Podstawy inżynierii fotonicznej

Transkrypt

1 Podstawy inżynierii fotonicznej Prof.dr hab.inż. Romuald Jóźwicki Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Pokój 513B tylko konsultacje Rok III, semestr V, wykład 30 godz., laboratorium 15 godz. Zaliczenie wykładu na podstawie sumy punktów z 2 kolokwiów Początek zajęć laboratoryjnych (sala 503) koniec października Szczegółowa informacja będzie podana później na wykładzie Zaliczenie 6 ćwiczeń na podstawie wszystkich sprawozdań Uwaga: treść wykładów w Internecie zto.mchtr.pw.edu.pl

2 Filozofia zdobywania wiedzy Nie wszystko będzie jasne, chociaż mówimy o świetle 1. Nie rozumiem, ale piszę o tym, bo kolokwium 2. Wykonuję projekty, bo tak mnie nauczono 3. Końcowy etap po kilku latach pracy: takie to proste. Dlaczego tego wcześniej nie rozumiałem (-am)? Chętnie odpowiadam na pytania!!!

3 Cele wykładu i laboratorium 1. Poszerzyć Waszą wiedzę 2. Zapoznać z nowymi możliwościami pomiarów, badania zjawisk, przesyłania informacji i ich fizycznymi ograniczeniami 3. W przyszłej Waszej karierze, w przypadku zaistniałej potrzeby rozwiązania problemu metodami fotonicznymi, radzę zwrócić się do fachowców Po zaliczeniu przedmiotu (wykładu i laboratorium) zalecam ostrożność z głoszeniem opinii, że jesteście specjalistami z inżynierii fotonicznej

4 Spis treści Fotonika, optyka a elektronika Podstawowe wiadomości z optyki geometrycznej układ optyczny Propagacja fali Elementarne wiadomości z elektrodynamiki Statystyka fotonów Emisja promieniowania przez atom Interferencja, interferometry i ich zastosowanie Dyfrakcja, granice poznania świata za pomocą fali Polaryzacja światła i jej zastosowanie

5 Spis treści cd Budowa lasera, niezwykłe właściwości promieniowania laserowego Wiązka laserowa i jej przekształcanie Lasery (He-Ne, półprzewodnikowy i inne) Technika światłowodowa Zastosowanie światłowodów w telekomunikacji Czujniki światłowodowe Czujniki zintegrowane Holografia cyfrowa Specyficzne właściwości układu wizyjnego człowieka

6 Bibliografia R.Jóźwicki: Podstawy inżynierii fotonicznej. Oficyna Wyd. PW, Warszawa 2006 CD R.Jóźwicki, M.Kujawińska, K.Patorski: Podstawy fotoniki Studia internetowe Politechniki Warszawskiej III rok Wydziały: Mechatroniki Elektryczny Elektroniki i Technik Informacyjnych Dla różnych różnych zagadnień literatura dodatkowo na wykładzie

7 Połowa podręcznika dotyczy treści niniejszego wykładu PIF Druga część odpowiada treści wykładu Fotonika na specjalności Inżynieria Fotoniczna

8

9

10 Fotonika, optyka a elektronika Przyczyny powstania i rozwoju fotoniki W elektronice elektron nośnikiem informacji Prąd sterowany różnicą potencjałów Fala elektromagnetyczna generowana przez oscylator Rozwój: od niższych do wyższych częstotliwości telegraf telefon radio (fale długie średnie krótkie UKF) telewizja radar elektroniczna maszyna cyfrowa Przyczyna - większe upakowanie informacji w jednostce czasu

11 Bariera elektroniki 300 GHz Brak generatora promieniowania i odbiornika dla wyższych częstotliwości niż 300 GHz Elektron ma zbyt dużą masę dla tak wysokich częstotliwości Naturalny kierunek zmian : przejście w pasmo optyczne fal elektromagnetycznych Foton nie ma masy spoczynkowej Problemy: detektor rejestruje średnią moc fali brak elastyczności w sterowaniu fotonu samoistna propagacja fotonu

12 Widmo fal elektromagnetycznych Nadfiolet Częstotliwość ν a długość fali λ 0 [ Hz] Prędkość światła w próżni c = ± km/s 1 c ν = = = T ct Pasmo optyczne λ 0 1nm, 1 mm ν , Hz c λ 0

13 Niezmiennik ruchu falowego D p sin ϑ λ 2 2θ - kąt rozbieżności wiązki D p średnica przewężenia Średnica przewężenia nie może być mniejsza od λ/2 Uzyskanie małej średnicy D p połączone jest z dużym kątem rozbieżności 2θ

