Fotonika,.. Stare i nowe materiały a światło.

Transkrypt

1 Fotonika,.. Stare i nowe materiały a światło.

2 Zagadnienia Nieuporządkowana mieszanina wszystkiego, a w szczególności niektóre obecne i przyszłe zastosowania: Hologramy (nie tylko gadgety, ale również detektory, diagnostyka medyczna, zapisywanie informacji); Światłowody.

3 Natura światła Światło jest falą elektromagnetyczną Rozchodzącą się w powietrzu z prędkością c=1/ (ε 0 µ 0 ) = 3 x 10 8 m/s

4 Holografia Teoretyczne podstawy holografii zostały stworzone w 1948 przez Dennisa Gabora jeszcze przed zbudowaniem lasera, jako metoda zwiększenia zdolności rozdzielczej mikroskopu elektronowego (nagroda Nobla w 1971); W 1962r. Leith i Upatnieks zastosowali światło laserowe do holografii i otrzymali pierwszy w historii hologram (dziecinny pociąg);

5 Holografia W 1962 Uri Denisyuk z dawnego ZSRR stworzył hologram, który można było oglądać w zwyczajnym świetle. To było przełomowe odkrycie, które zapoczątkowało dalszy szybki rozwój technik zapisywania i odczytywania hologramów.

6 Holografia Rodzaje hologramów: Cienkowarstwowe i objętościowe Wykorzystujące białe lub monochromatyczne światło; Z modulacją amplitudy lub fazy; Transmisyjne lub odbiciowe.

7 Jak zrobić hologram? Co jest potrzebne: laser, rozdzielacz wiązki, soczewki, zwiariadło, klisza fotograficzna i przedmiot. Wiązka lasera jest rodzielana na dwie: wiązkę oświetlającą przedmiot i wiązkę referencyjną.

8 Jak zrobić hologram? Wiązka odbita od przedmiotu i referencyjna interferują i tworzą obraz na kliszy. Kliszę, następnie, wywołuje się.

9 Jak rozdzielić wiązkę światła? Można to zrobić za pomocą tzw zwierciadła Lloyda (jest to, w gruncie rzeczy, kawałek przezroczystego dielektryka): Wiązka odbita Wiązka załamana

10 Odczytywanie hologramu Zapis Odczyt Wikipedia : Holography

11 Hologram punktu Konstrukcja hologramu punktu. Każdy obiekt jest zbiorem punktów. Fala referencyjna - fala płaska x y z Fala przedmiotowa- fala sferyczna

12 Odczytywanie hologramu punktu Fala referencyjna Fala przedmiotowa Obraz rzeczywisty (1-szy rząd dyfrakcji) Obraz wirtualny (2-gi rząd dyfrakcji) Fala sprzężona Fala prosta (zerowy rzad dyfrakcji) -z z z=0

13 Odczytywanie hologramu punktu Powstawanie kilku obrazów i fal tylko zaciemnia obraz holograficzny. Potrzebny jest tylko jeden obraz. Dlatego hologramy zapisuje się i odczytuje inaczej: nie w jednej linii. Wtedy obserwator może widzieć tylko pożądany obraz, a reszta jest pod innymi kątami.

14 Odczytywanie hologramu punktu Fala referencyjna Fala przedmioto wa Fala prosta Obraz wirtualny Fala sprzężona Obraz rzeczywisty

15 Hologramy transmisyjne i odbiciowe Transmisyjny Odbiciowy O zapis R zapis R O odczyt odczyt R

16 Hologramy z modulacją fazy lub amplitudy Modulacja fazy Modulacja fazy: gdy zmienia się współczynnik załamania lub grubość Modulacja amplitudy Modulacja amplitudy: gdy zmienia się współczynnik absorpcji materiału α(x) n(x) d(x)

17 Hologramy cienkowarstwowe lub objętościowe Cienki Dyfrakcja Ramana-Natha Objętościowy Dyfrakcja Bragga Grubość materiału hologramu jest mała w porównaniu z okresem powtarzalności obrazu dyfrakcyjnego. Λ Λ > d Λ < d d Λ

18 Hologramy cienkowarstwowe lub objętościowe Dyfrakcja Ramana-Natha Dyfrakcja Bragga

19 Hologramy a długość fali Gdy hologram jest oświetlany światłem o różnej długości fali, obraz wirtualny pojawia się pod różnymi kątami. Hologramy objętościowe można odczytywać w świetle białym.

