Фотоника что это простыми словами
Фотоника
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.
Содержание
Междисциплинарные направления
Благодаря высокой мировой научной и технической активности и огромной востребованности новых результатов внутри фотоники возникают новые и новые междисциплинарные направления:
Связь фотоники с другими областями наук
Классическая оптика Фотоника близко связана с оптикой. Однако оптика предшествовала открытию квантования света (когда фотоэлектрический эффект был объяснен Альбертом Эйнштейном в 1905). Инструменты оптики — преломляющая линза, отражающее зеркало, и различные оптические узлы, которые были известны задолго до 1900. При этом ключевые принципы классической оптики, такие как правило Гюйгенса, Уравнения Максвелла, и выравнивание световой волны не зависят от квантовых свойств света, и используются как в оптике, так и в фотонике.
Современная оптика Термин «Фотоника» в этой области приблизительно синонимичен с терминами «Квантовая оптика», «Квантовая электроника», «Электрооптика», и «Оптоэлектроника». Однако каждый термин используется различными научными обществами с разными дополнительными значениями: например, термин «квантовая оптика» часто обозначает фундаментальное исследование, тогда как термин «Фотоника» часто обозначает прикладное исследование.
История фотоники
Фотоника как область науки началась в 1960 с изобретением лазера, а также с изобретения лазерного диода в 1970-х с последующим развитием волоконно-оптических систем связи как средств передачи информации, использующих световые методы. Эти изобретения сформировали базис для революции телекоммуникаций в конце XX-го века, и послужили подспорьем для развития Интернета.
Исторически, начало употребления в научном сообществе термина «фотоника» связано с выходом в свет в 1967 книги академика А. Н. Теренина «Фотоника молекул красителей». Тремя годами раньше по его инициативе на физическом факультете ЛГУ была создана кафедра биомолекулярной и фотонной физики, которая с 1970 г. называется кафедрой фотоники. [4]
А. Н. Теренин определил фотонику как «совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов». В мировой науке получило распространение более позднее и более широкое определение фотоники, как раздела науки, изучающего системы, в которых носителями информации являются фотоны. В этом смысле термин «фотоника» впервые прозвучал на 9-ом Международном конгрессе по скоростной фотографии (Denver. USA. 1970).
Термин «Фотоника» начал широко употребляться в 1980-х в связи с началом широкого использования волоконно-оптической передачи электронных данных телекоммуникационными сетевыми провайдерами (хотя в узком употреблении оптическое волокно использовалось и ранее). Использование термина было подтверждено, когда сообщество IEEE установило архивный доклад с названием «Photonics Technology Letters» в конце 1980-х.
В течение этого периода приблизительно до 2001 г. фотоника как область науки была в значительной степени сконцентрирована на телекоммуникациях. С 2001 года термин «Фотоника» также охватывает огромную область наук и технологий, в том числе:
Что такое фотоника: часть 1
Что такое фотоника? Как минимум, очень перспективная область исследований, за которой будущее. Чем же оно так перспективно и почему в скором времени утрёт нос привычной электронике? Попытаемся наглядно объяснить в иллюстрационной серии, посвященной жёлтому парню — фотону.
Как научная дисциплина, фотоника занимается фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием устройств на их базе. Временем ее зарождения можно считать 1960 год, когда американский физик Теодор Харальд Майман создал первый рабочий лазер.
Фотон — это самая элементарная частица, способная переносить электромагнитное взаимодействие. В отличие от отрицательно заряженного электрона, эта частица не обладает собственным зарядом — она только переносит излучение. Сам термин «фотон» ввел в употребление американский физиохимик Гилберт Льюис в 1926 году.
Волны фотонов могут быть и не просто светом. Они переносят самые разные виды излучений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни: ультрафиолетовое, рентгеновское, терагерцовое, инфракрасное, гамма и другие.
В Университете ИТМО исследованиями в области фотоники занимается одноименный мегафакультет. В его состав входят факультеты фотоники и оптоинформатики, прикладной оптики, лазерной фотоники и оптоэлектроники и физико-технический факультет
Что такое фотоника: часть 1
Что такое фотоника? Как минимум, очень перспективная область исследований, за которой будущее. Чем же оно так перспективно и почему в скором времени утрёт нос привычной электронике? Попытаемся наглядно объяснить в иллюстрационной серии, посвященной жёлтому парню — фотону.
Как научная дисциплина, фотоника занимается фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием устройств на их базе. Временем ее зарождения можно считать 1960 год, когда американский физик Теодор Харальд Майман создал первый рабочий лазер.
