Podstawy inżynierii fotonicznej Prof.dr hab.inż. Romuald Jóźwicki Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Pokój 513B Rok III, semestr V, wykład 30 godz., laboratorium 15 godz. Zaliczenie wykładu na podstawie sumy punktów z 2 kolokwiów Zajęcia laboratoryjne (sala 503). Szczegółowa informacja będzie podana na następnym wykładzie Uwaga: treść wykładów w Internecie zto.mchtr.pw.edu.pl Konsultacje: czwartek godzina 10.15-11.00

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 Poszerzyć Waszą wiedzę Zapoznać z nowymi możliwościami pomiarów, badania zjawisk, przesyłania informacji i ich fizycznymi ograniczeniami 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

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

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

Bibliografia Studia internetowe Politechniki Warszawskiej III rok 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

Objaśnili naturę światła Nobel 2005 z fizyki Objaśnili naturę światła

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

Foton nie ma masy spoczynkowej Brak generatora promieniowania i odbiornika dla wyższych częstotliwości niż 300 GHz Elektron ma zbyt dużą masę dla tak wysokich częstotliwości Bariera elektroniki  300 GHz 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 Częstotliwość  a długość fali 0 c = 299 792.4562 ± 0.0011  300 000 km/s Prędkość światła w próżni Pasmo optyczne 0  1nm , 1 mm   3·1017 , 3·1011 Hz

Niezmiennik ruchu falowego 2 - kąt rozbieżności wiązki Dp – średnica przewężenia Średnica przewężenia nie może być mniejsza od /2 Uzyskanie małej średnicy Dp połączone jest z dużym kątem rozbieżności 2

Podłoże 1.2 mm  = 780 nm NA = 0.45 Podłoże 0.6 mm  = 650 nm NA = 0.60

 = 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

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

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

Nanostruktury Wyzwania dla wieku XXI Kryształy fotoniczne Metamateriały Trójwymiarowa siatka dyfrakcyjna Przedmiot Odbiornik 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

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

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

Historyczny rozwój optyka  fotonika Diafragma kołowa Punktowe źródło 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  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