Małgorzata Kujawińska Zakład Techniki Optycznej Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Politechniki Warszawskiej

Transkrypt

1 Małgorzata Kujawińska Zakład Techniki Optycznej Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Politechniki Warszawskiej

2 Zakres wykładu Podstawowe definicje optyki i fotoniki Fotonika : marzenia a rzeczywistość Inżynieria fotoniczna i jej zastosowania w: informacji i komunikacji, produkcji przemysłowej i kontroli jakości naukach biologicznych i zdrowiu oświetleniu i displejach Zagadnienia przekrojowe IF obejmujące: optyczne elementy i systemy bezpieczeństwo, metrologię i sensory

3 Organizacja Wykładowca: Prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawiska Kierownik Zakładu Techniki Optycznej Instytut Mikromechaniki i Fotoniki PW Pok. 515 Rok I, semestr II, wykład 30 godz. Zaliczenie wykładu na podstawie sumy punktów z 2 kolokwiów Uwaga: treść wykładów w Internecie zto.mchtr.pw.edu.pl

4 Bibliografia R.Jóźwicki: Podstawy inżynierii fotonicznej, Oficyna Wyd. PW, Warszawa 2006 K. Patorski, M. Kujawińska, L. Sałbut: Interferometria laserowa z automatyczna analizą obrazu, Oficyna Wyd. PW, Warszawa 2005 B. Salech, M.Teich: Fundamentals of Photonics, J. Wiley and Sons, new York, 1991

5

6 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

7 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

8 Widmo fal elektromagnetycznych Nadfiolet Częstotliwość ν a długość fali λ 0 [ Hz] c = ± km/s 1 c c ν = = = T ct λ Pasmo optyczne λ 0 1nm 1 mm ν Hz 0

9 Niezmiennik ruchu falowego D p sin Ο 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

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

11 λ = 405 nm NA = 0.85 Warstwa 0.1 mm

12 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

13 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

14 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

15 Wyzwania dla wieku XXI Nanostruktury- nanotechnologie- nanofotonika 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, światłowody fotoniczne

16 Photonic Crystals in Nature Morpho butterfly Peacock feather wing scale: [ L. P. Biró et al., PRE 67, (2003) ] 6.21µm [J. Zi et al, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 100, (2003) ] [figs: Blau, Physics Today 57, 18 (2004)]

17 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

18 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

19 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

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

21 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

22 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

23 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

24 Photonics is the science of the harnessing of light. Photonics encompasses the generation of light, the detection of light, the management of light through guidance, manipulation, and amplification, and most importantly, its utilisation for the benefit of mankind. (1967) Pierre Aigran

25 Unikalne cechy fotonu nic w przyrodzie nie przemieszcza się z prędkością większą niżświatło, fotony nie maja masy i nie powodują oporu, zogniskowane światło lasera może utworzyć największą koncentrację energii znaną na ziemi, można wytworzyć impuls fotonów o czasie porównywalnym z czasem reakcji molekularnej lub atomowej, wiązka światła nie tylko pozwala obrazować, ale również uchwycić i manipulować atomem, światło tworzy techniki bezkontaktowe, które można stosować w warunkach ekstremalnych.

26 Przykłady zastosowań : Fotonika(1) Społeczeństwo informacyjne: technologie fotoniczne umożliwiają przetwarzanie, magazynowanie, transport i wizualizację ogromnych plików danych; w przyszłości optyczne systemy umożliwią 1000 powiększenie przepustowości umożliwiając uruchomienie masowych łączy szerokopasmowych Produkcja: światło laserowe jest stosowane jako szybkie i precyzyjne narzędzie dla obróbki materiałów i wytwarzania różnorodnych produktów od statków do nanoelementów. Europa: 50% rynku światowego

27 Przykłady zastosowań: Fotonika (2) Oświetlenie: innowacyjne systemy oświetleniowe tworzą przyjazne dla człowieka środowisko i oszczędzają energie. Jeżeli oświetlenie diodowe będzie wprowadzone masowo, oszczędzi to co najmniej 2 miliardy baryłek ropy rocznie (Europa: 30% rynku światowego) Służba Zdrowia: zrewolucjonizowana przez zastosowanie narzędzi optycznych do badań, diagnostyki, terapii i chirurgii; w zasięgu ręki są rozwiązania bazujące na mikroanalityce czy zdalnej diagnozie, Nauki biologiczne: fotonika jest kluczem do mikrokosmosu życia w biotechnologii, farmacji i genetyce. Fotoniczne narzędzia umożliwiają nie tylko manipulację cząsteczkami, ale równieżżywymi komórkami nie powodując ich uszkodzenia (wzrost 38% rocznie)

28 Fotoniczne i optyczne technologie będą najbardziej wpływowymi czynnikami innowacji w 21 wieku Wartości w UE Zatrudnienie w fotonice (przewidywane) Wartość produktów foton. Patenty 60 mld Euro mld Euro LCD CCD światłowody

29 Elementy fotoniczne: zmiany w strukturze produkcji Inne (oświetlenie, pamięci..) 14% FP5 ( ) Środowisko & Bezpieczeństwo 18% 48% 20% Zdrowie & nauki biologiczne Telecom

30 7 Grup roboczych Podział tematyczny Informacja i Komunikacja Produkcja Przemysłowa i Jakość Nauki Biologiczne i Zdrowie Zastosowania Oświetlenie i Displeje Badania Edukacja Szkolenia Elementy & Systemy Bezpieczeństwo, Metrologia &Sensory Problemy przekrojowe

31 Informacja i Komunikacja Wyzwania: Szerokopasmowa komunikacja: > Pamięci optyczne: dyski trerabitowe Optyczne przetwarzanie sygnału: przełączanie i przetwarzanie sygnału z czasami 1ns Zmniejszenie kosztu na bit Redukcja kosztów + powiększenie pasma

32 W przyszłości wszystko będzie połączone Billion million Million Source: Forrester Research, as cited in BusinessWeek.com, 2/20/05

33 Gdzie zdąża telekomunikacja Wszystkie urządzenia w sieci PCs, Phones, Cell Phones, Radios, TVs, Cameras, Pictureframes, Vehicles, Sensors, Actuators, Doors, portable gadgets Wszystko w Ethernet Wired, wireless, PCs, Phones, Cameras, Storage Wszystko poprzez IP (Internet Protocol) Data, voice, video, wired, wireless

34 Wyzwania dla inżynierii fotonicznej Większa szybkość danych Większa dostępność przełączników 13xx,15xx Mniejsze zintegrowane modulatory o parametrach LiNbO3 Mniejszy wymiar / Wyższa gęstość w porcie Małe pakiety optyczne z min. elektroniki przejście z ICs do Board/Host Większy wydatek ciepła / niższa konsumpcja mocy Mat. i urządzenia dla laserów 13xx, 15xx o wyższej temp. pracy (85C) 13xx VCSELs dla niższej konsumpcji mocy Ulepszony (termicznie) packaging Niższy koszt Niższy koszt transmitterów 10Gb & 40Gb Przejście od ICs to Board/Host Wspólne standardy Większa elastyczność: rozłączalne, przestrajalne Rozwój opycznych elementów aktywnych Swiatłowodów fotonicznych, Szerokopasmowych źródeł

35 Magazynowanie danych

36 Produkcja przemysłowa i jakość Wzrost 18% rocznie Fabryka fotonowa

37 Nowe wyzwania w laserowej produkcji przemysłowej Laserowa mikro- i nanoprodukcja ablacja laserowa (litografia bez maski) modyfikacja materiałów bazująca na efektach nieliniowych (3D falowody) Obróbka nowych materiałów (interakcja z materią) Biotechnologia Poprawa jakości elementów (termodynamika, naprężenia własne) Nowe żródła (UV &EUV), układy doprowadzania i manipulacji wiązką (układy zdalne)

38 Przemysłowa kontrola jakości 2D, 3D, 4D systemy widzenia maszynowego do inteligentnej produkcji Obrazowanie wielospektralne 100% kontrola jakości Average deformation of the membranes 0.45 x 0.45 mm Wavg0.08 [nm] Specjalizacja ZTO w zakresie mikro i makro

39 Nauki biologiczne i ochrona zdrowia Możliwości fotoniki: - monitorowanie biomateriału: bezkontaktowe, w czasie rzeczywistym bez interakcji - pobieranie/badanie biomateriału na poziomie pojedynczych komórek i całych organów - lokalna manipulacja i modyfikacja biomateriału Camera pills Wyzwanie: zmiana zasad postępowania DZISIAJ: rozpoznanie symptonów, diagnoza, leczenie JUTRO: badania przesiewowe, identyfikacja anomali genów lub protein, naprawa anomalii

40 Priorytety badawcze Narzędzia fotoniczne do manipulacji komórkami i tkankami rozwój nowych markerów, optical tweezers. Diagnoza komórkowa in-vivo, histologia in-vivo, patologia 4D+RGB obrazowanie (metody nieliniowe), nowe żródła Optyczne biochip y i biosensory MEMS/MOEMS, macierze źródeł światła i specjalizowanych detektorów Rozwój metod obrazowania 3D, 4D systemy obrazowania równoległego (macierze), OCT, od UV do IR, obrazowanie in-situ Terapia o minimalnej inwazyjności

41 Medyczne obrazowanie 3D - ZTO

42 Oświetlenie

43 OŚWIETLENIE I DISPLEJE Oszczędność Energii Bezpieczeństwo i zabezpieczenia Pomoc starszym Komfort Ochrona środowiska Urbanizacja, sztuka i piękno 25% energii zużywanej na oświetlenie Indywidualna Mobilność Virtualna Komunikacja

44 Przejście od światła racjonalnego do emocjonalnego

45 Zbieżność Wizualizacji i Oświetlenia Przykład technologii OLED OLED dostarczają możliwość wytworzenia ultracieńkich displeji i przyszłościowego oświetlenia Powierzchniowe displeje światła dla oświetlenia Duże displeje o płaskich panelach.

