Realizowali kilkadziesiąt projektów badawczych. Brali aktywny udział w Projektach Rządowych PR, w Projektach Badawczo-Rozwojowych PBR oraz w Projektach Badawczych Naukowych PBN. Pracownicy Katedry uczestniczyli w wielu Projektach Narodowego Centrum Badań oraz Narodowego Centrum Nauki. Uczestniczyli i uczestniczą w projektach Fundacji na Rzecz Rozwoju Nauki.
W Katedrze Optoelektroniki oraz we wcześniejszych strukturach organizacyjnych Tej Jednostki, cztery osoby uzyskały tytuł naukowy profesora: profesor Aleksander Opilski, profesor Zygmunt Kleszczewski, profesor Tadeusz Pustelny, profesor Marian Urbańczyk.
Z grupy pracowników Katedry Optoelektroniki 10 osób jest lub było zatrudnionych na stanowisku profesora nadzwyczajnego Politechniki Śląskiej, w tym: Tadeusz Pustelny, Marian Urbańczyk, Marek Błahut, Franciszek Witos, Roman Rogoziński, Paweł Karasiński, Zbigniew Opilski, Cuma Tyszkiewicz, Erwin Maciak. W toku są procedury nad zatrudnieniem na stanowisku profesora nadzwyczajnego w Politechnice Śląskiej doktorów habilitowanych: Przemysława Struka oraz Kamila Barczaka. W najbliższym czasie powinny zostać rozpoczęte procedury o nadanie stopni doktora habilitowanego: dr Sabinie Drewniak, dr Anecie Olszewskiej, dr Kazimierzowi Gutowi oraz dr Marcinowi Prockowi.
35 Osób związanych z Katedrą Optoelektroniki uzyskało stopień doktora nauk fizycznych bądź doktora nauk technicznych.
Dwóch Profesorów z Katedry Optoelektroniki było wybieranych na członków komitetów naukowych Polskiej Akademii Nauk: Komitetu Akustyki oraz Komitetu Elektroniki i Telekomunikacji.
Za prowadzoną działalność naukową Pracownicy Katedry zyskali kilkadziesiąt Nagród JM Rektora Politechniki Śląskiej. Kilkakrotnie byli wyróżniani Nagrodami Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
Katedra Optoelektroniki prowadzi bogatą współpracę naukową z jednostkami krajowymi. Katedra współpracuje na polu naukowo-badawczym i dydaktycznym z różnymi uniwersytetami i instytucjami badawczymi należącymi do Wspólnoty Europejskiej a także z jednostkami naukowymi ze świata.
