Jeden z gmachów Politechniki Warszawskiej. Prof. Marek Dobosz, kierownik Zakładu Metrologii i Inżynierii Jakości w Instytucie Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, prowadzi do pomieszczenia, w którym do masywnych stołów poprzykręcana jest aparatura. Naukowiec wskazuje na stanowisko znajdujące się na końcu. Z jednej strony podłużnego stołu znajduje się laser, ale jego wiązki światła nie możemy użyć, bo – tłumaczy – koledzy pożyczyli ją do innego eksperymentu.

Okazji, żeby zobaczyć czerwoną wiązkę, nie będzie. Ale ze wszystkich elementów znajdujących się na stanowisku to nie laser jest najważniejszy. Najważniejsze są dwa małe elementy – jeden wyglądający jak szklana kostka, drugi jak miniaturowe ogniwo słoneczne. Razem stanowią czujnik do pomiaru odchyleń wiązki laserowej. – Kolokwialnie mówiąc: wiązka lasera się majta – mówi naukowiec. – Choć wygląda na prostą biegnącą w jednym kierunku, odchyla się w każdej płaszczyźnie. Odchylenia są minimalne, rzędu mikroradianów, jeśli jednak nieuważny mierniczy nie weźmie ich pod uwagę, to będzie mierzył niezbyt dokładnie – tłumaczy prof. Dobosz. Jeśli nieuważny mierniczy nie uwzględni odchylenia wiązki laserowej rzędu 100 mikroradianów, przy celowaniu w obiekt w odległości 1000 km pomyli się o 100 m.

Odchylenia, o których mowa, są wpisane w samą technologię laserową. Wynikają z faktu, że do wygenerowania wiązki potrzebne jest urządzenie, które podlega wpływom otoczenia. Trzeba brać pod uwagę drgania, które wywołują przejeżdżające samochody, wpływ powietrza, a także rozszerzalność cieplną materiałów, z którego wykonane jest urządzenie. Te wszystkie czynniki trudno wyeliminować, jednak można nad nimi zapanować..

Udoskonaleniem pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej zainteresowała uczonego z PW firma Lasertex, która produkuje aparaturę pomiarową opartą na urządzeniach zwanych interferometrami laserowymi. Pracujący przy tych eksperymentach naukowcy dwoją się i troją, aby wykryć nawet najmniejsze odchylenia wiązki laserowej i zminimalizować ich wpływ na efekt pomiaru. Niestety, panuje ogólna zasada, że im większa jest czułość czujnika, tym większe ma on rozmiary. – A wraz z wielkością urządzenia w grę zaczyna wchodzić jego własna stabilność – mówi profesor. Może się więc zdarzyć tak, że czujnik, który służy do pomiaru błędów, sam będzie błędnie mierzył odchylenia, bowiem nie można już dłużej zaniedbywać wpływu otoczenia na jego gabaryty. Nie mówiąc już o tym, że tak wielkie urządzenia kompletnie nie nadają się do przenośnych zastosowań. Są też zaporowo drogie.

Wielu producentom laserów zależy na znalezieniu rozwiązania, które będą mogli zamieszczać wewnątrz oferowanych przez siebie produktów. Urządzenie musi więc mieć niewielkie rozmiary i prostą konstrukcję. Wedle słów samego profesora znalezienie odpowiedniego rozwiązania zajęło mu 2 miesięce.

Kiedy ogólny zarys idei był gotowy, prof. Dobosz zajął się montowaniem układu na stanowisku roboczym. Kluczowych dwóch elementów nie mógł wykonać sam. Dostępne na rynku fotodetektory (te elementy podobne do panelu słonecznego) były za duże. Dobosz zwrócił się z prośbą o wykonanie mniejszego do Instytutu Techniki Elektronowej. Jak to w polskiej nauce, tamtejsi inżynierowie wykonali go w ramach przyjaźni i wieloletnich kontaktów naukowych. Brakowało jeszcze drugiego elementu – szklanej kostki, która w odpowiedni sposób załamie i odbije światło. To zadanie dla kogoś, kto wykonuje optykę o wysokiej jakości na zamówienie. Na szczęście w Polsce jest firma, do której można zwrócić się z takim zadaniem.

Solaris Optics, specjalizująca się w wykonywaniu małych i średnich serii elementów optycznych, potraktowała prośbę prof. Dobosza jak wyzwanie. Kostka składa się z kilku części, które zostały oszlifowane i wypolerowane. Następnie zostały połączone za pomocą specjalnego kleju. To wszystko odbywało się z zachowaniem jak największej precyzji, by w żaden sposób wewnątrz finalnej kostki nie został zaburzony pożądany sposób przepływu światła.

Na razie udało się skonstruować układ testowy. Tak powstały prototyp potwierdził skuteczność opracowanej przez prof. Dobosza metody. Co więcej, czułość na odchylenia wiązki laserowej była nawet stukrotnie wyższa niż przy stosowanych obecnie metodach, a wyniki tak dobre, że artykuł o czujniku został opublikowany w najnowszym numerze czasopisma „Applied Optics”.

Coraz dokładniej

Umiejętność pomiaru jest wpisana w historię rozwoju cywilizacji, pozwoliła nam sięgać coraz dalej i w głąb natury. Pomiar stał się tak ważny, że stworzyliśmy poświęconą tylko temu organizację – Międzynarodowe Biuro Miar i Wag – i postawiliśmy ją na straży artefaktów. Sztuce pomiaru dedykowaliśmy osobną dziedzinę nauki – metrologię. Największym zaś wrogiem mierniczych stał się błąd, który przy mikro- i nanoskalach, w których coraz częściej się poruszamy, jest efektem tego, że otaczający nas świat jest fizyczny. – W metrologii zajmujemy się rzeczami, których nie widać – mówi prof. Dobosz.

Jednak im bardziej zaawansowana staje się nasza technologia, tym większej dokładności wymagają od nas elementy, z których tworzymy kolejne cuda techniki. Na szczęście ta sama technologia, która tak wysoko stawia poprzeczkę, pozwala nam na budowę coraz dokładniejszych urządzeń pomiarowych, które w coraz lepszy sposób zabezpieczone są przed błędem. Kluczową rolę w tym procesie odgrywa światło laserowe, a powstała przy jego udziale technologia – interferometria laserowa – jest jedną z najdokładniejszych metod pomiaru długości i kąta.

Co ciekawe, wynalazek prof. Dobosza także jest oparty na zasadzie interferometrii. W wielkim skrócie przedstawia się ona tak. Wiązka lasera po wejściu do zespołu optycznego rozczepiana jest na dwie, z których jedna jest poddana innej liczbie odbić niż druga. Jeżeli obie wiązki się ponownie połączą, to powstanie obraz interferencyjny. Istotą wynalazku jest to, że gdy różnica liczby odbić jest nieparzysta, to zmiany w tym obrazie będą świadczyły o tym, że wiązka wchodząca do zespołu optycznego właśnie się odchyliła kątowo.

Wynalazkiem zainteresowały się już polskie firmy, zarówno produkujące urządzenia laserowe, jak i świadczące dla przemysłu usługi kalibracji. Naturalnie zainteresowany wynalazkiem jest wrocławski Lasertex, który wskazał prof. Doboszowi problemy z odchyleniami kątowymi wiązki laserowej. Czujnikiem zainteresowana byłaby także Solaris Laser, która wykorzystywałaby go do sprawdzania dokładności działania produkowanych przez siebie skanerów laserowych. Z kolei prowadząca usługi kalibracyjne dla przemysłu maszynowego SciLab Measurements i wykonująca wzorcowanie obrabiarek CNC Glasslux są zainteresowane wykorzystaniem czujnika na dużych odległościach tam, gdzie wiązka laserowa jest wykorzystywana jako wzorzec prostoliniowości. Innymi słowy, czujnik prof. Dobosza – przez wzgląd na miniaturowe wymiary, cały układ bowiem udałoby się zamknąć w sześciennej kostce o boku 1 cm – mógłby trafić pod strzechy, a właściwie na hale, stałby się standardowym elementem używanym do kalibracji obrabiarek i wielu innych urządzeń.

Szansa na sukces

„Opracowanie proponowanego systemu pomiarowego ze względu na jego dotychczas nieosiągalne parametry metrologiczno-użytkowe może być impulsem do realizacji nowych badań doświadczalnych” – można przeczytać we wniosku patentowym. A to oznacza, że czujnikiem będą zainteresowane instytuty badawcze na całym świecie. Wielokrotnie w historii nauki zdarzało się, że projektowanie nowych eksperymentów było możliwe dopiero dzięki zwiększeniu dokładności badawczej urządzeń.

Wynalazek prof. Dobosza wydaje się skazany na sukces przez wzgląd na kombinację dwóch czynników – dokładności i niewielkiego rozmiaru. Niestety, ograniczenia finansowe prawdopodobnie sprawią, że zostanie on objęty ochroną patentową tylko w Polsce, co kosztuje kilkaset złotych (dla porównania: ochrona europejska to 20 tys. zł). Reszta świata, jeśli będzie chciała, będzie mogła sięgnąć po artykuł z „Applied Optics” i opracować własną wersję wynalazku. Tak stało się w przypadku innych patentów prof. Dobosza – w jednym przypadku pomysł uczonego wdrożyła firma brytyjska. Łącznie profesor ma 16 własnych i 8, których jest współautorem, a oprócz będącego w toku zgłoszenia patentowego na opisywany tu czujnik jeszcze jedno zgłoszenie. – Cały czas przychodzi mi do głowy mnóstwo pomysłów, tyle że większość z nich trafia do kosza – śmieje się uczony. Dobrze byłoby, żeby te, które już okazały się sukcesem, były jednak wdrażane i produkowane w Polsce.

CZYTAJ WIĘCEJ O WYNALAZKU >>>