Optikai kutatások

A magyar optikai kutatások kezdete a 19. századra nyúlik vissza és Petzval József nevéhez fűződik (lencserendszerek kutatása, a világ első, fényerős portréobjektívének felfedezése [1840]). Az első igazi iskolateremtő egyéniség Bárány Nándor, akinek munkássága (könyvei, számos optomechanikai rendszer kifejlesztése, az Optikai Kutatólaboratórium és a BME Finommechanikai és Optikai Tanszék megalapítása, 1957) a II. világháború körüli években meghatározó volt.

Az optikai és száloptikai kutatókat (Barabás János, Majoros Sándor, Schinagl Ferenc, Tisza Sándor, illetve Hegyessy Géza, Besskó Dezső, Lisziewicz Antal) egyaránt az jellemzte, hogy a világon megjelent új termékeket gyártmányfejlesztéssel 1-3 év alatt reprodukálni tudták. A klasszikus finommechanika {IV-104.} és optika terén ma e munka örököse az Ábrahám György vezette Finommechanika és Optika Tanszék (színtévesztés magyarázata és ennek korrekciója: Ábrahám György és Wenzell Klára; a NASA által is felhasznált, teljes térszögben látó optikai lencserendszer nemzetközileg elismert kidolgozása: Greguss Pál).

1934-ben Gábor Dénest a British Thomson Houston Co. Rugbyben működő kutatóintézetében alkalmazta, ahol az elektronmikroszkóp felbontóképességét behatároló leképezési hibákkal foglalkozott. A megoldást 1947-ben a (ma) holografikus módszernek nevezett eljárásban találta meg: ha a tárgyat koherens fény világítja meg, akkor a tárgypontokról érkező fény (a tárgyhullám) intenzitáseloszlásán kívül (egy koherens referenciahullámmal interferáltatva) az interferenciakép (a rögzített kép, hologram) megőrzi a tárgyhullám fázis viszonyait is. A hologram a referenciahullámmal megvilágítva a tárgyhullám teljes információtartalmával (leképezési hiba nélkül) bármikor rekonstruálható. Gábor Dénes munkásságáért 1971-ben fizikai Nobel-díjat kapott.

Az 1960-es évektől kezdve komoly alkalmazott optikai kutatások folytak a Központi Fizikai Kutató Intézet (KFKI) Szilárdtestkutató Intézetében, Kroó Norbert vezetésével.

E vizsgálatok elméleti és technikai hátterét a fény természetével foglalkozó alapkutatások (Jánossy Lajos), valamint az atom- és molekulaspektroszkópiai kutatások (Mátrai Tibor) szolgáltatták. Főbb eredményei:

– Első hazai gázlézer (He-Ne, 1,15) (Bakos József, Csillag László, Kántor Károly, Varga Péter, 1963).

– Első hazai szilárdtestlézer (rubin, 0,69) (Farkas Győző, Náray Zsolt, Varga Péter, 1964).

– Első hazai vörös He-Ne lézer (Csillag László, Kántor Károly, Rózsa Károly, Salamon Tamás, 1965).

– Üregkatód-gerjesztésű lézerek és kisülések kutatása (nemesgáz-keverék ion lézerek: Jánossy Mihály, 1973; katódporlasztásos He-Cu ion lézer: Csillag László, 1974; új katódgeometriák: Rózsa Károly, 1975; gázkisüléses számítógépes modellezés: Donkó Zoltán, 1992).

– Folytonos és Q-kapcsolt Nd-YAG lézerek (Kertész Iván, 1974).

A He-Ne lézerek, a Nd-YAG lézerek, a lézeres mérőműszerek kidolgozásával, illetve kis példányszámú előállításával a KFKI jelentősen hozzájárult a korszerű optikai kultúra – ezen belül az egyetemi oktatás, az egészségügy és a korszerű ipar – hazai fejlesztéséhez. Ezek közül kiemelendő:

Jelentős a KFKI-ban kialakult optikai vékonyréteg alkotó műhely, amelyben 1970-től folyik sokrétű dielektrikum rétegrendszerek – lézertükrök, nyalábosztók, interferencia-szűrők stb. – tervezése és kis példányszámú előállítása (Luther András, Ferencz Kárpát); kiemelkedő eredmény a femtoszekundomos impulzusok terén végzett munka, melynek során fáziskompenzált lézertükröket dolgoztak ki és készítettek egyedileg femtoszekundumos lézerrendszerekhez (Ferencz Kárpát, Szipőcs Róbert, 1995-től).

A Tungsramban (lézeres anyagmegmunkálás: Antal Kálmán), valamint a Tungsramból kinőtt Lasramban az orvosi lézerek (Kreisz István) területén végzett alkotótevékenység érdemel kiemelést. Szép eredmények születtek a BME Fizika Tanszékén a dinamikus rendszerek holografikus interferometriás méréstechnikájában és vizsgálataiban (Füzessy Zoltán, Gyimesi Ferenc).

Az első hazai CO2 lézert 1976-ban készítette Richter Péter és Antal Kálmán.

Az első hazai félvezető lézerdiódát Lendvay Ödön és munkatársai fejlesztették ki.

A szegedi József Attila Tudományegyetem (JATE) Kísérleti Fizikai Tanszékén a lézerfizikai kutatások a Budó Ágoston nevével fémjelzett lumineszcencia-iskola {IV-105.} eredményeire épülve, az 1960-as évek közepén indultak meg. Ketskeméty István, Dombi József, Vize László és Kozma László neve jellemzi ezt a korszakot. 1969-ben működött először Szegeden villanólámpával gerjesztett festéklézer. Az 1970-es évek elején bekapcsolódott a kutatómunkába egy új, gyorsan hírnevet szerzett generáció, amelynek prominens képviselője Bor Zsolt, Rácz Béla és Szabó Gábor. 1974-től a festéklézerek optimális pumpáló forrásából, a nitrogénlézerből több mint tíz példány épült. Az intézetben készült számos nitrogén- és excimer lézerrel gerjesztett festéklézer többségét a felhasználók speciális igényeihez igazodva fejlesztették ki.

A fejlődés új útját jelölte ki Bor Zsolt, amikor 1978-ban, a göttingeni Max Planck Intézetben dolgozva felismerte az elosztott visszacsatolású lézerekben fellépő ön-Q-kapcsolás jelenségét, és olyan, úgynevezett akromatikus elrendezést dolgozott ki, amely lehetővé tette ezek gerjesztését kis tér- és időbeli koherenciájú lézerimpulzusokkal. Ez vetette meg a későbbiekben kidolgozott, excimer és nitrogénlézereken alapuló, piko-, illetve femtoszekundumos lézerrendszerek kifejlesztésének alapjait.

Az impulzusüzemű festék- és excimer lézerek kombinálásával Szatmári Sándor egy olyan újszerű lézerrendszert fejlesztett ki és valósított meg, amely egyesíti az excimerek rövid hullámhosszából és nagy teljesítményéből, továbbá a festéklézerek jó tér- és időbeli tulajdonságaiból származó előnyöket. A tudományos és mérnöki fejlesztőmunka ötvözeteként megalkotott lézerrendszerből, amely 248 nm hullámhosszú, tipikusan néhány száz femtoszekundumos, szub-terawattos impulzusokkal 1019 W/cm2 fókuszált intenzitás elérését teszi lehetővé, a világ több mint húsz vezető laboratóriumában működnek példányok. A JATE Kísérleti Fizikai Tanszékén ma folyó kutató-fejlesztő munka fő célkitűzései az excimerek energiahatásfokának növelése, és a rövid impulzusú erősítés feltételeinek megfelelő excimer erősítők további tökéletesítése.

Bor Zsolt tanítványának Osvay Károlynak a nagy átmérőjű nyalábban terjedő ultrarövid UV lézerimpulzusok idejének és időbeli kontrasztjának mérésére a Rutherford Appleton Laboratoryban, az 1990-es években kidolgozott, főként egylövéses eljárásai máig egyedülállóak. Különösen jelentős eredménye a nagy hatásfokú, extrém sávszélességű optikai erősítést biztosító, ún. nemkollineáris optikai parametrikus erősítés kísérleti bemutatása, és a módszer alkalmazása különböző spektrális tartományokban. Erre alapozva épül a JATE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékén egy a biológiai, kémiai és fizikai lézer-anyag kölcsönhatások vizsgálatában új fejezetet nyitó, nemzetközi viszonylatban is egyedülálló, terawattos impulzusokat szolgáltató femtoszekundumos lézerrendszer.