20 Hologramy w świetle białym Hologramy odbiciowe mogą być oglądane w świetle białym. Wiązki przedmiotowa i referencyjna (muszą być monochromatyczne) padają na film z przeciwnych stron. Powstały wzór interferencyjny ma strukturę w kierunku prostopadłym do powierzchni. Jeśli grubość emulsji jest większa niż 15 µm to wzór można uznać za prawdziwie 3D z 20 lub więcej warstwami. x R(λ 0 ) θ 0 θ 0 S(λ 0 ) z

21 Hologramy w świetle białym Gdy odczytujemy hologram, białe światło pada w od strony początkowej wiązki referencyjnej, część światła ulega odbiciu i dyfrakcji do tyłu. Fala ta odtwarza obraz przedmiotu. W zależności od kąta padania światła, tylko pewien wąski zakres długości fali trafia do oka obserwatora (dla których spełniony jest warunek dyfrakcji). Zatem, hologram można oglądać, gdy światło padające pochodzi ze źródła punktowego. S(λ) x R(λ) θ z

22 Hologramy w świetle białym Inną techniką wytwarzania hologramów, które mogą być oglądane w świetle białym jest tzw. rainbow hologram. Można go oglądać w świetle przechodzącym. Różne długości fali są rozpraszane tak, że każda tworzy tylko małą część obrazu obraz ma różne kolory w różnych miejscach (stąd nazwa).

23 Hologramy w świetle białym Hologram tworzy się dwuetapowo. Najpierw, wytwarza się hologram transmisyjny.

24 Hologramy w świetle białym Następnie robi się drugi hologram, wykorzystując obraz rzeczywisty z pierwszego hologramu jako przedmiot. W czasie tego procesu umieszcza się wąską poziomą szczelinę przed pierwszym hologramem (to redukuje błąd pionowej paralaksy).

25 Holografia: zastosowania Mikroskopia M = λr/λs Wzrost powiększenia przez oglądanie hologramu światłem o dłuższej fali niż przy zapisie (np. zapis promieniowaniem rentgenowskim, odczyt - widzialnym daje powiększenie M ~ 10 6 ) Interferometria Różne zabezpieczenia przed fałszerstwem; Skanery w supermarketach; Optyczne komputery; Diagnostyka medyczna i nie tylko; Sztuka; Rozrywka.

26 Materiały do zapisu hologramów Wszystkie materiały, które w trwały sposób zmieniają właściwości optyczne (dielektryczne) pod wpływem światła nadają się na hologramy. Stosuje się, np.: Emulsje halogenków srebra (klisza fotograficzna); Żelatyna (dichromated gelatine) Fotorezysty Materiały fototermoplastyczne Materiały fotochromatyczne Fotoolimery Warstwy ciekłokrystaliczne, Ciekłe kryształy domieszkowane barwnikiem,

27 Materiały do zapisu hologramów Polimery fotoczułe Składniki: strukturalny PVK (A) barwnik (B) Sensitizer TNF (C) Plasticizer ECZ (D) Działanie Ruchliwe elektrony pod wpływam światła Powstaje pole elektryczne Barwnik zmienia orientację Powstają obszary o różnym n A C B D

28 Zastosowania holografii

29 Zastosowania holografii Jeszcze niedawno było to tylko science fiction: Holodeck from Star Trek Star Wars Body Double in Total Recall The Wizard in Wizard of Oz

30 Holograficzny dysk Holograficzny zapis informacji ma tę zaletę, że zapis odbywa się w całej objętości dysku (nie tylko na powierzchni) i informację odczytuje się strona po stronie, a nie bit po bicie. Holografia ma szanse pokonać dwie technologiczne bariery jednocześnie: gęstość zapisu i szybkość odczytu.

