Оптика и Фотоника

Оптика – это одна из старейших и уважаемых наук, которая исследует создание, распространение и регистрацию света.

Современный этап развития оптики

В научном мире считают, что три основных открытия последних лет во многом обновили оптику как науку и способствовали усилению ее роли в развитии современных технологий:

1. изобретение лазера;
2. создание оптоволокна, которое имеет низкие потери;
3. конструирование полупроводниковых лазеров.

Эти изобретения дали жизнь новым научным дисциплинам, например:

• электрооптики;
• оптоэлектроники;
• квантовой электроники;
• квантовой оптики и другим.

Термин «электрооптика» используется для обозначения раздела науки, который рассматривает принципы действия, явления и конструктивные особенности оптических устройств, в которых самую значимую роль играют электрические эффекты. К данным оптическим устройствам можно отнести, например:

• лазеры;
• электрооптические модуляторы;
• переключатели.

Оптоэлектроника рассматривает устройства и системы, так или иначе связанные со светом, в которых существенна электронная природа. Примерами таких устройств являются:

• светодиоды;
• жидкокристаллические дисплеи;
• матричные фотоприемники.

Раздел квантовой электроники посвящен устройствам и структурам, основанием которых является взаимодействие световой волны с веществом. К устройствам квантовой электроники можно отнести лазеры и нелинейно – оптические устройства, которые применяют с целью усиления и смещения волн.

Квантовая оптика посвящена, в основном, квантовым и когерентным свойствам света.

Термин «оптические технологии» сейчас используют для описания приборов и систем, которые применяют в оптической связи и оптической обработке информации.

Фотоника как последовательница оптики

Термин фотоника служит отражением связи оптики и электроники. Данная связь усиливается растущей ролью в оптических системах использования полупроводниковых материалов и устройств.

В этой связи электроника исследует процессы управления потоками электрических зарядов в вакууме и веществе, при этом фотоника ответственна за управление фотонами в свободном пространстве или материальной среде. Предметные поля обоих научных разделов перекрываются, поскольку электроны способны управлять потоком фотонов, а фотоны могут управлять потоками электронов.

Название «фотоника» указывает на важность понимания корпускулярной природы света в описании принципов работы многих устройств в оптике.

Фотоника исследует следующие процессы и явления:

• Процессы генерации когерентного света при помощи лазеров и некогерентного света с помощью люминесцентных источников, например, светодиодами.
• Передачу света в свободном пространстве, сквозь «классические» элементы оптики (линзы, диафрагмы и изображающие системы) и волноводы (например, оптические волокна).
• Модуляцию, переключение и сканирование света при этом используются приборы управляемые при помощи электричества, акустически или оптически.
• Усиление и преобразование частоты световой волны при взаимодействии волны с нелинейными материалами.
• Детектирование света.

Результаты исследование фотоники находят применение в оптической связи, обработке сигналов, зондировании, отображении информации, печати и передаче энергии.

Фундаментом фотоники можно считать:

1. Четыре теории света, каждая из этих теория является более общей, чем предыдущая:

   • лучевая оптика;
   • волновая оптика;
   • электромагнитная оптика;
   • фотонная оптика.

2. Теорию взаимодействия с веществом.

3. Теорию полупроводников и их оптические свойства.

Лучевая оптика в фотонике используется для описания систем получения изображений, пояснения, почему она ограничена при рассмотрении процессов в волноводах и резонаторах.

Скалярную волновую теорию фотоника использует в рассмотрении оптических пучков, она необходима для понимания процессов в лазерах, и Фурье-оптики и является полезной при описании когерентных оптических систем и голографии.

Электромагнитная теория света - это основа рассмотрения поляризации и дисперсии света, оптики направляемых волн, волокон и резонаторов.

Оптика фотонов описывает взаимодействие света и вещества. Она поясняет процессы генерации и регистрации света, смещение света в средах, являющимися нелинейными.

Фотоника как наука

Можно определить фотонику как науку о создании, управлении и детектировании фотонов в видимой и инфракрасной части спектра, распространении их в ультрафиолетовой части, инфракрасной части с длинными волнами. В этих областях в настоящее время создают квантовые каскадные лазеры.

Историю фотоники как науки отсчитывают с 1960 года (тогда изобрели лазер). Фотоника сформировалась на базе многих наук (помимо оптики), например:

• физики твердого тела;
• материаловедения;
• информатики;
• физики полупроводников и т.д.

Научные интересы фотоники широки. Если в прошлом она рассматривала вопросы относящиеся, в основном, к телекоммуникациям, то сейчас в сферу ее интересов входят:

• лазеры;
• технологии в области полупроводников;
• исследование в области биологии и химии;
• экологические вопросы;
• нанообъекты;
• информатика и т.д.

Занимаясь созданием, управлением и регулированием оптических сигналов результаты исследований фотоники широко применяются: начиная с передачи информации при помощи оптоволокна до конструирования сенсорных устройств, модулирующих сигналы света, которые происходят при изменении параметров окружающей среды.