A Bor Zsolt vezetésével a JATE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékén működő Lézerfizikai Tanszéki Kutatócsoport – a szegedi optikai és lézerfizikai iskola eredményeire építve – a lézeralkalmazás egyik meghatározó hazai műhelyévé vált. Az excimer lézerrel végzett szaruhártyaműtétek kockázatainak csökkentéséhez jelentettek komoly hozzájárulást az eltávozó anyagfelhő és a szaruhártya fölött terjedő lökéshullámok nanoszekundum időfelbontású vizsgálata során elért eredmények, és a szaruhártya felületén terjedő felületi hullámok, illetve a szaruhártyában kialakuló akusztikus impulzusok kimutatása. A Szörényi Tamás körül kialakult munkacsoport nemzetközi elismerést kiváltott eredményekkel járult hozzá a nagy bonyolultságú áramkörök és a litográfiában használt optikai krómmaszkok javítására, illetve általában a (mikro)mintázatok előállítására elterjedten alkalmazott lézeres direktírás, illetve lézeres átmásolás (LIFT) technikájának tökéletesítéséhez. A vékonyréteg-előállítási {IV-106.} és a lézeres mikromegmunkálási technikák ötvözésének eredménye az integrált optikai szenzorok új generációjának nemzetközi együttműködésben történő fejlesztése és ipari méretű gyártása. 1994-től fontos alkalmazott kutatási témává nőtt a fotoakusztikus spektroszkópia. A Szabó Gábor és Bozóki Zoltán vezetésével működő munkacsoport diódalézereken alapuló rendszereket fejlesztett ki, gázok nagy érzékenységű detektálására. Ezek közül is kiemelkedik a MOL megbízásából 1998-ban készített kompakt műszer, amely vízgőz ppm szintű detektálását teszi lehetővé földgázban. Az 1990-es évek végére a vizsgálatok középpontjába a fotoakusztikus módszerek környezetkutatási és élelmiszer-fizikai alkalmazásai kerültek.

A modern optikai csúcstechnológiákban (a műszaki fizika határterületein) az 1980-as évek elejére, nemzetközileg ma is elismert, optikai iskola alakult ki a BME Atomfizika Tanszéken, amelynek vezetője Richter Péter. Az első nemzetközileg (az USA-ban is) elismert eredmények közé tartozik egy lidar rendszer létrehozása (Richter Péter), valamint az akusztooptikai (AO) eszközök széles körének kutató-fejlesztő munkái és kísérleti gyártásának teljes vertikumban való beindítása (Giber János, a tanszék akkori vezetője,Podmaniczki András, Jakab László,Behringer Tibor). A TeO2 és LiNbO3 kristályokat a Tarján Imre, Voszka Rudolf vezette MTA Kristályfizikai Kutatólaboratórium szállította.

Az akusztooptikai eszközök kidolgozott gyártástechnológiája lehetővé tette TeO2 alapú korszerű akusztooptikai eszközök, modulátorok, deflektorok, Q-kapcsolók, mode-lockerek, hangolható szűrők fejlesztését, egyedi, illetve kissorozatú gyártását. Ezen technológián számos hazai és nemzetközi ipari és tudományos együttműködés alapul.

Richter Péter vezetésével a tanszék kiemelkedő eredményeket ért el az optikai jelfeldolgozás, az optikai adattárolás és az integrált optika és alkalmazott spektroszkópia számos területén is.

Az optikai jelfeldolgozás terén a kidolgozott akusztooptikai elvű rádiófrekvenciás spektrumanalizátorok az analóg optikai számítógépek családjába tartozó különlegesen nagy sebességű készülékek, amelyek a 30–90, az 50–100 és az 1000–2000 MHz frekvenciasávban működnek, és számos kiállításon szerepeltek sikerrel (pl. kétszer az USA-ban); az optikai jelfeldolgozás szakterületén hozzájárultak az tanszék nemzetközi elismertségéhez.

