R.Jóźwicki: Podstawy inżynierii fotonicznej

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
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 !!!
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
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
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
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
Połowa podręcznika
dotyczy treści niniejszego
wykładu PIF
Druga część odpowiada
treści wykładu Fotonika
na specjalności Inżynieria
Fotoniczna
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
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
Widmo fal elektromagnetycznych
Nadfiolet
Prędkość światła w próżni
c = 299 792.4562 ± 0.0011
≈ 300 000 km/s
ν [Hz ] =
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
Niezmiennik ruchu falowego
λ
D p sin ϑ ≈
2
2θ - kąt rozbieżności wiązki
Dp – średnica przewężenia
Średnica przewężenia nie może być mniejsza od λ/2
Uzyskanie małej średnicy Dp
połączone jest z dużym kątem rozbieżności 2θ
λ = 780 nm
λ = 650 nm
NA = 0.45
NA = 0.60
Podłoże 1.2 mm
Podłoże 0.6 mm
λ = 405 nm
NA = 0.85
Warstwa 0.1 mm
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
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
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
Wyzwania dla wieku XXI
Nanostruktury
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
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)
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
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
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
Historyczny rozwój
przeszkoda
Fale na wodzie
optyka → fotonika
Fala ugięta na
przeszkodzie
Analogia do wpływu
przeszkody na fale na
wodzie
Fala ??
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?
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
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