31 Holograficzny dysk: zapis Zapisywana informacja jest przetwarzana na obraz optyczny (przez przestrzenny modulator światła) Dalej wszystko przebiega jak przy zapisie zwykłego hologramu: Wiązka referencyjna i sygnałowa interferują i tworzą przestrzenny obraz w materiale światłoczułym dysku

32 Holograficzny dysk: odczyt Wiązka odniesienia przechodząc przez zestaw luster (aby paść na nośnik pod takim samym kątem jak podczas zapisu) i soczewkę pada na nośnik. Następnie jest uginana po trafieniu na hologram, dając wiązkę niosącą odczytane dane. Ta wiązka pada na czujnik CCD, który przetwarza obraz na dane

33 Przestrzenny modulator światła Najlepszym przykładem SLM jest sam hologram; Stosuje się przestrzenne modulatory światła bazujące na różnych właściwościach fizycznych: Jest to np. modulator ciekłokrystaliczny; Modulator akustooptyczny; Modulator elektrooptyczny; Cyfrowe urządzenia (mikro-zwierciadła).

34 Holograficzny dysk: materiały Jednym z głównych problemów, które należy rozwiązać to znalezienie odpowiedniego materiału służącego do zapisu holograficznego. Wymagania: światłoczułość, trwałość zapisu, możliwość wielokrotnego zapisu i odczytu.

35 Holograficzny dysk: materiały Przykłady: Nioban litu lub inne dielektryki krystaliczne; Polimery; Materiał amorficzny.

36 Holograficzny dysk: materiały Kryształy: np. LiNbO 3, Bi 2 TeO 5 Pod wpływem pola elektrycznego (światła) zmieniają się właściwości optyczne tych materiałów (współczynnik załamania). Można w nich zapisać dobrej jakości objętościowe hologramy; Ważną cechą jest czas życia informacji (w ciemności) Trwałość podczas ciągłego odczytu (Bi 2 TeO 5 dłużej niż 8 h przy ciągłym odczycie laserem 2mW, 532 nm)

37 Holograficzny dysk: materiały Zjawisko zmiany współczynnika załamania: Elektrony absorbując energię fotonów przechodzą z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, stają się prawie swobodne; Dyfundują do obszarów nieoświetlonych; Po wyłączeniu światła elektrony pozostają unieruchomione: powstaje wewnętrzne pole elektryczne, które lokalnie zmienia współczynnik załamania (zjawisko elektrooptyczne).

38 Zabezpieczenia przed fałszerstwem Hologramy jako oznaczenie zabezpieczające przed fałszowaniem lub kopiowaniem można znaleźć na banknotach, kartach kredytowych, paszportach, a także towarach konsumpcyjnych takich jak kosmetyki i lekarstwa.

39 Inteligentne hologramy Hologramy, które reagują na fizyczne, chemiczne lub biologiczne czynniki mogą (są) nowymi testami diagnostycznymi w dziedzinach od lotnictwa do medycyny. Jeszcze niedawno, medyczne hologramy należały do science fiction. W TV serialu Star Trek: Voyager, w 1995, załoga z 24-wieku walcząca z rebeliantami Maquis traci lekarza i musi polegać na emergency medical hologram. Obecnie science fiction staje się faktem.

40 Inteligentne hologramy Zasada działania: Odpowiedni receptor jest przyłączony do matrycy polimerowej emulsji fotograficznej. W rezultacie polimer ten podlega zmianie fizycznej lub chemicznej gdy (np.) wykrywana substancja przyłączy się do niego. To, z kolei, spowoduje widoczne zmiany koloru, jasności lub obrazu zakodowanego w hologramie.

41 Inteligentne hologramy Przykład: Sensor wilgotności. Substancją aktywną jest hydrożel (polimer, który może 1000-krotnie zwiększyć swoją objętość, gdy pochłonie odpowiednią ilość wody). Zatem, polimer w środowisku wilgotnym rośnie i struktura obrazu interferencyjnego zmienia się. To powoduje zmianę albo koloru, albo intensywności światła - co łatwo wykryć po prostu patrząc.

42 Inteligentne hologramy Pierwszy komercyjny produkt: Sensor zawartości wody w paliwie lotniczym. Wykrywa zawartość wody powyżej 30 ppm (dawniej ocena paliwa była "na oko". Strzykawka zawierająca holograficzny sensor (o średnicy 1 cm) natychmiast po przekroczeniu granicznej zawartości wody generuje łatwo widoczny krzyż.

