docZastosowania O_F - Zakład Inżynierii Fotonicznej
download 
Reklamacja Transkrypt
Zastosowania O_F - Zakład Inżynierii Fotonicznej
Małgorzata Kujawińska Zakład Techniki Optycznej Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Politechniki Warszawskiej Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Zakres wykładu • Podstawowe definicje optyki i fotoniki • Fotonika : marzenia a rzeczywistość • Inżynieria fotoniczna i jej zastosowania w: 9informacji i komunikacji, 9produkcji przemysłowej i kontroli jakości 9naukach biologicznych i zdrowiu 9oświetleniu i displejach • Zagadnienia przekrojowe IF obejmujące: 9optyczne elementy i systemy 9bezpieczeństwo, metrologię i sensory Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska zto.mchtr.pw.edu.pl 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Widmo fal elektromagnetycznych Nadfiolet 1 c c = = T cT λ 0 Pasmo optyczne λ0 ∈ 1nm 1 mm ν ∈ 3·1017 3·1011 Hz Częstotliwość ν a długość fali λ0 c = 299 792.4562 ± 0.0011 ≈ 300 000 km/s Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska ν [Hz ] = Niezmiennik ruchu falowego D p sin Ο ≈ 2θ - kąt rozbieżności wiązki 2 Dp – średnica przewężenia Średnica przewężenia nie może być mniejsza od λ/2 Uzyskanie małej średnicy Dp połączone jest z dużym kątem rozbieżności 2θ Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska λ λ = 780 nm λ = 650 nm NA = 0.45 NA = 0.60 Podłoże 1.2 mm Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Podłoże 0.6 mm λ = 405 nm NA = 0.85 Warstwa 0.1 mm Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Najważniejsze odkrycia dla fotoniki – wiek XX Laser Światłowody o skrajnie niskich stratach Półprzewodnikowe elementy optoelektroniczne diody laserowe (LED’y), odbiorniki CCD, sprzęgacze, przełączniki, modulatory i inne Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Przedmiot Fala Możliwość obserwacji szczegółów nie mniejszych niż λ/2 dla skośnego oświetlenia 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Photonic Crystals in Nature Peacock feather Morpho butterfly wing scale: [ L. P. Biró et al., PRE 67, 021907 (2003) ] Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 6.21µm [J. Zi et al, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 100, 12576 (2003) ] [figs: Blau, Physics Today 57, 18 (2004)] 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Historyczny rozwój Optyka geometryczna Punktowe źródło optyka → fotonika - promień świetlny diafragma ekran Obszar całkowitej ciemności Obszar pełnej jasności Doświadczenie Jest światło Fala ?? Analogia do wpływu przeszkody na fale na wodzie Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Historyczny rozwój przeszkoda Fale na wodzie optyka → fotonika Fala ugięta na przeszkodzie Analogia do wpływu przeszkody na fale na wodzie Fala ?? Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Historyczny rozwój Punktowe źródło optyka → fotonika 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? Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Poszukiwanie eteru 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Historyczny rozwój Optyka geometryczna optyka → fotonika - promień świetlny Optyka falowa - fala nieznanej natury ? ? ? Elektrodynamika – fala ELM Optyka kwantowa ? ? ? ? - kwant - ? R.Jóźwicki: Podstawy inżynierii fotonicznej. Of.Wyd. PW, 2006 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska „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) - 1997 2001 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Pierre Aigran – 2005 Unikalne cechy fotonu • nic w przyrodzie nie przemieszcza się z prędkością większą niż światło, • 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. Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 również żywymi komórkami nie powodując ich uszkodzenia (wzrost 38% rocznie) Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Fotoniczne i optyczne technologie będą najbardziej wpływowymi czynnikami innowacji w 21 wieku Wartości w UE 2003 2010 (przewidywane) Zatrudnienie w fotonice 500 000 1 500 000 Wartość produktów foton. 60 mld Euro 250 mld Euro Patenty 15 000 45 000 LCD CCD światłowody Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Elementy fotoniczne: zmiany w strukturze produkcji Inne (oświetlenie, pamięci..) FP5 (1999-2002) 2002-2006 14% Środowisko & Bezpieczeństwo 18% 48% 20% Zdrowie & nauki biologiczne Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Telecom 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Informacja i Komunikacja Wyzwania: ¾ Szerokopasmowa komunikacja: > 100-1000 ¾ Pamięci optyczne: dyski trerabitowe ¾ Optyczne przetwarzanie sygnału: przełączanie i przetwarzanie sygnału z czasami 1ns ¾ Zmniejszenie „kosztu na bit” Redukcja kosztów + powiększenie pasma Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska W przyszłości wszystko będzie połączone 2010 14 Billion 2005 2005 750 million Million Source: Forrester Research, as cited in BusinessWeek.com, 2/20/05 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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… Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Magazynowanie danych Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Produkcja przemysłowa i jakość Wzrost 18% rocznie Fabryka fotonowa Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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) • Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 2 mm 700 W avg0.08 [nm] 600 500 400 300 200 100 1 0 1 Specjalizacja ZTO w zakresie mikro i makro Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 2 3 4 2 5 6 7 8 9 10 3 11 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Medyczne obrazowanie 3D - ZTO Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Oświetlenie Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska OŚWIETLENIE I DISPLEJE Bezpieczeństwo i zabezpieczenia Oszczędność Energii Pomoc starszym Ochrona środowiska Urbanizacja, sztuka i piękno Komfort 25% energii zużywanej na oświetlenie Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Indywidualna Mobilność Virtualna Komunikacja Przejście od światła „racjonalnego” do „emocjonalnego” Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Zbieżność Wizualizacji i Oświetlenia Przykład technologii OLED OLED dostarczają możliwość wytworzenia ultracieńkich displeji i przyszłościowego oświetlenia Powierzchniowe displeje światła dla oświetlenia Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Duże displeje o płaskich panelach. Rozwój i perspektywy źródeł światła Wydajność źródeł światła Białe LED i OLED o dużej mocy Lumen/Wat Klasyczne źródła światła Rok odkrycia Halogenki metalu Fluorescencyjne Rtęciowe Halogenowe Żarowe Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Potencjalne możliwości Laserowe światło dla oświetlenia i wizualizacji Laserowe żródło RGB lasery półprzewodnikowe Integracja Laserowej Projekcji i Oświetlenia Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Kompaktowe żródła światła Displeje i Oświetlenie na OLED wymagają podobnych technologii Wymaganie rozwoju elektroniki organicznej na giętkich substratach -Giętkie substraty - przeźroczyste układy Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Masowa produkcja przez prasowanie („roll-on-roll”) Bezpieczeństwo, Metrologia i Sensory (1) • Rynek biomedyczny, środowisko, chemia Biochip’y np. DNA Wzrost zapotrzebowania: 20-90% Podstawa; mikroskopia fluorescencyjna, konfokalna, rozpraszanie światła, techniki spektrometryczne • Kontrola przemysłowa Miniaturyzacja i integracja sensorów (MEMS/MOEMS) Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Bezpieczeństwo, Metrologia i Sensory(2) • Przemysł samochodowy, lotniczy i kosmiczny Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Bezpieczeństwo, Metrologia i Sensory(3) • Bezpieczeństwo i zabezpieczenia Systemy aktywnego widzenia Detekcja w zakresie promieniowania THz Detektory THz i UV, EUV Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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) Niechłodzone detektory IR Assembly, Integration and Packaging Monolitycznie zintegrowane mikrolasery Integracja, wielofunkcyjność Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Multimedia Obrazowanie 3D,4D Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology SPIE Student Chapter Warsaw University of Technology http://spie.mchtr.pw.edu.pl Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology ¾ 2 000 professors Warsaw University of Technology ¾ 30 000 students (most of them study full-time) Electronics and Information Technology Faculty of Mechatronics 14 other faculties ¾ 3 professors ¾ 13 Ph. D. ¾ 37 students Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Institute of Micromechanics and Photonics Optical Engineering Division SPIE Student Chapter 4 other institutes Warsaw University of Technology prof. Malgorzata Kujawinska Advisor Krzysztof Radzimowski Vice President Aneta Michalkiewicz President Anna Pakula Secretary Przemyslaw Czapski Treasurer + 12 Ph D + 15 students = 31 members Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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) Æ Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology NEMO workshop „Characterization of refractive micro-optical elements” Brussels NEMO Summer School on Optical Modeling, Santiago de Compostela Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology International Congress on Optics and Optoelectronics in Warsaw, Poland ÅBobo Hu is presenting China Aneta is presenting Poland Æ Pantomime Jurgen from Belgium presents interferometer Æ Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Baking sausages Æ Warsaw University of Technology XVIth Conference on Photonics and Web Engineering in Wilga, Poland Maciej Karaszewski presenting his algorithm Æ ÅAnna Pakula during her presentation Volleyball competition: SPIE vs. IEEE Æ Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Grill party Warsaw University of Technology XXth Polish Festival of Science (14-26.IX.2006) Å“The eye – human optics”; “Wave optics – interference and diffraction” Æ ”How does fiber work?” “In the maze of geometrical optics” Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology Fair of Scientific Chapters and Students’ Organizations of WUT Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology measurements Optoelectronic reconstruction Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Digital holography Warsaw University of Technology Structure light projection Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology The system architecture Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska 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 0.23 ÷ 5.9 x 7.9 mm2 • out-of-plane accuracy: up to 10 nm • measurement range: up to 30 μm Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Displacement Transient displacement Warsaw University of Technology White Light Interferometry • Homemade scanning interferometer Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology White Light Interferometry • Micromembrane measurment: Å Photo Result from professional WLIÆ Result from our setup Æ Membrane with fringesÆ Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology Interference Tomography Our setup Æ Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska Warsaw University of Technology Interference Tomography Å Principle of method (click it ) Sinogram Æ Refractive index distribution (click it) Æ Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska
