Centrum speciální optiky a optoelektronických systémů TOPTEC

Ústav fyziky plazmatu AV ČR získal pro své optické pracoviště v Turnově dotaci z Evropských strukturálních fondů (program VaVpI), která umožní vybudovat regionální výzkumné centrum pro oblast speciální optiky a optoelektronických systémů – TOPTEC. Centrum vzniká na základě dlouhodobé tradice výzkumu a vývoje optické skupiny, v jednom období spojené s Astronomickým ústavem AV ČR, později existující samostatně jako Vývojová optická dílna AV ČR.


Všechna fota: Archiv ÚFP AV ČR
Části RTG objektivů realizovaných na optickém pracovišti ÚFP AV ČR

Od roku 2006 je optické pracoviště součástí ÚFP a sestává ze dvou skupin: výzkumného oddělení Optické diagnostiky (OD) a optické dílny (VOD). Mezi hlavní cíle Centra patří výzkum a vývoj optiky na excelentní úrovni, rozšíření a celková modernizace stávajících výzkumných a vývojových kapacit (přístroje i výzkumný tým), rozšíření spolupráce s průmyslem, výchova mladých špičkových odborníků, zapojení do mezinárodních projektů a rozvoj spolupráce s vysokými školami.

Turnovsko v minulosti patřilo mezi hlavní střediska výzkumu optiky v České republice – známé byly zdejší firmy jako Monokrystaly, Dioptra ap. Centrum TOPTEC má tedy na co navazovat a současně chce pomoci celé oblasti k oživení zájmu o optiku na nové, významně vyšší úrovni, a vrátit tak Turnov na mapu evropských lokalit v oboru optiky.


Profilové a interferenční technologie schopné měřit tvar vybrané optiky



Ústav fyziky plazmatu AV ČR projekt Centra financuje z Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace a řídí se jeho pravidly – tedy i rozdělením na jednotlivé fáze. Realizační fáze započala v říjnu 2010 převzetím rozhodnutí o udělení dotace od ministra školství Josefa Dobeše a skončí na konci roku 2013. Následující fáze udržitelnosti projektu trvá minimálně pět let po ukončení fáze realizační. Věříme však, že se Centrum i po těchto pěti letech stane trvalou součástí optického výzkumu v ČR.


Stávající napařovací aparatura zajišťující zušlechťování optických povrchů antireflexivními, super-reflexivními nebo obecnými nápary

Centrum bude lokalizováno mimo současné objekty OD (Skálova ulice) v pronajatých upravených prostorách firmy Dioptra, a. s., v Sobotecké ulici v Turnově. Laboratorní prostory mají disponovat potřebným zázemím pro výzkum a vývoj speciální optiky. Badatelé v něm budou pracovat na výzkumném programu Speciální optika a optoelektronické systémy, který zahrnuje šest vzájemně provázaných podoborů výzkumu a vývoje: asférická optika, optika tenkých vrstev, adaptivní optika, optika difraktivních optických elementů, měřicí metody a optoelektronické systémy, krystalová a rentgenová optika, optické systémy a metody pro detektory částic a potřebná jemná mechanika. Pojítkem výše jmenovaných podoborů je snaha dospět k požadovaným parametrům vlnoplochy v prostoru a mnohdy také v čase. Toho můžeme dosáhnout statickým systémem s definovaně vytvořenou geometrií ploch nebo dynamickým systémem, kde se geometrie ploch mění. V obou případech je vždy nutné plochu nejenom přesně navrhnout, přesně obrábět či deformovat, ale též velmi přesně její tvar měřit a dokázat proces obrábění či deformování charakterizovat a posléze korigovat. Klíčové z hlediska výzkumu a vývoje speciální optiky jsou jak možnosti návrhů výpočtů a simulací optických systémů, tak i přístroje pro přesné obrábění a pro přesná měření. Design optických systémů na excelentní úrovni podmiňují dlouholeté zkušenosti týmu vývojářů. Optimalizace návrhů a výpočetně náročné sofistikované simulace a verifikace modelů odborníci provádějí v moderním vývojovém prostředí. Mnohdy je pro ně třeba vytvořit vlastní dedikované softwarové nástroje. Vytváření prototypových testovacích optických systémů je v Centru TOPTEC nedílnou součástí vývoje.



