Фотоника

Краткая аннотация

Фотоника (англ. photonics) — область науки и техники, которая занимается изучением фундаментальных и прикладных аспектов генерации, передачи, модуляции, усиления, обработки, детектирования и распознавания оптических сигналов и полей, а также применением указанных явлений при разработке и создании оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств различного назначения.

 

 

 

Содержание

 

1. ВВЕДЕНИЕ. 
                           Предмет фотоники. Термин «фотоника». Центральные области исследования………………………………………………………………………...… стр. 2

 

2. ПРОБЛЕМЫ ФОТОНИКИ. 
                          Проблематика озоновых дыр. Проблематика фотокатализа. Проблематика оптоинформатики и, как правило, разногласие кафедр……...  стр. 3

 

 

3. ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ ФОТОНИКИ.

            Компьютерная эволюция – встреча  реального и виртуального. Оптоинформатика. Прорыв в технологиях передачи  данных…….……  стр. 5

 

4. ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………….….. стр. 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ.

Предмет фотоники. Термин «фотоника». Центральные области исследования.

 

Термин фотоника относится к широкой научно-технической области, объединяющей лазерную физику, оптоэлектронику, электрооптику, волоконную и интегральную оптику, нелинейную оптику, оптическую связь, оптическую обработку сигналов и голографию.

Фотоника включает в себя исследование и разработку методов генерации, обработки, хранения, передачи, детектирования и преобразования оптических сигналов и полей в широком спектральном диапазоне — от ультрафиолетового излучения (10–380 нм) до дальнего инфракрасного диапазона (760 нм–1 мм). В большинстве практических применений фотоники используется видимый и ближний инфракрасный диапазон длин волн (0,4–1,6 мкм).

Термин “фотоника” в научную литературу ввел А.Н. Теренин в предисловии к своей книге "Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений" (1967 г.). Так он назвал "область науки, изучающую совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов, происходящих при поглощении света веществом". Вещество – любое, т.е. и газы, и жидкости, и твердые тела, и смеси, растворы… Процессы – тоже любые с одним только ограничением: они есть следствие возбуждения вещества квантом света (или квантами, при двухфотонном возбуждении).

Выделение этих процессов в самостоятельный раздел науки имеет смысл в первую очередь по той причине, что именно они привели к зарождению, развитию и поддержанию жизни на Земле. Т.е. они являются основной производящей силой в нашем мире. Все остальные области наук как бы вторичны, они направлены на развитие и совершенствование не самой жизни, а удобств нашего существования в ней, технологических процессов создания материалов и устройств, делающих эту жизнь более комфортной.

Роль солнечного света и фотовозбуждения под его воздействием ясна хотя бы из того, что все живые системы термодинамически неравновесны и при отмирании разлагаются с выделением запасенной энергии. Мы не задумываемся над этим, разжигая костер или печь, но в этом немудреном процессе мы получаем тепло за счет энергии Солнца, запасенной в химических соединениях. Средняя энергия возбуждения частиц при нормальной температуре – 0,0125 эВ на каждую степень свободы, а энергия квантов видимого излучения – 1,7-3 эВ. Это и позволяет фотосинтезировать энергоемкие соединения, из которых мы состоим.

Природа научилась проводить фотосинтез с очень высоким КПД. Чем это достигнуто? Не разрушит ли необдуманная человеческая деятельность эти биологические цепочки и можно ли повторить их в чисто утилитарных целях? По сути, это и есть основные вопросы, которые призвана решать фотоника.

Но в нашей жизни свет, кроме энергетической, играет крайне важную информационную роль. На свет реагируют и растения, и одноклеточные. А зрение – одно из основных чувств всего животного мира. Наш глаз способен воспринять и обработать излучение только довольно узкого спектрального диапазона, но делает это очень эффективно! Динамический диапазон восприятия глаза составляет 10-12 порядков, что не доступно ни каким современным устройствам регистрации.

