Infoajastu teerajajad

 

Nobeli füüsikapreemia 2009 

Nobeli füüsikapreemia said tänavu kolm füüsikut panuse eest infotehnoloogilisse revolutsiooni: hiinlasest Briti-USA füüsik Charles Kuen Kao optiliste kaablite arendamisel ning kaks tema kolleegi, Kanada-USA füüsik Willard Sterling Boyle ja USA füüsik George Elwood Smith sensoritüübi CCD leiutamisel.

Nagu mõnelgi eelmisel aastal, läks Nobeli füüsikapreemia jagamisele, seekord kolme leiduri vahel. Kao sai kümne miljoni Rootsi kroonisest preemiast poole „teedrajavate saavutuste eest valgussides kiudude kaudu", ülejäänud pool läks Boyle'ile ja Smithile kahe peale „pooljuht-kujutisetajuri - CCD leiutamise eest".

Kõik kolm on nüüdseks eakad mehed, juba aastaid pensionärid, kaheksakümne viiele läheneva Boyle'i sünniaasta koguni 1924. Tuleb järjekordselt märkida, et autasu anti tublisti lahknedes Alfred Nobeli testamendi kirjatähest. Tema määras, et autasu antaks „noorteadlasele, kes on preemia saamisele eelnenud aastal teinud kõige tähelepanuväärivama avastuse või leiutise". Kuid ega ta saanudki ette näha, et mõne avastuse/leiutise tõeline väärtus selgub alles aastate, vahel kümnendite möödudes. Ja noorteadlaste ergutamise asemel on nobelistide valikul ammugi mindud teaduse ja tehnika tippude auhindamise teed. Kuid eks ole nüüdisajal noorteadlaste tunnustamiseks muidki autasusid. Ka tänavuste laureaatide leiutised on tehtud siis, kui nad olid veel viljakaimas eas.

Valgus juustorusse

Niisiis, eakas hiinlane sai nobelistiks valgusjuhtmete idee pakkumise eest. Mis on elektrijuhe, seda teavad või vähemalt aimavad kõik. Aga valgusjuhe?

Valgusallikast, küünlast või elektripirnist levib valgus ümbrusse ühtmoodi kõigis suundades. Hoopis teine lugu on kitsa, lahknematult leviva laserikiirega. Kui pool sajandit tagasi ilmusid laserid, kerkisid kohe suured lootused nende kasutamiseks sides, teabelevis. See oli lausa üks tõukejõud nende loomiseks. Ja miks ka mitte. Mida suurem on infot kandvate lainete võnkesagedus (siis ka lühem laine), seda kiirem edastus ja seda rohkem saab teavet ühe ja sama ajaga edasi kanda.

Esialgu katsetati vabas õhus leviva laserikiirega. Paraku rikkus vihm, udu ja õhuvirvendusedki kõik. Kiir hägustus ja vajus laiali. Nõnda tekkiski 1966. aastal Kaol ja tema noorel töökaaslasel George A. Hockhamil idee kiir torusse sulgeda. Esialgu katsetati alumiiniumtorudega. Ei kõlvanud, lekkisid liiga palju veeauru. Tekkis mõte panna kiir levima klaasis. Pikas, painduvas klaaskius. Nõnda, nagu elektrijuhe on ümbritsetud isolatsiooniga, on ka valgusjuhe kahekihiline: sees tihedamast, suurema murdumisnäitajaga klaasist kiud, selle ümber väiksema murdumisnäitajaga klaaskest. Kiir levib selles otsekui hüpakutega: põrgates vastu optiliselt hõredamat kesta küllalt lauge nurga all, peegeldub see kiusse tagasi, ja nõnda sammhaaval muudkui edasi. Selgus, et küllalt laia haardega valgusside saamiseks tuli kiud tõmmata erakordselt puhtast klaasist. Ameerika klaasifirma Corning haistis kohe laia tööpõldu ja nõuetekohased klaaskiud saadigi.

Tänapäeval katab maakera tihe valguskaablite võrk. Kõikide kasutusel olevate valgusjuhtmete kogupikkust hinnatakse miljardile kilomeetrile. Sellega saaks käia 25 000 korda ümber maakera. Nagu elektrijuhtmedki, on valgusjuhtmed ühendatud paljusooneliseks kaabliks. Üksikkiu läbimõõt on umbes kümme mikromeetrit, mitu korda peenem juuksekarvast. Kui kasutate internetti või saadate e-sõnumit, kulgeb see mööda valgusjuhet. Seegi kirjatükk läheb valguskandjat mööda toimetusse. Kui näete maantee ääres kollaseks värvitud torust kolmveerandmeetriseid poste, siis teadke: need tähistavad maasse kaevatud valguskaabli trassi, infoajastu tuiksoont. Valgusside oleks mõeldamatu valgusjuhtmeteta.

