Zajęcia laboratoryjne (sala 503). Szczegółowa informacja będzie podana na następnym wykładzie

Rok III, semestr V, wykład 30 godz., laboratorium 15 godz.

Zaliczenie wykładu na podstawie sumy punktów z 2 kolokwiów

Podstawy inżynierii fotonicznej

Prof.dr hab.inż. Romuald JóźwickiInstytut Mikromechaniki i Fotoniki Pokój 513B

Uwaga: treść wykładów w Internecie zto.mchtr.pw.edu.pl

Konsultacje: czwartek godzina 10.15-11.00

Nie wszystko będzie jasne, chociaż mówimy o świetle

Filozofia zdobywania wiedzy

Chętnie odpowiadam na pytania !!!

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) ?

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

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

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

Dla różnych różnych zagadnień literatura dodatkowo na wykładzie

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

Połowa podręcznika dotyczy treści niniejszego

wykładu PIF

Druga część odpowiada treści wykładu Fotonika

na specjalności Inżynieria Fotoniczna

Fotonika, optyka a elektronikaPrzyczyny 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

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

Częstotliwość a długość fali 0 0

ccTc

T1

Hz

Nadfiolet

Pasmo optyczne

0 1nm , 1 mm 3·1017 , 3·1011 Hz

c = 299 792.4562 ± 0.0011 300 000 km/s

Prędkość światła w próżni

Niezmiennik ruchu falowego

2sinDp

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

Warstwa 0.1 mm

= 405 nm

NA = 0.85

Przesyłanie (przetwarzanie) informacji

Optyka - wyłącznie modulator przestrzenny mikroskop

Elektronika - do niedawna tylko modulator czasowy

radio telewizja

Fotonika – modulator czasowy i przestrzenny

telekomunikacja światłowodowa

magnetooptyczny dysk z laserem półprzewodnikowym

Generator nośnika

ModulatorPrzetwornik

nadajnikOdbiornik

Informacja

Najważniejsze odkrycia dla fotoniki – wiek XX

L a s e rŚwiatłowody o skrajnie niskich stratach

Półprzewodnikowe elementy optoelektroniczne

diody laserowe (LED’y), odbiorniki CCD, sprzęgacze, przełączniki, modulatory i inne

Ograniczenia wieku XX

m = -1 m = 1

m = 0

md

sin

Siatka dyfrakcyjna

d – okres siatki

Siatka nie przepuszcza informacji o strukturach d

Mikroskop

Możliwość obserwacji szczegółów nie mniejszych

niż /2 dla skośnego oświetlenia

PrzedmiotFala

Skośne oświetlenie

Wyzwania dla wieku XXI

Nanostruktury

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

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)

Prognozy

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 fotonika

Optyka geometryczna - promień świetlny

Punktowe źródło

diafragma ekran Obszar całkowitej ciemności

Obszar pełnej jasności

Fala ??

Doświadczenie

Jest światło

Analogia do wpływu przeszkody na fale na wodzie

Historyczny rozwój optyka fotonika

przeszkoda

Analogia do wpływu przeszkody na fale na

wodzie

Fala ??

Fale na wodzie

Fala ugięta na przeszkodzie

Różna odległość

Historyczny rozwój optyka fotonika

Diafragma kołowaPunktowe

źródło

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

? ? ?