Спектральный диапазон зрения ограничен с одной (длинноволновой) стороны энергией квантов, которой должно быть достаточно для инициализации процессов преобразования и передачи информации. С другой, коротковолновой стороны – границей солнечного спектра, достигающего поверхности Земли. Излучение с длинами волн короче 380-400 нм поглощается в озоновом слое. Но в природе имеются и "устройства", реагирующие на более длинноволновое излучение, – тепловые рецепторы хладнокровных. Каким образом они выделяют полезный сигнал на фоне тепловых шумов, пока не очень ясно. Но очень важно в этом вопросе разобраться.

 

Центральными областями исследований фотоники являются:

• физика и технология полупроводниковых соединений;

• метаматериалы и композитные наноматериалы с новыми физическими свойствами;

• полупроводниковые лазеры и светодиоды;

• физические свойства и технология получения новых типов оптических волокон;

• фотонные кристаллы, их физические свойства и применение;

• материалы и устройства интегральной оптики;

• нелинейная оптика и новые нелинейно-оптические материалы и устройства;

• оптоэлектронные и электрооптические устройства;

• высокоскоростные устройства обработки оптических сигналов;

• интеграция фотонных и электронных устройств.

Фотоника находится в постоянном развитии: возникают новые направления, технологии и материалы, открываются перспективные области применения. Начало этому процессу было положено созданием и быстрым внедрением волоконнооптических систем связи, стимулировавших прогресс в технологии производства полупроводниковых лазеров, оптических усилителей и модуляторов, приемников излучения и устройств коммутации. Затем начали появляться оптические средства обработки и хранения информации, качественно новые датчики физических величин, прецизионные методы измерений и многое другое. Сегодня фотонные устройства применяются также для отображения информации и сигнализации, для преобразования светового и теплового излучений в электрическую энергию и для других целей.

 

 

2. ПРОБЛЕМЫ ФОТОНИКИ.

      Проблематика озоновых дыр. Проблематика фотокатализа. Проблематика оптоинформатики и, как правило, разногласие кафедр.

 

Хороший пример необходимости разработки проблем фотоники – проблема озоновых дыр. Наличие дыр угрожает жизни на Земле, а для предотвращения их развития необходимо изучить процессы, происходящие в озоновом слое. Все они инициируются солнечным излучением и в конце концов приводят к химическим превращениям, образованию и (или) распаду озона. Так что весь этот комплекс проблем полностью соответствуют теренинскому определению фотоники.

Сюда же попадает и такой раздел науки (и техники) как фотокатализ, – та часть фотохимии, в которой предполагается наличие третьего тела, катализатора, являющегося как бы посредником в цепи превращений энергии квантов света в химическую энергию. Первую часть этой цепи, поглощение кванта и создание химически активного возбужденного центра, традиционно относят к физическим процессам. Заключительную часть – скорее, к химическим (правда, в гетерогенном катализе продукт реакции должен еще десорбироваться с поверхности, что тоже есть физический процесс).

Отчасти проблематику фотокатализа можно отнести и к чисто техническим, обеспечивающим не само существование жизни, а создание некоторых удобств, технологий производства нужных продуктов. Но все же свет в первую очередь – основной источник энергии на Земле и он может и должен быть использован для поддержания жизни. Пример такого технического использования – фотокаталитические обои (сделаны в Японии), которые на свету очищают воздух в помещении, "сжигая" сложные органические молекулы. Подобные процессы могут быть использованы (и уже используются) для очистки воды от органических загрязнений. Исследование фотокаталитических процессов на поверхности оксидов металлов привело к созданию устройств "идеальной" очистки, которые за короткое время могут сделать питьевой воду из любой лужи или болота (работы группы Басова Л.Л.).

