Opracowywane w WAT soczewki ciekłokrystaliczne o zmiennej ogniskowej mogą zrewolucjonizować dostępne urządzenia optyczne. Największą ich zaletą są zmienne właściwości – to otwiera wiele nowych dróg rozwoju przyrządów optycznych, zarówno do korekcji wad wzroku, jak i chociażby aparatów w smartfonach. W ramach cyklu #młodziinnoWATorzy z mgr. inż. Tomaszem Jankowskim, doktorantem Szkoły Doktorskiej WAT i jednym z członków zespołu zajmującego się zagadnieniem soczewek ciekłokrystalicznych w Wojskowej Akademii Technicznej, rozmawia Sebastian Jurek.
Sebastian Jurek: Czym są soczewki ciekłokrystaliczne i czym różnią się od klasycznych szklanych?
Mgr inż. Tomasz Jankowski: Soczewki ciekłokrystaliczne wykorzystują właściwości optoelektroniczne materiałów ciekłokrystalicznych. Mają niską masę i niewielką grubość w porównaniu z soczewkami szklanymi. Ich największą zaletą jest możliwość uzyskania szerokiego zakresu przestrajalności mocy optycznej bez konieczności wykorzystywania ruchów mechanicznych. Mówiąc wprost, powiększenie soczewki będzie sterowane elektrycznie i ograniczy, a może nawet całkowicie wyeliminuje stosowanie ruchomych części optyki.
A jak działają takie soczewki?
Molekuły ciekłego kryształu są materiałem dwójłomnym – posiadają różne współczynniki załamania w zależności od kierunku padania wiązki światła na taki materiał. Dodatkowo ciekły kryształ ma takie właściwości elektryczne, że kiedy umieścimy go w polu elektromagnetycznym, obraca się w kierunku linii pola elektromagnetycznego. Połączenie tych dwóch właściwości optoelektronicznych pozwala na możliwość zmiany efektywnego współczynnika załamania warstwy ciekłokrystalicznej, czyli zmiany powiększenia soczewki. Taką warstwę umieszcza się pomiędzy dwiema równoległymi szklanymi płytkami, na których naparowana jest warstwa przewodząca z materiału ITO, czyli Indium Tin Oxide, mieszaniny tlenku indu i cyny, działającej jako elektroda. W celu uzyskania soczewki ciekłokrystalicznej w tej warstwie ciekłego kryształu musimy wytworzyć odpowiedni rozkład pola elektromagnetycznego. Spowoduje to rozkład różnego obrotu ciekłego kryształu i ostatecznie rozkład współczynnika załamania, dzięki czemu uzyskamy soczewkę zbliżoną do soczewki gradientowej. Największą innowacyjnością obiektu moich badań jest nowa metoda generacji takich pól elektrycznych – bazuje ona na kształtowaniu mikrostruktury elektrody ITO oraz zasilaniu jej za pomocą tylko dwóch źródeł napięciowych o różnych amplitudach. To przełomowe osiągnięcie, inne zespoły uzyskują często lepsze parametry, ale muszą do tego używać nawet kilkudziesięciokrotnie więcej źródeł napięciowych.
Gdzie można zatem wykorzystać soczewki ciekłokrystaliczne?
Ich zalety powodują, że mogą być one wykorzystane nie tylko w kompaktowych układach obrazowania, np. w telefonach komórkowych czy aparatach fotograficznych, ale nawet w okularach do korekcji starczowzroczności czy w okularach wirtualnej (VR) lub rozszerzonej (AR) rzeczywistości. Dzięki zastosowaniu takich soczewek urządzenia będą mniejsze, lżejsze i będą oferowały dużo więcej możliwości niż obecne.
A jak wygląda to np. w obiektywie aparatu?
W takim urządzeniu pojedyncza soczewka ciekłokrystaliczna mogłaby zmieniać swoją ogniskową. Natomiast za pomocą dwóch soczewek ciekłokrystalicznych ustawionych blisko siebie po zmianie ich ogniskowych uzyskujemy różne nastawy zoomu optycznego. Jednocześnie nie wykorzystujemy do tego ruchów mechanicznych, sterujemy nimi tylko i wyłącznie za pomocą napięcia, dzięki czemu z układów optycznych będziemy mogli wyeliminować ruchome elementy.
Obecnie badamy innowacyjne soczewki ciekłokrystaliczne i próbujemy uzyskać jak najlepszy element, mając na uwadze jego parametry optyczne. Oprócz nas robią to także inne zespoły, jednak jeśli porównamy rozwiązania, to te tworzone w Wojskowej Akademii Technicznej posiadają szereg zalet w porównaniu z innymi przedstawianymi w literaturze naukowej. Jesteśmy w stanie osiągnąć większą moc optyczną i szerszy zakres przestrajalności przy jednoczesnym zachowaniu dużej apertury 1 cm takiej soczewki i prostego sposobu jej sterowania, za pomocą jedynie dwóch źródeł napięciowych.
Wspominasz, że jesteś częścią zespołu, który nad tym pracuje. Jak do niego trafiłeś i na czym polega Twoja rola?
W ramach współpracy międzyuczelnianej WAT i Politechniki Warszawskiej moja promotor dr inż. Anna Pakuła dała mi możliwość wykonywania badań w Zakładzie Technicznych Zastosowań Fizyki Wojskowej Akademii Technicznej w trakcie praktyk studenckich. Badania te umożliwiły mi napisanie pracy inżynierskiej. Swoją przygodę z WAT kontynuowałem, prowadząc badania o nowej tematyce do pracy magisterskiej. Tak właśnie trafiłem pod skrzydła dr. hab. Noureddine’a Bennisa z WAT, mojego obecnego promotora na doktoracie. Zajmuje się on, już od dłuższego czasu, ciekłokrystalicznymi soczewkami adaptacyjnymi – rozwijając teorię stojącą za tym rozwiązaniem.
Moim zadaniem w trakcie badań do pracy magisterskiej było potwierdzenie poprawności działania takiego elementu i scharakteryzowanie jego parametrów optycznych. Napisana przeze mnie praca magisterska, pod kierunkiem dr inż. Anny Pakuły, zyskała uznanie – otrzymałem za nią nagrodę III stopnia w XXXI konkursie PKOpto SEP im. prof. Adama Smolińskiego na najlepsze prace dyplomowe z zakresu optoelektroniki.
Twoje badania do pracy magisterskiej zostały zamieszczone w dwóch publikacjach w wysoko punktowanych czasopismach o zasięgu międzynarodowym i zostałeś doktorantem WAT, dlatego łatwo się domyślić, że to była wyjątkowa współpraca.
Zgadza się, współpraca była bardzo owocna, a także profesjonalna. Dzięki prowadzeniu samodzielnych badań w laboratorium nauczyłem się obsługi sprzętu laboratoryjnego oraz praktyki tworzenia optycznych układów pomiarowych z wykorzystaniem najnowocześniejszego, często unikatowego, sprzętu dostępnego w Zakładzie Technicznych Zastosowań Fizyki WAT. Trzeba pamiętać, że wymaga on doświadczenia w obsłudze – szczególnie jeśli chodzi o budowanie układów pomiarowych.
Dostałem dużo zaufania, co pozwoliło mi samodzielnie pracować i wykorzystywać to, czego nauczyłem się podczas studiów. Otwartość współpracowników pozwalała na dyskutowanie o moich wynikach i upewnianie się, że to, co zrobiłem, jest poprawne. Mogłem też zawsze liczyć na pomoc w wychwyceniu błędów i we wprowadzaniu niezbędnych poprawek.
Jest bardzo dużo wiedzy praktycznej, którą można zdobyć jedynie poprzez prace w laboratorium. Dobrym przykładem jest np. budowa stoiska pomiarowego – musi być ono tak przygotowane, żeby wyniki były prawidłowe i nie pokazywały zaburzeń wynikających z samej metody pomiarowej, ale przedstawiały dokładny wynik badanego przeze mnie zjawiska.
W WAT mogę rozwijać swoje pasje związane z optyką, fotoniką i właśnie soczewkami ciekłokrystalicznymi. Propozycja dalszej współpracy i kontynuowania badań w WAT była czymś wyjątkowym, dlatego zdecydowałem się na doktorat.
Zajmujesz się nie tylko badaniem tej innowacji, ale jesteś także wiceprzewodniczącym Koła Naukowego Fizyki i Inżynierii Fotonicznej WAT. Jak wygląda obecnie jego działalność?
W ramach działalności koła popularyzujemy naukę, m.in. braliśmy udział w obchodach Dnia Inżynierii Materiałowej w WAT. Zorganizowaliśmy warsztaty ze zjawiska polaryzacji i budowy światłowodów. Byliśmy także wystawcami na Pikniku Naukowym Polskiego Radia i Centrum Nauki Kopernik, gdzie przeprowadzaliśmy warsztaty z magnetyzmu, elektromagnetyzmu i elektrostatyki, a także ze spawania światłowodów.
Dodatkowo w naszej organizacji studenckiej stawiamy na rozwój jej członków. Razem z mgr. inż. Rafałem Kosturkiem wzięliśmy udział w Kongresie Kół Naukowych IKONA. Planujemy także wyjazd członków koła na międzynarodową konferencję OPTO 2023 w Gdańsku. Sukcesywnie rozszerzamy działalność koła o nowe projekty – obecnie prowadzimy badania wstępne nad polaryzacyjnym pomiarem stężenia cukru w cieczach.
Jakie masz plany na przyszłość?
Obecnie moim celem jest doktorat i ciągły rozwój soczewek ciekłokrystalicznych. W tej materii moim kamieniem milowym w ścieżce naukowej jest uzyskanie parabolicznych soczewek ciekłokrystalicznych z jak najszerszym zakresem przestrajalności mocy optycznej, a także z mniejszymi aberracjami. Dodatkowo planuję rozwijać nowe rodzaje soczewek bazujących na ciekłym krysztale, np. soczewki stożkowe i soczewki Fresnela.
Co przekazałbyś młodszym kolegom i koleżankom?
Rozwijajcie się i rozwijajcie swoje pasje. Nie poddawajcie się i przezwyciężajcie trudności. To one nas najwięcej uczą.
Sebastian Jurek
fot. Sebastian Jurek
—
Artykuł powstał w ramach cyklu #młodziinnoWATorzy, w którym prezentujemy projekty, prace naukowe i dyplomowe, nowoczesne rozwiązania ambitnych studentów Wojskowej Akademii Technicznej, dla których 100% to za mało.