46 Rozwój i perspektywy źródeł światła Wydajność źródeł światła Lumen/Wat Klasyczne źródła światła Białe LED i OLED o dużej mocy Potencjalne możliwości Rok odkrycia Halogenki metalu Fluorescencyjne Żarowe Rtęciowe Halogenowe

47 Laserowe światło dla oświetlenia i wizualizacji Laserowe żródło RGB lasery półprzewodnikowe Integracja Laserowej Projekcji i Oświetlenia Kompaktowe żródła światła

48 Displeje i Oświetlenie na OLED wymagają podobnych technologii Wymaganie rozwoju elektroniki organicznej na giętkich substratach -Giętkie substraty - przeźroczyste układy Masowa produkcja przez prasowanie ( roll-on-roll )

49 Bezpieczeństwo, Metrologia i Sensory (1) Rynek biomedyczny, środowisko, chemia Kontrola przemysłowa Miniaturyzacja i integracja sensorów (MEMS/MOEMS) Biochip y np. DNA Wzrost zapotrzebowania: 20-90% Podstawa; mikroskopia fluorescencyjna, konfokalna, rozpraszanie światła, techniki spektrometryczne

50 Bezpieczeństwo, Metrologia i Sensory(2) Przemysł samochodowy, lotniczy i kosmiczny

51 Bezpieczeństwo, Metrologia i Sensory(3) Bezpieczeństwo i zabezpieczenia Systemy aktywnego widzenia Detekcja w zakresie promieniowania THz Detektory THz i UV, EUV

52 Technologie wspomagające rozwój sensorów Optyka zintegrowana M(O)EMS Urządzenia bazujące na fotonicznej przerwie 3D optyczne obwody scalone Swiatłowody fotoniczne CCD, CMOS (z smart pixel) Assembly, Integration and Packaging Niechłodzone detektory IR Monolitycznie zintegrowane mikrolasery Integracja, wielofunkcyjność

53 Multimedia Obrazowanie 3D,4D

54 Warsaw University of Technology SPIE Student Chapter Warsaw University of Technology

55 Warsaw University of Technology

56 Warsaw University of Technology Warsaw University of Technology professors students (most of them study full-time) Electronics and Information Technology Faculty of Mechatronics 14 other faculties Institute of Micromechanics and Photonics 4 other institutes 3 professors 13 Ph. D. 37 students Optical Engineering Division SPIE Student Chapter

57 Warsaw University of Technology prof. Malgorzata Kujawinska Advisor Aneta Michalkiewicz President Krzysztof Radzimowski Vice President Anna Pakula Secretary Przemyslaw Czapski Treasurer + 12 Ph D + 15 students = 31 members

58 Warsaw University of Technology

59 Warsaw University of Technology Photonics Europe 2006 Virtual Studio for educational content production won a 1st Prize in category: Best Marketability SPIE Annual Meeting and Optics & Photonics Conference in San Diego, USA Maciej Karaszewski and his new friends from Students Chapter from Monterey (and not only)

60 Warsaw University of Technology NEMO workshop Characterization of refractive micro-optical elements Brussels NEMO Summer School on Optical Modeling, Santiago de Compostela

61 Warsaw University of Technology International Congress on Optics and Optoelectronics in Warsaw, Poland Bobo Hu is presenting China Aneta is presenting Poland Pantomime - Jurgen from Belgium presents interferometer Baking sausages

62 Warsaw University of Technology XVI th Conference on Photonics and Web Engineering in Wilga, Poland Maciej Karaszewski presenting his algorithm Anna Pakula during her presentation Grill party Volleyball competition: SPIE vs. IEEE

63 Warsaw University of Technology XX th Polish Festival of Science (14-26.IX.2006) The eye human optics ; Wave optics interference and diffraction How does fiber work? In the maze of geometrical optics

64 Warsaw University of Technology Fair of Scientific Chapters and Students Organizations of WUT

65 measurements Warsaw University of Technology Digital holography Optoelectronic reconstruction

66 Warsaw University of Technology Structure light projection

67 Warsaw University of Technology The system architecture

68 Warsaw University of Technology Twyman-Green interferometer for out-of-plane displacement/shape measurement TPS Reference surface (R): flat mirror; LCoS SLM; diffuser. Static shape Time-average Bessel fringes Main technical features: Active interferometry Stroboscopy field of view: 0.17 x x 7.9 mm2 out-of-plane accuracy: up to 10 nm measurement range: up to 30 μm Displacement Transient displacement

69 Warsaw University of Technology White Light Interferometry Homemade scanning interferometer

70 Warsaw University of Technology White Light Interferometry Micromembrane measurment: Photo Result from professional WLI Result from our setup Membrane with fringes

71 Warsaw University of Technology Interference Tomography Our setup

72 Warsaw University of Technology Interference Tomography Principle of method (click it ) Sinogram Refractive index distribution (click it)