Фотон — это самая элементарная частица, способная переносить электромагнитное взаимодействие. В отличие от отрицательно заряженного электрона, эта частица не обладает собственным зарядом — она только переносит излучение. Сам термин «фотон» ввел в употребление американский физиохимик Гилберт Льюис в 1926 году.
Волны фотонов могут быть и не просто светом. Они переносят самые разные виды излучений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни: ультрафиолетовое, рентгеновское, терагерцовое, инфракрасное, гамма и другие.
В Университете ИТМО исследованиями в области фотоники занимается одноименный мегафакультет. В его состав входят факультеты фотоники и оптоинформатики, прикладной оптики, лазерной фотоники и оптоэлектроники и физико-технический факультет
Что такое фотоника?
Егор Литвинов, студент
Фотоника для меня – это искусство управления светом, искусство использования света во благо человека. Как и любое искусство, фотоника имеет множество образов, представлений и интерпретаций и каждый человек видит ее по-своему. Занимаясь подобным искусством, ты получаешь целый ряд инструментов, из которых можешь выбрать те, которые тебе нужны, научиться в совершенстве пользоваться ими и применить их, чтобы получить фотонику такой, какой ты ее видишь. Владение этим искусством может приносить вдохновение и просто удовольствие. А в стремлении получить что-то новое ты рискуешь быть захваченным полностью.
Татьяна Вовк, студент
Максим Масюков, студент
Имея широкий кругозор, мне было довольно трудно выбрать мою будущую профессию. В основном мне были интересны три дисциплины: информатика, физика, математика, и для меня было важно, чтобы в процессе обучения данные три дисциплины были главенствующими. Участвуя в олимпиаде для школьников, я услышал о факультете Фотоники и Оптоинформатики Университета ИТМО. Изучив сайт и дисциплины подготовки, я понял, что это то, что мне нужно. Фотоника – одна из наиболее молодых и быстроразвивающихся отраслей науки. Загоревшись желанием внести свой вклад в научный прогресс, я поступил на данный факультет, и остался удовлетворен. Со 2 курса я занимаюсь научной работой, которая включает в себя изучение свежих иностранных статей в данной научной области, программирование, математические расчёты, компьютерное моделирование. Разносторонние знания гарантируют успех в будущей карьере.
Владимир Борисов, аспирант
Фотоника, если хотите, это оптика XXI века. Почему же не продолжать называть её оптикой? Дело в том, что за последние 50-60 лет наука, изучающая физику света, шагнула настолько далеко вперед, что её едва ли можно сопоставить с общепринятой оптикой. Тут и нелинейные эффекты, и сверхвысокие плотности мощности, и сверхкороткие импульсы. Тут, конечно же, разнообразные квантовые эффекты и их применения. Словом, передний край оптической науки. И, поскольку такая наука уже ничем не напоминает старушку-оптику, то ей и нашлось новое слово – «Фотоника».
Фотоника – наука во многом прикладная. До фотоники никто и подумать не мог, насколько свет может быть полезен в нашей жизни. Сейчас мы движемся к тому, что все больше и больше новейших технологий используют свет. Мы уже умеем передавать информацию на огромные расстояния со скоростью света. А скоро научимся шифровать её так, что никто не сможет нас «подслушать». Мы идем к тому, чтобы лечить разные серьезные болезни при помощи световых технологий. Сейчас во время сложнейших операций, хирурги используют лазерные скальпели для совершения максимально точных надрезов. А представьте себе, что в скором времени достижения фотоники позволят нам вообще не делать надрез, чтобы удалить опухоль или залатать артерию. Благодаря фотонике, исследование дальнего космоса для нас – не такая уж недостижимая цель. А если ученые, в том числе и на нашем факультете, хорошо постараются, то фотоника в скором времени подарит нам настоящую шапку-невидимку и, быть может, световой меч. Ну и, конечно же, не стоит забывать о квантовом компьютере – одной из вершин современной науки, достижение которой невозможно без фотоники.
Словом, фотоника сейчас находится в авангарде современной науки. Она сочетает в себе возможность исследовать ещё неизученные вопросы, а также применять свои знания на благо общества. Пожалуй, это та область физики, где пытливый студент может максимально раскрыть свой потенциал, наилучшим образом реализовавшись в качестве ученого.