43 Inteligentne hologramy Pierwszy medyczny sensor: Sensor zawartości jonów sodu i potasu. Hydrożel zmodyfikowano tak, że dołączono do niego receptory tworzące duże kompleksy z jonami metalu (crown ethers). W przypadku jednego eteru:18- crown-6, stwierdzono, że "długość fali hologramu" była wprost proporcjonalna do zawartości potasu.

44 Inteligentne hologramy Obecnie trwają prace nad sensorem hologramowym mierzącym zawartość glukozy we krwi. Znaleziono już odpowiedni receptor glukozy, którym można modyfikować matrycę polimerową (phenylboronic acid).

45 Dynamiczny hologram Istnieje mnóstwo materiałów, w których można zapisać statyczny obraz holograficzny. Problem, natomiast stanowią hologramy zmieniające się w czasie (wyświetlacze, ekrany). Pewnym rozwiązaniem stosowanym do tej pory były kryształy akusto-optyczne lub ciekłokrystaliczne. Ponieważ jednak materiały te nie mają pamięci (obrazy są nietrwałe), wyświetlacze takie muszą być odnawiane 30 razy na sekundę i w związku z tym nie mogą być duże. Fizycy w USA zbudowali największy, jak dotąd, wyświetlacz holograficzny, który może wyświetlać różne 3D obrazy. Jest to jednocześnie pierwszy hologram zbudowany na bazie polimeru fotorefrakcyjnego.

46 Dynamiczny hologram Nasser Peyghambarian i współpracownicy z University of Arizona, we współpracy z Nitto Denko Technical Corporation w California, zbudowali wyświetlacz holograficzny o powierzchni 10 cm o rozdzielczości standardowego TV. Sava Tay, P.-A. Blanche, R. Voorakaranam, A. V. Tunç, W. Lin, S. Rokutanda, T. Gu, D. Flores, P. Wang, G. Li, P. St Hilaire, J. Thomas, R. A. Norwood, M. Yamamoto & N. Peyghambarian Nature 451, (7 February 2008) "An updatable holographic three-dimensional display"

47 Dynamiczny hologram Polimer fotorefrakcyjny: Światło generuje fotoelektrony, elektrony dyfundują na niewielką odległość i są pułapkowane. W materiale powstaje ładunek przestrzenny i związane z nim pole elektryczne odzwierciedlające obraz interferencyjny. Pole elektryczne wpływa na współczynnik załamania światła zgodnie z obrazem interferencyjnym. Taki obraz jest trwały w czasie, ale może być "wymazany" jednorodną wiązką światła.

48 Dynamiczny hologram Materiałem czynnym wyświetlacza był kompozyt, który składał się z: Kopolimeru, w którym oś stanowił łańcuch poliakrylowy, do którego przyłączone były grupy: tetraphenyldiaminobiphenyl-owa (TPD), której funkcją jest fotogeneracja i transport dziur i grupa carbaldehyde aniline (CAAN). Składnikami kompozytu były poza tym: plastyfikator 9-ethyl carbazole (ECZ) i fluorowany dicyanostyrene (FDCST), który zapewniał nieliniowe właściwości optyczne.

49 Dynamiczny hologram Najpierw tworzy się 2D obrazy przedmiotu (komputerowo lub kamerą) Te obrazy są zapisywane w SLM. SLM moduluje wiązkę przedmiotową, którą ogniskuje się na warstwie polimerowej wyświetlacza. Obraz odczytuje się za pomocą wiązki światła.

50 Inne zastosowania holografii Telefoniczna karta kredytowa (w Europie) Karta ma powierzchniowy hologram, w którym zakodowana jest wartość. Po włożeniu do automatu czytnik czyta wartość, wymazuje ją i zapisuje nową; Czytniki kodów paskowych Mają holograficzny układ soczewek kierujący wiązkę lasera; Wyświetlacze w samolotach bojowych Aby pilot mógł odczytywać wskazania przyrządów patrząc jednocześnie przez przednie okno, wskazania wyświetlane są holograficznie.

