Оптика - это один из старейших разделов научного знания. Свет имеет очень важную роль в жизни человека. Большую часть информации о мире человек получает при помощи света.
Ученые мужи древних времен думали о природе света, исследовали методы распространения света и пытались найти объяснение явлениям, которые связаны со световыми волнами, таким как:
- изменение цвета неба;
- возникновение радуг;
- появление миражей;
- создание ореолов и другими.
В настоящее время разрабатываются сверхбыстрые технологии в оптике, которые дают возможность генерировать сверхкороткие и мощные импульсные лазеры, оптические приборы широко используют в повседневной жизни человека, в таких условиях исследование явлений оптики становится очень актуальным.
Что такое фотоника
Относительно новый термин «фотоника» появился по аналогии с термином «электроника». Это довольно новый раздел физики, который возник на стыке:
- материаловедения,
- физики твердого тела,
- оптики и электроники,
- спектроскопии,
- квантовой электроники,
- нелинейной оптики,
- оптоинформатики.
Фотоникой называют раздел научного знания, который связан изучением фундаментальных основ и применением светового излучения (потока фотонов) и фотонных полей в компонентах, устройствах и системах, в которых создаются, усиливаются, модулируются, распространяются и принимаются световые сигналы.
Фотоника объединяет знания из:
- лазерной физики;
- оптоэлектроники;
- волоконной и интегральной оптики;
- нелинейной оптики;
- оптической связи;
- оптической обработки сигналов;
- голографии.
Данная наука изучает методы генерации, обработки, хранения передачи, фиксации и трансформации сигналов и полей в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. В большей части практического использования фотоника ориентируется на видимый и ближний инфракрасный диапазон волн.
Фотоном называют элементарную частицу квантового электромагнитного поля, имеющую нулевую массу покоя, а скорость равную скорости света.
Сам термин «фотон» предложил использовать Г. Льюис в 1929 году. Развитие квантовой механики показало, что свет имеет наряду с волновыми свойствами и ряд корпускулярных свойств. Впервые о кванте излучения говорил М. Планк в 1900 году. Эйнштейн идею Планка поддержал и развил, он представил кванты как реальные элементарные частицы, которые подчиняются законам кинематики, как и частицы вещества. Фотон, как элементарная частица показывает свои волновые и корпускулярные свойства.
Фотоника зародилась в недрах квантовой физики. Она основывается на результатах нанотехнологий. Для понимания принципов действия оптоэлектронных и оптических устройств, следует изучить квантовую механику.
Стадии развития фотоники
Термин «фотоника» в научной литературе появился в 1967 году в книге А. Н. Теренина «Фотоника молекул красителей». На три года раньше на физическом факультете ЛГУ создана кафедра биомолекулярной и фотонной физики, которая с 1970 года называется кафедрой фотоники. Теренин определял фотонику как систему связанных фоофизических и фотохимических процессов.
В научном мире фотонику определили как науку, изучающую системы, где носителями информации служат фотоны. В данном контексте термин «фотоника» впервые использовался на 9-м Международном конгрессе по скоростной фотографии в 1970 г.
Области изучения фотоники
Основными проблемами, изучаемыми фотоникой являются:
- физические основы и технологии соединений полупроводников,
- наноматериалы, имеющие новые физические свойства,
- лазеры и светодиоды,
- свойства и технологии создания новых видов оптоволокон,
- исследование фотонных кристаллов, их применение,
- изучение материалов и устройств интегрально оптики,
- вопросы нелинейной оптики,
- изучение и создание новых конструкций оптоэлектронных и электрооптических устройств,
- вопросы, относящиеся к высокоскоростным устройствам обработки оптических сигналов,
- вопрос интеграции фотонных и электронных устройств.
Фотоника постоянно развивается, появляются новые направления исследований, технологические направления, перспективы использования. Старт быстрому прогрессу дало внедрение оптоволоконных систем связи, которые стимулировали технологию создания полупроводниковых лазеров, оптических усилителей и модуляторов, приемников излучения и коммуникационных устройств.
Позднее возникают оптические средства обработки и хранения информации, принципиально новые детекторы физических параметров, методы измерений и другое.
В настоящее время фотонные устройства используют для отображения информации и сигнализации, для трансформации излучения света в электроэнергию.
Проблемы, рассматриваемые фотоникой
В область проблематики фотоники входит такой вопрос как исследование озоновых дыр.
Изучение процессов фотоионизации веществ.
Фотоника занимается теми же задачами, что и классическая электроника, но инструментом выступает поток фотонов, а не электронов. Поле фотонов применяют для хранения и преобразования, обработки и воспроизведения информации. Часто используют лазерное излучение, как поток когерентных фотонов.
Фотонные кристаллы
Фотонными кристаллами называют вещества, структуре которых свойственна периодическое изменение коэффициента преломления в пространстве, которое влияет на перемещение фотонов.
Чаще всего период фотонных кристаллов равен около одной второй длины волны света (от нескольких десятков до сотен нанометров).
Иногда фотонными кристаллами называют вещества, в которых диэлектрическая проницаемость изменяется в пространстве с периодом, который допускает дифракцию света Брэгга.
Имея периодическое изменение коэффициента преломления, фотонные кристаллы дают возможность получать допустимые и недопустимые энергетические зоны для фотонов.
При попадании на фотонный кристалл фотона, имеющего энергию, которая отвечает запрещенной зоне рассматриваемого кристалла, этот фотон не сможет распространяться в кристалле, происходит отражение этого фотона. При попадании на фотонный кристалл фотона, имеющего энергию, соответствующую разрешенной зоне кристалла, то этот фотон может распространяться в этом кристалле. Так, фотонный кристалл становится оптическим фильтром. В природе фотонные кристаллы встречаются на крыльях африканских бабочек.
Фотонные кристаллы делят в зависимости от характера изменения коэффициента преломления:
- Одномерные фотонные кристаллы. У таких кристаллов коэффициент преломления периодически меняется в одном направлении в пространстве. Подобные фотонные кристаллы составлены из разных материалов, имеющих разные коэффициенты преломления.
- Двумерные фотонные кристаллы. У этих кристаллов коэффициент преломления периодически изменяется в двух пространственных направлениях.
- Трехмерные фотонные кристаллы. Коэффициент преломления периодически изменяется в трех направлениях в пространстве. Их можно уподобить массиву объемных областей, которые упорядочены в трехмерной решетке кристалла.
Ширина запрещенных зон фотонных кристаллов позволяет разделить их на:
- проводники, имеющие возможность проводить свет с небольшими потерями на значительные расстояния;
- диэлектрики, хорошие зеркальные поверхности;
- полупроводники, фотонные кристаллы, имеющие возможность избирательно отражать фотоны, имеющие определённые длины волн;
- сверхпроводники, кристаллы, в которых из-за коллективных явлений фотоны могут распространяться на неограниченные расстояния.