Ярослав Грачёв, к.ф.-м.н., ассистент, выпусник факультета
Фотоникой в настоящее время называют оптику в её современном аспекте. Факультет занимается развитием актуальных направлений оптики c применением современных информационных технологий, а это:
— и работа с лазерным импульсным излучением высокой энергии и сверхкороткой длительности;
— и, наоборот, использование низкоэнергетического излучения терагерцового диапазона электромагнитных волн для бесконтактной, неразрушающей диагностики и визуализации объектов с распознаванием веществ;
— и голография, включая как изобразительную голографию, так и создание и обработку трехмерных цифровых копий объекта в реальном времени.
Для меня работав этой области науки стала отличной возможностью для приобретения практических навыков конструкторской и экспериментальной деятельности. А человек с практическими умениями и знаниями всегда востребован.
Ольга Смолянская, к.ф.-м.н., руководитель лаборатории «Фемтомедицины» Международного института Фотоники и оптоинформатики
Мария Жукова, аспирант
Фотоника – это наука о свете, это технологии его создания, преобразования, применения и обнаружения. Свет всегда играл важную роль в жизни человека – задумайтесь, благодаря ему мы ориентируемся в пространстве, видим друг друга. Сначала люди научились создавать искусственные источники света для обеспечения комфортного существования, а теперь мы имеем огромное количество высокотехнологических устройств, которые используются в многочисленных и разнообразных областях техники.
Фотоника включает в себя применение лазеров, оптики, кристаллов, волоконной оптики, электрооптических, акустооптических устройств, камер, сложных интегральных систем. Фотоника сегодня – это, как научные исследования, так и реальные разработки в областях: медицины, альтернативной энергетики, быстрых вычислений, создания высокопроизводительных компьютеров, новых материалов, телекоммуникации, экологического мониторинга, безопасности, аэрокосмической промышленности, стандартов времени, искусства, печати, прототипирования, и практически всего, что нас окружает.
На сегодняшний день в России, как и во всем мире, все больше и больше компаний и крупный производственных предприятий начинают создавать и использовать новые технологии, связанные с фотоникой. Ф отоника открывает широкие возможности и перспективы развития в научной академической среде, а также в области реальных разработок. Это область знания, несомненно, будет развиваться из года в год!
Фотоника что это простыми словами
Фотоника занимается изучением свойств света. По мнению некоторых специалистов, более современный и обобщённый термин «фотоника» пришёл на смену «оптике».
Как и оптика, фотоника описывает явления, связанные со свойствами света. Это широкая дисциплина, методы которой в прикладном отношении могут быть использованы и в медицине, и в электротехнике. Однако общим для этих методов является то, что они основаны на детектировании и манипуляциях с фотонами.
Фотоника занимается изучением свойств света. По мнению некоторых специалистов, более современный и обобщённый термин «фотоника» пришёл на смену «оптике».
Как и оптика, фотоника описывает явления, связанные со свойствами света. Это широкая дисциплина, методы которой в прикладном отношении могут быть использованы и в медицине, и в электротехнике. Однако общим для этих методов является то, что они основаны на детектировании и манипуляциях с фотонами.
Фотоника — достаточно молодая наука. Как самостоятельная дисциплина она оформилась в 1960-х годах. Именно тогда были изобретены лазеры. В скором времени появились лазерные диоды, первые полупроводниковые излучатели света и оптические волокна.
Всё это привело к развитию в 1970-х годах оптоволоконных средств связи для передачи информации с помощью света. Новые технологические открытия привели к революционным изменениям в области телекоммуникаций, а также способствовали распространению интернета. Который, в свою очередь, кардинально изменил жизнь во всех странах, сделав наш мир бесповоротно информационным.
Таким образом, скоро потребовалось обозначить отдельную область исследований, использующих свет для реализации разработок, которые до этого рассматривались в рамках изучения электроники, телекоммуникаций и обработки информации.
В 1967 году вышла книга академика А. Н. Теренина «Фотоника молекул красителей». Этот момент можно считать первым громким появлением термина «фотоника» на публике. В работе Теренина фотоника определялась как «совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов». Начиная с 9-ого Международного конгресса по скоростной фотографии, который прошёл в Денвере в 1970 году, фотоника стала пониматься как дисциплина, которая рассматривает способы передачи данных, при которых носителями информации выступают фотоны.