51 Inne zastosowania holografii Wizualizacja fal dźwiękowych: Podwodna akustyka i hydrolokacja; Defektoskopia; Badanie biologiczne.

52 Inne zastosowania holografii Holografia rentenowska pozwala na badanie struktury materiałów. Hologram lokalnej struktury krystalicznego Fe

53 Światłowody Dawniej w technologii światłowodowej wykorzystywano światło widzialne. Obecnie: podczerwień.

54 Wytwarzanie światłowodów Bezpośrednie wyciąganie włókien Wyciąganie włókna z preformy

55 Bezpośrednie wyciąganie włókien Metoda podwójnego tygla Stopione szkło na rdzeń w tyglu wewnętrznym Szkło na płaszcz: w tyglu zewnętrznym Włókno wyciąga się przez otwory w dnach tygli

56 Bezpośrednie wyciąganie włókien Metoda: pręt w rurce Całość jest ogrzewana; oba szkła miękną i łączą się ze sobą w trakcie wyciągania włókna. Oba szkła powinny mieć zbliżone temperatury mięknięcia.

57 Wytwarzanie światłowodów z preformy

58 Preforma Preformy wytwarza się stosując różne metody osadzania, domieszkowania itp. z fazy gazowej. Wykorzystuje się reakcje: 1. SiCl 4 + O 2 SiO 2 + 2Cl 2 2. GeCl 4 + O 2 GeO 2 + 2Cl POCl 3 + 3O 2 2P 2 O 5 + 6Cl BCl 3 + 3O 2 2B 2 O 3 + 6Cl 2

59 MVCD, PMVCD SiO 2 w postaci bardzo drobnych cząstek osiada na chłodnych ściankach. Cząstki łączą się ze sobą tworząc amorficzną warstwę. Skład gazu jest w sposób ciągły zmieniany, tak że współczynnik załamania światła również odpowiednio się zmienia. Gdy proces nanoszenia się kończy, temperatura pieca rośnie do 1800 o C i rurka stapia się w litą preformę. (M=modified) SiCl 4 + O 2 SiO 2 + 2Cl 2

60 PVCD W rurce powstaje plazma ułatwiająca zajście reakcji. Szkło powstające wewnątrz jest od razu w postaci jednolitego materiału.

61 Domieszkowanie z zewnątrz Pary chlorków podlegają reakcji hydrolizy w piecu. SiO 2 osadza się w materiale porowatej preformy od zewnątrz. Następnie preformę stapia się w wysokiej temperaturze (przy okazji ucieka z niej woda).

62 Wyciąganie włókna Preformy o średnicy rzędu cm i długości kilku cm rozciąga się tak, że ich średnica wynosi 125 µm Wyciąganie przebiega w temperaturze 2200 C Dispositivo per la filatura ed il rivestimento di una fibra

63

64 Inne elementy światłowodowe

65 FIBER BRAGG GRATINGS Co to jest FBG: periodyczne zaburzenie współczynnika załamania światła rdzenia jednomodowego światłowodu.

66 FIBER BRAGG GRATINGS Gdy światło pada na taka siatkę Bragga, tylko bardzo wąski zakres długości fali odbija się od siatki (~0.2 nm). Pozostale przechodzą. Selektywne zwierciadło

67 Wytwarzanie FBG Mechanizm Różnica współczynnika załamania wynosi tylko 10-4 Wykorzystuje się fakt, że włókno krzemianowe domieszkowane Ge jest fotoczułe. Pod wpływem silnego swiatła zrywane sa wiazania Ge-Ge

68 Do czego mogą służyć FBG Np. dwie siatki Bragga tworzą rezonator optyczny w pewnym obszarze światłowodu.

69 Wzmacniacze optyczne Po co są potrzebne? Światło, rozchodząc się w ośrodku ulega tłumieniu. Informacja zawarta w sygnale może zaniknąć.

70 Źródła strat energii: Straty

71 Straty Najniższe do tej pory uzyskane straty w światłowodzie szklanym: 0,2 db/km (λ=1500 nm) Połączenia między światłowodami: 0,1-0,3 db/km

72 Wzmacniacze optyczne Praseodymium Doped Fiber Amplifier (PDFA) Erbium-doped Fiber Amplifier (EDFA) Thulium doped fiber amplifier (TDFA) Yterbium-doped fiber amplifier (YDFA)

73 Wzmacniacz wykorzystujący domieszkowanie erbem Rdzeń światłowodu krzemianowo-germanowego jest domieszkowany erbem (albo neodymem). Ważnym czynnikiem jest to, że można osiągnąć dosyć duży stopień domieszkowania (do 1000 ppm).