Začíná vytvořením „hrubého tvaru“ budoucí optické plochy – tzv. generování. Zde je dosahována přesnost tvaru plochy ve zlomcích mikrometrů. Tvar generované plochy (budoucí optické plochy) může být podle návrhu obecný – tzv. „freeform“. Pro dosažení požadovaných přesností bude možné aplikovat dva principiálně rozdílné přístupy. Jedním z nich je frézování a broušení obrobku diamantovými nástroji, druhým je „soustružení“ nástrojem s přesně definovaným tvarem diamantového hrotu. Základní obrábění tvaru plochy bude možné aplikovat na velmi široké spektrum materiálů od optických skel přes nejrůznější krystaly až po kovy či plasty. Výsledky procesu základního obrábění lze kontrolovat a měřit a v případě potřeby iteračně korigovat do požadované přesnosti. Po získání „hrubého“ tvaru následuje proces předlešťování. K tomuto účelu má sloužit mnoho různých technologií. V Centru budou odborníci vyvíjet i další inovativní způsoby leštění složitých ploch nebo nových materiálů. Pro dosažení nejvyšší přesnosti a nejlepší kvality optických ploch bude Centrum vybaveno možností iontového korektivního leštění. Tato technologie bezesporu umožňuje dosahovat v současné době nejlepší mikrodrsnosti pro spektrum materiálů. S její pomocí lze korigovat tvar optické plochy až do několika nm odchylky od předepsaného tvaru plochy. U moderních optických soustav nemůže chybět dokončení optických ploch buď antireflexními nebo superreflexními povrchy tvořenými tenkovrstevnatými filmy. Naprašovací zařízení s iontovou asistencí a klasické napařovačky spojené s měřicím systémem a vybavené možností korigovat tloušťku následující vrstvy již v procesu její výroby poslouží pro vytváření tenkovrstevnatých systémů.
Centrum bude disponovat také nezbytnými systémy pro kontrolu a měření výsledků všech operací a parametrů soustav. Profil ploch bude kontrolovat dotykový 3D profilometr, tvar optické plochy otestuje interferometr, který dokáže měřit velký průměr i velkou odchylku asférické plochy od sféry. „Atomic force microscope“ nebo interferometr pracující v bílém světle poslouží při kontrole mikrodrsnosti. Vlastnosti tenkovrstevnatých filmů změří elipsometr. Chybět nebudou ani přesné spektrometry, optický a RTG goniometr a mnoho jiných přístrojů.



Součástí Centra budou laboratoře pro výzkum rentgenové a krystalové optiky, laboratoř adaptivní optiky a laboratoř pro výzkum holografických optických elementů. Výzkum a vývoj jemné mechaniky je tradičně spjat s velmi přesnou a speciální optikou. Mechanické díly a konstrukce, např. součásti satelitů, budou odborníci nejen navrhovat a analyzovat jejich vlastnosti, ale též bude možné je zhotovit na CNC obráběcích centrech s vysokou přesností a tepelnou kompenzací nástrojů. Ústav fyziky plazmatu AV ČR plánuje i pokračování tradice návrhu a výroby velmi přesných prototypových částí sloužících jako kalibry rozměrů či kvality lapování.

Výzkumný tým v Centru TOPTEC je schopen v současnosti poskytovat expertizy, návrhy, výpočty a simulace, a to jak z oboru optiky, tak i jemné mechaniky. Disponuje odpovídajícím softwarovým vybavením spolu s velmi výkonnou výpočetní technikou. Ústav fyziky plazmatu se také podílí na řešení mezinárodních a národních projektů, připravuje se účast na projektech výzkumu kosmu v gesci ESA.
Více informací o projektu TOPTEC naleznete na http://www.toptec.eu/.

VÍT LÉDL,
Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i.