Гразеры, разеры, лазеры и современное развитие фотоники

    Тема: «Гразеры, разеры, лазеры и современное развитие фотоники»

    1. Введение.

    Как только человечество добралось в познании Вселенной до границ наномира и попробовало "копнуть глубже", выяснилось банальное обстоятельство: придумать какое-либо нановещество, добыть его, изучить его свойства и даже синтезировать оказывается гораздо проще, чем затем "слепить" из него что-то более сложное чем кирпич из нановещества. Не умоляя безусловно огромных заслуг первооткрывателей и исследователей нановеществ, хотелось бы всё же посетовать, что в настоящее время подавляющее количество разработок в этой области носит фундаментальный, сугубо научный характер, и лишь малое их количество доведено до внедрения в производство.

    Более того, почти все разработки этой отрасли, так или иначе используемые промышленностью сегодня и гордо именуемые "нанотехнологии", по сути, за редким исключением, всего лишь эксплуатируют свойства этих нановеществ или наноструктур as is, благодаря чему и получаются "нанопокрытия", "нанофильтры", "нанокирпичи". С разработками, где бы использовались конструкции или системы, сконструированные или собранные из наноматериалов, ситуация пока обстоит гораздо хуже, в большинстве случаев дело ограничивается лабораторными опытами.

    Современный термин "нанотехнологии" вмещает в себя самые противоречивые явления, и наряду со сложнейшими "конструкторскими" разработками генетиков нередко имеет отношение к элементарным мельницам по размолу субстанций до состояния нанопыли. Да и в целом, как однозначно описать значение слова "нанотехнологии"? Есть микроэлектроника, микробиология и множество других "микро-" дисциплин, но всеобъемлюще-универсальногопредшественника под термином "микротехнологии" что-то не припомню. Вот почему, на мой взгляд, получилось так, что определение "нанотехнологии" в какой-то степени теперь "пообносилось" и даже стало объектом для шуток.

    Полагаю, когда шумиха несколько поутихнет, будет справедливо, когда каждая научная и производственная отрасль получит для себя собственные устойчивые новые названия; пусть не каждое с приставкой "нано-", но лишь бы точнее отражали суть дела. Другого от них, собственно, и не требуется. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Фотоника.

    Определение фотоники.

    Фотоника – наука об излучении, детектировании и распространении фотонов, получившая бурное развитие за последние 30 лет. Практически все элементы фотоники широко применяются в ядерно-физических экспериментах. Особенно активно элементы фотоники используются в экспериментах относительно новой области физики Astroparticle Physics или космомикрофизики, как называют эту область у нас в стране. Элементы фотоники и фотонные методы используются в подавляющем большинстве современных космомикрофизических экспериментов. Как правило, детекторыфотонов являются базовыми детектирующими элементами в этих экспериментах и зачастую используются в огромных количествах. Например, в подземном нейтринном эксперименте Super-Kamiokande используются более 13 тысяч крупногабаритных детекторов фотонов, в эксперименте по исследованию космических лучей ультра высоких энергийPierre Auger Observatory - в общей сложности около 15 тысяч детекторов фотонов, а в таких будущих нейтринных экспериментах как Hyper-Kamiokande или MEMPHIS планируется использовать уже ~200 тысяч детекторов фотонов, подобных используемым в Super-Kamiokande. Практически во всех экспериментах, где применяются детекторы фотонов, используются и источники фотонов (лазеры, лазерные диоды, светодиоды, разрядные источники света и т.д.) для калибровки экспериментальных установок и тестирования как детекторов в целом, так и отдельных детекторных элементов. Разнообразные сцинтилляторы (твердотельные, жидкие и газовые, органические и нерганические) являются основой многих космомикрофизических экспериментов. Различные оптические среды используются вкосмомикрофизических экспериментах не только как детектирующие вещества, но и как среды, в которых фотоны распространяются к детекторам фотонов.

    Необходима  разработка и создание элементов фотоники для космомикрофизических экспериментов: детекторовфотонов разного класса, различных наносекундных источников фотонов, калибровочных систем, а также всесторонние исследования этих детекторов и источников фотонов, а также различных физических сред, в которых рождаются и распространяются фотоны 

    Термин  “фотоника”  первым в 1967  году применил французский учёный

    Пьер  Эйгрейн.  Под фотоникой  (слайд  №2)  он понимал науку об использовании

    света в различных сферах применения,  включающую в себя генерацию,

    обнаружение и управление светом. 