74 Jak działa EDFA

75 Działanie EFDA: dokładniej Energy of the Er 3+ ion in the glass fiber 1.54 ev 1.27 ev E 3 E 3 Non-radiative decay 980 nm 0 Pump 0.80 ev E nm In E nm Out Energy diagram for the Er 3+ ion in the glass fiber medium and light amplification by stimulated emission from E 2 to E 1. Dashed arrows indicate radiationless transitions (energy emission by lattice vibrations) 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

76 Signal in Optical isolator Er 3+ -doped fiber (10-20 m) Wavelength-selective coupler Splice Splice Optical isolator Signal out λ = 1550 nm λ = 1550 nm Pump laser diode λ = 980 nm Termination A simplified schematic illustration of an EDFA (optical amplifier). The erbium-ion doped fiber is pumped by feeding the light from a laser pump diode, through a coupler, into the erbium ion doped fiber S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

77 Światłowody krzemowe? Dzisiejsze urządzenia fotoniczne wykorzystują drogie związki półprzewodnikowe takie jak GaAs, GaP. Z drugiej strony, w telekomunikacji wykorzystuje się światło o długości fali µm. Dla takiego światła krzem jest praktycznie przezroczysty.

78 Krzemowy światłowód: wytwarzanie

79 Światłowody krzemowe? Zatem, potrzeba tańszych urządzeń spowodowała rozwój fotoniki krzemowej. W szczególności: wzmacniacze i generatory światła; modulatory światła;

80 Laser Ramana Rozpraszanie Ramana: Światło o długości fali λ 1 wzbudza drgania atomów materiału (fonony) oraz emisję światła o długości fali λ 2.

81 Laser Ramana Wymuszone rozpraszanie Ramana: Normalnie, intensywność promieniowania rozproszonego (λ 2 ) jest znacznie mniejsza niż intensywność promieniowania padającego. Jeżeli światło padające jest wystarczająco intensywne, a materiał umieszczony jest we wnęce rezonansowej, wówczas może nastąpić wzmocnienie (wzmocnienie Ramana) oraz akcja laserowa.

82 Laser Ramana Wymuszone rozpraszanie Ramana: Największe wzmocnienie następuje, gdy różnica długości fali promieniowania pompującego i emitowanego wynosi:

83 Laser Ramana Technologia SOI (silicon on insulator). Przekrój poprzeczny warstwy Si ma około 1.6 µm 2, a długość 4.8 cm. Cienka warstwa krystalicznego krzemu (n=3.6) jest osadzona na warstwie SiO 2 (n=1.5). Dzięki tak dużej różnicy współczynników załamania, światło może być bardzo skutecznie ograniczone w przestrzeni. Stąd wynika duże wzmocnienie Ramana.

84 Laser Ramana Przednia i tylna ścianki falowodu są pokryte warstwą o dużym współczynniku odbicia dla wiązek: pompującej i wychodzącej. Światło pompujące ma 1540 nm, wychodzące: 1650 nm. Możliwa jest praca ciągła lasera. Pierwsze doniesienie o krzemowym laserze Ramana: luty 2005.

85 Laser Ramana Pulsed operation OE 2004 paper CW operation H. Rong et al., Nature 2005

86 Modulatory światła Pierwszy krzemowy GHz-owy modulator Modulatory optyczne wykorzystuje się do kodowania i dekodowania danych poprzez odpowiednie włączanie i wyłączanie wiązki światła (zera i jedynki). Do 2004 roku krzemowe modulatory działały powoli (20 MHz). Obecnie: GHz.

87 Literatura P.E. Bagnoli et al., Dipartimento di Fisica Enrico Fermi, Universita di Pisa. S.G. Johnson, Applied Mathematics, MIT. Ertan Salik, OAO Corporation. Andrea Macella, Università degli Studi di Lecce