Elektronid ruutpesiti

Senine tavapärane fotoaparaat, milles kujutis salvestatakse hõbekloriid- või hõbebromiidemulsiooniga kaetud filmile ning tehakse nähtavaks ilmutamisel ja jäädvustatakse kinnitamisel, on ajalukku vajumas. Tänapäeval asendab seda digikaamera, aga liikuvad pildid filmitakse videokaamera abil. Nende kõikide põhiosaks on margisuurune tajur, ränikiip - CCD-maatriks (ingl charge coupled device).

Olemuselt sarnaneb CCD-maatriks putuka liitsilmaga, tegelikkuses on CCD imepisikeste fotorakkude korrapärane võrgustik. Säritamisel vallanduvad igas fotorakus elektronid, seda enam, mida heledam on valgus kujutise tasandil. Kujutist loetakse, andes iga fotoraku kohal olevale kullast mikroelektroodile positiivne, elektrone tõmbav pinge. Loetakse rida-realt, tõmmates elektrone rakkhaaval edasi (laengusidestus!). Rea lõpus kujutis digitaliseeritakse, millest nimetus digikaamera, ehk teiste sõnadega teisendatakse kahendkoodi reaks 11100111101 ... ja salvestatakse. Elektrontöötlus aparaadis sünteesib neist ridadest tervikpildi. Seda saab üle kanda arvutisse ja printeri abil paberile trükkida või salvestada kompaktkettale, CDle. Keerukam, kuid põhimõtteliselt sarnane mikroseadmestik on kasutusel videokaameras. Seda rida-realt lugemist võiks võrrelda ka veepangede edasiandmisega mööda inimrivi, kui kaugele jäävast kaevust on vaja kähku vett edasi toimetada. Pangedeks on fotorakud, veeks fotoelektronid.

CCDst kujutluse saamiseks võib mõelda ka suurele plastist või papist munarestile. Puistame igasse resti pessa näiteks erineva hulga piprateri. Eks niigi saa tekitada mingit visandlikku kujutist. Resti pesad modelleerivad fotorakke, terad - fotoelektrone.

Maailmas valmistatakse ja müüakse aastas miljoneid digi- ning videokaameraid. Nendel mikroelektroonika seadistel põhinevad ka nüüdisaegsed televisiooni saatekaamerad. CCD-tajuri oluline eelis fotofilmiga võrreldes on sajakordselt suurem valgustundlikkus, seepärast saabki digikaameraga pildistada märksa hämaramas kui tavakaameraga. Pealegi sõltub kujutis särituse heledusest lineaarselt, võrdeliselt, tavafilmil on see sõltuvus keerukam, logaritmiline. Värvikujutis saadakse, kattes CCD-tajur värvklaaside mosaiigiga (Bayeri filter, leiutaja järgi).

CCDd leiavad kasutust kaugelt laiemalt kui vaid laiatarbekaupades. Nende abil tehakse nähtavaks ja uuritakse meresügavusi, arstid vaatlevad nende kaudu kehaõõnt ja seal toimuvat. Spektreid ei pildistata enam fotoplaadile, vaid CCDle. Pole vist enam ühtki suuremat tähetorni, mille teleskoopidel puuduks CCD-kaamera. Lisagem, et ka Eesti teadlased kasutavad uurimistöös nii valgusjuhtmeid kui ka CCDsid.

Ega asjata ole tänavusi nobeliste meedias tituleeritud valguse valitsejateks.

 

 

HENN KÄÄMBRE (1935) on lõpetanud Tartu Ülikooli füüsikuna 1957 ja töötanud samast aastast Tartu Ülikooli Füüsika Instituudis mitmetel ametikohtadel, praegu vanemteadur. Füüsika-matemaatikadoktor. Agar teaduse populariseerija ja Horisondi põlisautor. Paljude raamatute, sealhulgas „Laseriraamatu" autor, aga ka tunnustatud tõlkija. Üks eestikeelse füüsikaterminoloogia loojaid ja oskussõnastiku autoreid.