             Принципиальное отличие фотоники  от привычной для нас электроники, 

    заключается в том,  что вместо электрона  в фотонных устройствах используется

    фотон. - Фотоника – сравнительно новый термин, иногда трактуется так же широко, как например, электроника с заменой, естественно, электронов на фотоны  Фотонные устройства,  в перспективе,  будут иметь гигантские

    преимущества  перед электронными устройствами.  Так,  например,  фотоны,  в

    отличие от электронов,  не имеют веса и не создают сопротивления.  Поэтому,

    фотонные  устройства могут формировать импульсы длительностью менее 10

    -15

    секунды,  что примерно на 5-6  порядков меньше длительности самых коротких

    импульсов, формируемых электронными устройствами.  Более того,  в некоторых

    источниках  говорится даже об аттосекундных (10

    -18

    секунды) импульсах. А, кроме

    того,  в сфокусированном свете,  создаваемом  лазерами,  концентрируется

    наивысшая энергия, известная в мире.    

             В настоящий момент в мире уже создана полноценная многопрофильная

    фотонная  промышленность  (слайд №3), которая  специализируется на разработке

    и производстве твёрдотельных источников света  (полупроводниковых лазеров  и

    светоизлучающих диодов),  оптических шин данных,  оптических носителей

    информации  типа CD, DVD,  голографических сред,  жидкокристаллических

    экранов,  установок машинного зрения,  компонентов оптоволоконных линий

    связи и т.д. 

             В последнее время,  фотоника  становится одним из ведущих  рыночных

    секторов  Европы,  которая в свою очередь,  является мировым лидером в этой

    области. Темпы развития фотоники впечатляют.           На слайде №4  приведены показатели темпов развития этой отрасли с 2003

    по 2010 г.:  

             - количество работ по этой  тематике возросло в 3 раза; 

             - стоимость продукции увеличилась  более чем в 4 раза;  

             - количество патентов возросло  в 3 раза.

             И вообще,  велика вероятность  того,  что 21-й век будут называть  веком

    фотона, по аналогии с тем, как 20-й век  называли веком электрона. В пользу этого

    говорит и то,  что электроника,  в  настоящий момент,  уже подошла  к своим

    потенциальным физическим пределам,  хотя появление  новых материалов,

    например  графена,  вероятно,  ещё продлит  на некоторое время  “агонию”

    традиционной электроники.  
 
 

    Фотоника — это наука о генерации, управлении и обнаружении фотонов, особенно в видимом и ближнем инфракрасном спектре, а также о их распространении на ультрафиолетовой (длина волны 10-380 нм), длинноволновой инфракрасной (длина волны 15-150 мкм) и сверхинфракрасной части спектра (например, 2-4 ТГц соответствует длине волны 75-150 мкм), где сегодня активно развиваются квантовые каскадные лазеры. 

    Фотоника также может быть охарактеризована как область физики и технологии, связанная с излучением, детектированием, поведением, последствиями существования и уничтожения фотонов. Это означает, что фотоника занимается контролем и преобразованием оптических сигналов и имеет широкое поле для своего применения: от передачи информации через оптические волокна до создания новых сенсоров, которые модулируют световые сигналы в соответствии с малейшими изменениями окружающей среды. [1]

    Некоторые источники[2] отмечают, что термин «оптика» постепенно заменяется новым обобщённым названием — «фотоника».

    Фотоника  покрывает широкий спектр оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств и их разнообразных применений. Коренные области исследований фотоники включают волоконную и интегральную оптику, в том числе нелинейную оптику, физику и технологию полупроводниковых соединений, полупроводниковые лазеры, оптоэлектронные устройства, высокоскоростные электронные устройства.

Микроволновая фотоника изучает взаимодействие между оптическим сигналом и высокочастотным (больше 1 ГГц) электрическим сигналом. Эта область включает основы оптико-микроволнового взаимодействия, работу фотонных устройств при СВЧ, фотонный контроль СВЧ устройств, линий высокочастотной передачи и использование фотоники для выполнения различных функций в микроволновых схемах

    Исходя  из накопленной информации, можно предположить то, что основной

    причиной  появления и широкого распространения  микроволновой фотоники была

    потребность в развитии сверхскоростных (до 50-ти и даже 100 Гб/сек!), а значит и

    сверхширокополосных  (с полосой пропускания до 100 и  даже до 200 ГГц)  линий

    связи.   Разумеется, для передачи таких сверхширокополосных  сигналов необходимо

    было  использовать несущие с частотами  в районе 50 - 100 ГГц. Передача сигналов