14 λ = 780 nm NA = 0.45 λ = 650 nm NA = 0.60 Podłoże 1.2 mm Podłoże 0.6 mm

15 λ = 405 nm NA = 0.85 Warstwa 0.1 mm

16 Przesyłanie (przetwarzanie) informacji Generator nośnika Modulator Przetwornik nadajnik Odbiornik Informacja Elektronika - do niedawna tylko modulator czasowy radio telewizja Optyka -wyłącznie modulator przestrzenny mikroskop Fotonika modulator czasowy i przestrzenny telekomunikacja światłowodowa magnetooptyczny dysk z laserem półprzewodnikowym

17 Najważniejsze odkrycia dla fotoniki wiek XX L a s e r Światłowody o skrajnie niskich stratach Półprzewodnikowe elementy optoelektroniczne diody laserowe (LED y), odbiorniki CCD, sprzęgacze, przełączniki, modulatory i inne

18 Ograniczenia wieku XX Siatka dyfrakcyjna m = 0 m = -1 α m = 1 λ sin α = m d Skośne oświetlenie Mikroskop d okres siatki Siatka nie przepuszcza informacji o strukturach d λ Przedmiot Fala Możliwość obserwacji szczegółów nie mniejszych niż λ/2 dla skośnego oświetlenia

19 Nanostruktury Wyzwania dla wieku XXI Odbiornik Przedmiot Kryształy fotoniczne Metamateriały Trójwymiarowa siatka dyfrakcyjna Analizy teoretyczne propagacji promieniowania przez układy elementów, których wymiary są mniejsze od długości fali, wymagają czasochłonnego numerycznego rozwiązywania równań Maxwell a układ równań różniczkowych drugiego stopnia Prace technologiczne w celu wytworzenia tych elementów technologia półprzewodnikowa

20 Prognozy Możliwość odwzorowania szczegółów nanometrowych Budowa kwantowych maszyn cyfrowych Prace w Zakładzie Techniki Optycznej w ramach grantów europejskich Współpraca międzynarodowa Badanie nanoaktuatorów, mikrostruktur (np. macierzy mikrosoczewek)

21 Nazewnictwo związane z fotoniką Elektronika jest dziedziną techniki zajmującą się sterowaniem elektronów w celu przesyłania informacji Fotonika jest dziedziną techniki zajmującą się sterowaniem fotonów w tym samym celu Optoelektronika zajmuje się budową źródeł i detektorów światła Generacja światła i jego detekcja

22 Pożądane cechy nośnika informacji duża szybkość przenoszenia możliwość dużej gęstości upakowania informacji niska moc generacji nośnika mała moc przenoszenia informacji (niskie straty) niskie moce sterowania zastosowanie w różnych ośrodkach (np. w próżni) brak przesłuchów (niskie wpływy otoczenia, zabezpieczenie przed dostępem) niskie koszty generacji, modulacji, propagacji i detekcji bezpieczna obsługa elastyczność w dostosowaniu się do różnych warunków i wymagań perspektywa dalszej poprawy parametrów

23 Historyczny rozwój Optyka geometryczna optyka fotonika - promień świetlny Punktowe źródło diafragma ekran Obszar całkowitej ciemności Obszar pełnej jasności Doświadczenie Jest światło Fala?? Analogia do wpływu przeszkody na fale na wodzie

24 Historyczny rozwój optyka fotonika przeszkoda Fala ugięta na przeszkodzie Fale na wodzie Analogia do wpływu przeszkody na fale na wodzie Fala??

25 Historyczny rozwój optyka fotonika Punktowe źródło Diafragma kołowa Różna odległość wyższa intensywność niż jej wartość bez diafragmy Dowód możliwy przy założeniu: światło jest falą!!! Fala, Fresnel pocz. XIX wieku, tylko jakiej natury? Poszukiwanie eteru

26 Historyczny rozwój optyka fotonika Pierwsza połowa XIX w. Biot i Savart indukcja magnetyczna wywołana prądem Faraday indukcja magnetyczna wywołująca prąd Koniec XIX w. Maxwell zestawił dwa zjawiska - równania Maxwella Światło jest falą elektromagnetyczną!!! Przełom XIX i XX w. Planck odkrył prawo opisujące promieniowania ciała doskonale czarnego Światło jest zbiorem fotonów!!! i zarazem falą Dwoistość natury promieniowania

27 Historyczny rozwój optyka fotonika Optyka geometryczna - promień świetlny??? Optyka falowa - fala nieznanej natury Elektrodynamika fala ELM Optyka kwantowa -kwant???? -? R.Jóźwicki: Podstawy inżynierii fotonicznej. Of.Wyd. PW, 2006