Одно из направлений фотоники – исследование процессов фотоионизации вещества. В газообразной или конденсированной фазе. Эти исследования, проведенные на нашей кафедре (см. страницу Акопяна М.Е.), привели к возникновению нового раздела науки, фотоэлектронной спектроскопии, которую иногда называют "экспериментальной квантовой химией". Оказалось, что процесс фотоионизации дает информацию об энергетической структуре вещества, позволяет определить энергии связи всех (если энергия квантов достаточно велика) электронов в молекулах. Эта задача была абсолютно неразрешима до появления статьи Ф.И. Вилесова, Б.Л. Курбатова, А.Н. Теренина. (ДАН СССР 1961, т.138. с.1329), а с тех пор уже более десятка фирм выпускают промышленные фотоэлектронные спектрометры, предназначенные для этих исследований.

 

 Почти одновременно с появлением теренинской формулировки самого понятия "фотоника", в связи с бурным развитием оптоэлектроники этот термин стал использоваться в несколько ином смысле. Отчасти – расширенном, отчасти – суженном.

Сейчас в мире этот термин трактуют кто как хочет и потому всем приходится уточнять, что именно они понимают под ним. В основном, акцент делается на чисто практическом аспекте, на получении или измерении световых потоков, причем в основном – в интересах обмена информацией. В этом смысле термин "фотоника" впервые прозвучал на 9-ом Международном конгрессе по скоростной фотографии (Denver. USA. 1970).

Можно привести несколько определений, заимствованных из наиболее авторитетных изданий последнего времени:

1. "Photonics is the science of generating, controlling, and detecting photons, particularly in the visible and near infra-red spectrum, but also extending to the ultraviolet (0.2 - 0.35 µm wavelength), long-wave infrared (8 - 12 µm wavelength), and far-infrared/THz portion of the spectrum (e.g., 2-4 THz corresponding to 75-150 µm wavelength) where today quantum cascade lasers are being actively developed." – определение из Wikipedia.

Здесь интересно и то, что определены даже области спектра, которые относятся к фотонике. Так что процессы образования озонового слоя – не фотоника, они происходят при l ≤ 0,185 мкм.

2. Определение, приведенное в словаре терминов, составленном Laurin Publishing Company, основавшей в 1967 г. журнал "OpticalSpectra". Сейчас он издается подназванием "Photonics Spectra", с тиражом порядка 100000 экземпляров: Фотоника – "The technology of generating and harnessing light and other forms of radiant energy whose quantum unit is the photon. The science includes light emission, transmission, deflection, amplification and detection by optical components and instruments, lasers and other light sources, fiber optics, electro-optical instrumentation, related hardware and electronics, and sophisticated systems".

Здесь не ограничен спектральный диапазон, но подчеркнута чисто технологическая ориентация той части фотоники, которая интересна авторам, – процессы получения и трансформации излучения.

3. Примерно так же этот  термин понимается и на кафедре "Фотоника и оптоинформатика" ИТМО: – "Фотоника – область науки и техники, связанная с использованием светового излучения (или потока фотонов) в системах, в которых генерируются, усиливаются, моделируются, распространяются и детектируются оптические сигналы". (http://phoi.ifmo.ru/)

Это определение отличается от предыдущих только тем, что оно ограничено проблемами этой кафедры, "оптоинформатикой".

Общее во всех этих определениях то, что здесь, во-первых, процессы генерации и усиления света (излучения) внесены, как основные. В теренинском определении они тоже не исключены, но лишь как этап превращения энергии поглощенного фотона. А в светодиодах и лазерах свет генерируется в результате электровозбуждения.

Но, во-вторых, почти все имеющиеся определения исключают из рассмотрения фотохимические процессы, практически не существенные в оптоэлектронике. В этом смысл термина сужен.

Получается, что и работы, опубликованные в изданиях с названием "Photonics", далеко не обязательно соответствуют нашей тематике, и наши работы могут не подходить для публикации в них. Конечно, каждый вправе называть свою науку как хочет. Проблема только в том, поймут ли тебя читатели. Но здесь больших проблем не предвидится.