Когда в 80-х годах способы оптоволоконной передачи данных стали активно применяться в телекоммуникациях, слово «фотоника» стало звучать всё чаще, и термин стал общепринятым. В конце 80-х годов был создан журнал «Photonics Technology Letters» — распространяющееся по подписке издание Института инженеров электротехники и электроники (IEEE), в котором публикуются исследования, касающиеся дисциплины. В то время наука была сосредоточена в основном на коммуникациях. Однако с начала нулевых годов фотоника существенно расширила проблемное поле, и теперь включает такие направления, как лазерная техника, оптические вычисления, медицинская диагностика и терапия.
Фотоника — достаточно молодая наука. Как самостоятельная дисциплина она оформилась в 1960-х годах. Именно тогда были изобретены лазеры. В скором времени появились лазерные диоды, первые полупроводниковые излучатели света и оптические волокна.
Всё это привело к развитию в 1970-х годах оптоволоконных средств связи для передачи информации с помощью света. Новые технологические открытия привели к революционным изменениям в области телекоммуникаций, а также способствовали распространению интернета. Который, в свою очередь, кардинально изменил жизнь во всех странах, сделав наш мир бесповоротно информационным.
Таким образом, скоро потребовалось обозначить отдельную область исследований, использующих свет для реализации разработок, которые до этого рассматривались в рамках изучения электроники, телекоммуникаций и обработки информации.
В 1967 году вышла книга академика А. Н. Теренина «Фотоника молекул красителей». Этот момент можно считать первым громким появлением термина «фотоника» на публике. В работе Теренина фотоника определялась как «совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов». Начиная с 9-ого Международного конгресса по скоростной фотографии, который прошёл в Денвере в 1970 году, фотоника стала пониматься как дисциплина, которая рассматривает способы передачи данных, при которых носителями информации выступают фотоны.
Когда в 80-х годах способы оптоволоконной передачи данных стали активно применяться в телекоммуникациях, слово «фотоника» стало звучать всё чаще, и термин стал общепринятым. В конце 80-х годов был создан журнал «Photonics Technology Letters» — распространяющееся по подписке издание Института инженеров электротехники и электроники (IEEE), в котором публикуются исследования, касающиеся дисциплины. В то время наука была сосредоточена в основном на коммуникациях. Однако с начала нулевых годов фотоника существенно расширила проблемное поле, и теперь включает такие направления, как лазерная техника, оптические вычисления, медицинская диагностика и терапия.
Как глобальное обобщённое направление фотоника объединяет различные науки. Вот некоторые из них: лазерная физика, оптоэлектроника, электрооптика, волоконная и интегральная оптика, нелинейная оптика, оптическая связь, оптическая обработка сигналов и голография.
Сегодня специалисты в области фотоники изучают полупроводниковые соединения с точки зрения физики и технологии, работают над наноматериалами, изучают свойства новых оптических волокон и фотонных кристаллов, а также решают, как добиться наиболее быстрой передачи оптических сигналов; создают и внедряют разработки на основе фотонных технологий. Фотонные устройства используются для генерации, передачи и записи информации, для преобразования светового и теплового излучений в электрическую энергию, в медицине, а также для множества других целей.
Учёные, которые занимаются фотоникой, работают над квантовыми компьютерами и квантовыми коммуникациями (создание сети, в которой данные защищаются с помощью фундаментальных законов квантовой механики). А квантовая криптография — это путь к изучению возможностей квантовой телепортации, которая предполагает телепортирование состояний. Подробнее узнать о том, как это происходит, можно из этой лекции на Постнауке.
Также специалисты в области фотоники и причастных ей наук разрабатывают лазерные технологии, позволяющие лечить опухоли и проводить другие операции, и трудятся над созданием «светового Wi-Fi» — Li-Fi.
Кроме того, опираясь на научный опыт, связанный с изучением природы света и его взаимодействия с различными материалами, инженеры могут создавать новые материалы, обладающие уникальными свойствами. Такие разработки называют метаматериалами.
Таким образом, фотоника — это настоящая наука будущего, и занимается она вещами, которые кажутся на первый взгляд сюжетами из фантастических фильмов. Однако все эти области исследований вполне реальны, и способны качественно изменить наше понимание мира и привычный уровень жизни уже сегодня.
Как глобальное обобщённое направление фотоника объединяет различные науки. Вот некоторые из них:
Учёные, которые занимаются фотоникой, работают над квантовыми компьютерами и квантовыми коммуникациями (создание сети, в которой данные защищаются с помощью фундаментальных законов квантовой механики). А квантовая криптография — это путь к изучению возможностей квантовой телепортации, которая предполагает телепортирование состояний. Подробнее узнать о том, как это происходит, можно из этой лекции на Постнауке.