Az akusztooptikai elvű rádiófrekvenciás iránymérő készülék saját fejlesztésű, 5 csatornás Bragg-cellán alapuló berendezés a 30–90 MHz-es sávban a világon az első olyan optikai jelfeldolgozó rendszer, amely gyorsan változó, néhány msec-es jelek mérésére is alkalmas. Ilyen jelek detektálására, mérésére más módszerek mind a mai napig nem bizonyultak megfelelőnek.

Akusztooptikai szűrő alkalmazása tette lehetővé – a Max Planck Institut für Quantumoptik (Garching) együttműködésével – az első hangolható sávszélességű félvezető lézer létrehozását (Richter Péter).

Az integrált optika eredményei közül a LiNbO3 alapú integrált optikai technológia kidolgozása említhető, amelynek segítségével hullámvezető, elektronlitográfiával készített felületi hullámú fényeltérítő, planár anizotróp lencsék, ki- és becsatoló elemeket tartalmazó integrált optikai rendszerek előállítása lehetséges.

Az optikai memória kutatási területén kiemelkedő a CD- és magnetooptikai tároló optikai fej optikai és mechanikai rendszerének tervezése, CD-fej mintasorozat elkészítése a speciális optikai tárolórendszerek optikai tervezése, pl. a lapszervezésű beírású, polarizációs-holografikus, valamint a háromdimenziós, kétfotonos beírású típusok működő modelljének megépítése (Richter Péter, Szarvas Gábor, Lőrincz Emőke).

{IV-107.} Az optikai tervezés területén az előzőekben felsorolt eredményekhez nagymértékben hozzájárult a modern mikrooptikai, aszférikus és diffraktív elemek tervezésében nagy jártasságú optikai tervezőcsoport. Az egyes elemek tervezését kiegészíti a komplett optikai rendszer modellezése, hibaanalízise, gyártási toleranciáinak optimalizálása (Szarvas Gábor, Barabás Miklós).

Sajátságos modellt jelentett a tanszék Videotonnal 1978-ban közösen létrehozott laboratóriuma. Ez volt az első ilyen közös intézmény a BME-n. A laboratóriumban az USA-ban és az NSZK-ban folyó munkákkal egy időben sikerült létrehozni a hazai magnetooptikai memória diszkeket TbFeCo (ritkaföldfém-átmeneti fém) amorf vékonyrétegekkel (Giber János, Cziegel Gábor, Bokor Tamás és mások).

Az akusztooptikai elvű gyors, hangolható spektrofotométer a látható tartományban működő saját fejlesztésű akusztooptikai hangolható szűrőt tartalmazó készülék optikai vékonyrétegek gyors, vákuumpárologtatás közbeni minősítésére alkalmas, gyorsítja a technológia beállítását, növeli annak reprodukálhatóságát.

Az alkalmazott spektroszkópia területén a legújabb eredmények közé sorolható a Siemens megrendelésére a tanszéken a gyártás megindításáig fejlesztett NIR közeli infravörös spektrométer, amely saját fejlesztésű AO-szűrővel dolgozik (Kocsányi László, Richter Péter, Giber János, Péczeli Imre, Jakab László, Sólyom András, Böröcz Szilárd, Barócsi Attila).

A lézeres anyagmegmunkálások területén kiemelendő az akusztooptikai nyalábkombinálón és fáziskonjugált reflektoron alapuló többszörös félvezető lézerrel pumpált YAG lézer fényforrású lézeres mikromegmunkáló (Jakab László, Richter Péter Barócsi Attila, Maák Pál). Az utóbbi évek fontos fejleménye a Lasram céggel létrehozott közös kutatólaboratórium, ahol többek között nagy teljesítményű repülőfejes megmunkáló rendszert, valamint kombinált lézer-vízsugaras vágórendszert fejlesztenek ki (Kreisz István, Richter Péter, Péczeli Imre, Koppa Pál).