Fotonika

Fotonika to interdyscyplinarna dziedzina, która łączy zagadnienia z zakresu optyki, elektroniki i informatyki. Zajmuje się badaniem i wykorzystaniem fali świetlnej (fotonów) do przesyłania i przetwarzania informacji oraz kontrolowania różnych procesów fizycznych.

W praktyce fotonika polega na generowaniu, wykrywaniu i manipulowaniu falami elektromagnetycznymi o różnych długościach – zarówno w zakresie widzialnym przez człowieka, jak i poza widzialnym zakresem. Przedmiotem badań fotoniki może być inicjowanie określonej reakcji z określonymi materiałami, generowanie zjawisk optycznych oraz wykorzystanie tych zjawisk do stworzenia zaawansowanych rozwiązań technologicznych.

Innowacje z zakresu fotoniki mają ogromny potencjał i często przynoszą przełomowe odkrycia w obszarze optyki, telekomunikacji i informatyki. Nowe rozwiązania znajdują zastosowanie również w takich sektorach gospodarki jak lotnictwo, budownictwo, robotyka, motoryzacja, przemysł wydobywczy, obronny oraz kosmiczny, rolnictwo, leśnictwo, kosmetologia i medycyna.

Podstawowe elementy

Liczne badania i obserwacje z przełomu XIX i XX wieku wykazały, że światło może zachowywać się nie tylko jak fala, ale także jak zbiór cząstek. Cząstki, które przenoszą porcję energii (kwant energii) promieniowania elektromagnetycznego nazywamy fotonami. To właśnie badania wykorzystujące właściwości cząstek energii promieniowania elektromagnetycznego nazywamy fotoniką. Projektowanie wielu zaawansowanych rozwiązań, wykorzystujących naturę światła, wymaga wiedzy o fotonach oraz ich charakterystycznych właściwościach.

Foton jest cząstką elementarną o zerowej masie spoczynkowej, która przenosi oddziaływanie elektromagnetyczne. Fotony są kwantami promieniowania elektromagnetycznego (np. światła widzialnego), i należą do grupy bozonów. Fotony należące do różnych obszarów widma promieniowania elektromagnetycznego mają energie różniące się od siebie nawet o kilka rzędów wielkości. Dla danej częstotliwości fali elektromagnetycznej energia ta jest iloczynem stałej Plancka i częstotliwości fali. Im wyższa częstotliwość fali, tym większą energię posiadają fotony. Największą energię mają fotony światła fioletowego, a najmniejszą fotony światła czerwonego.

Światło posiada dwoistą naturę; to zjawisko nazwano dualizmem korpuskularno-falowym. Oznacza to, że światło ma cechy nie tylko ciągłej fali elektromagnetycznej, ale też i cząstki (fotonu). Obserwacja określonej natury światła zależy od rodzaju zastosowanej interakcji ze światłem. Przykładowo, załamanie światła na soczewce wykazuje swoją falową naturę. Jednak światło pochłaniane przez urządzenia półprzewodnikowe wykazuje swoją cząsteczkową naturę.

Charakterystyczne cechy fotonów, które mają kluczowe znaczenie podczas badań nad technologiami, to:

• Energia: Fotony przenoszą energię. Ich energia jest bezpośrednio zależna od częstotliwością fali elektromagnetycznej. Im wyższa częstotliwość fali, tym więcej energii przenoszą fotony.
• Dualizm korpuskularno-falowy: Fotony wykazują zarówno właściwości falowe (dyfrakcja, interferencja), jak i korpuskularne (lokalizacja, pęd). Mogą zachowywać się jak fale elektromagnetyczne, np. w zjawiskach interferencji i dyfrakcji, ale także jak cząstki, np. w reakcji fotoelektrycznej.
• Brak masy spoczynkowej: Dzięki tej właściwości fotony mogą poruszać się z prędkością światła.
• Brak własnego ładunku elektrycznego: Fotony są elektrycznie obojętne. Dzięki temu dwie przecinające się wiązki światła nie ulegają rozproszeniu.

Mechanizm działania

Fotony, dzięki dużej prędkości mogą być wykorzystywane do szybkiego przesyłania dużych ilości danych na znaczne odległości, co w efekcie zapewnia niezwykle sprawne i szybkie sposoby komunikacji. Wykorzystanie fotonów do przesyłania informacji jest podstawą rozwoju nowoczesnych technologii telekomunikacyjnych, opartych na wykorzystaniu światłowodów. Badania nad fotonami pomagają doskonalić sieci telekomunikacyjne, zwiększając ich przepustowość i efektywność.

Szybkie i bardziej energooszczędne sposoby przetwarzania danych dają również możliwość produkowania nowych, wydajnych układów scalonych. Fotoniczne układy scalone mają potencjał do tego, aby zastąpić w przyszłości tradycyjne układy elektroniczne. Fotonika w przyszłości przynosić będzie szybsze i bardziej energooszczędne systemy przetwarzania danych.

Badania z zakresu fotoniki koncentrują się także na różnych sposobach konwersji światła słonecznego na energię elektryczną, w celu tworzenia nowych systemów wykorzystania energii odnawialnej – paneli fotowoltaicznych.

Co więcej, właściwości fotonów pozwalają na rozwijanie zaawansowanych technik obrazowania medycznego, takich jak tomografia optyczna i endoskopia. To daje szansę na dokładniejszą diagnostykę i możliwość dokonywania mało inwazyjnych procedur medycznych (np. z wykorzystaniem lasera).

Powiązanie z innymi technologiami

Fotonika jest istotną częścią naszej codzienności. To właśnie odkrycia z zakresu fotoniki pozwoliły na produkcję ekranów, które wykorzystujemy w telewizorach, smartfonach i monitorach.

Ogromny potencjał, jaki oferują technologie fotoniczne powoduje wypieranie dotychczas stosowanych rozwiązań w wielu sektorach: od telekomunikacji poprzez energetykę, przemysł wydobywczy, zbrojeniowy, kosmiczny, aż po farmację i medycynę. Fotonika jest ściśle powiązana z innymi obszarami technologicznymi, takimi jak mikroelektronika, inżynieria kwantowa oraz biotechnologia. Ze względu na swój wysoce precyzyjny charakter, fotonika pełni ogromną rolę w zakresie pomiarów i systemów optycznego wykrywania zjawisk. Wśród efektów rozwoju tej technologii można wymienić m.in.: lasery, kamery i ekrany w urządzeniach mobilnych, oświetlenie samochodowe, ekrany w komputerach i telewizorach.

Znaczenie dla gospodarki

Fotonika znajduje zastosowanie w następujących branżach:

• Informatyka i telekomunikacja – do budowania sieci telekomunikacyjnych wykorzystuje się krzem fotoniczny, ale może on również służyć do produkcji komputerów optycznych oraz aparatów fotograficznych. W komputerach kwantowych nowoczesnym rozwiązaniem są z kolei fotoniczne układy scalone.
• Przemysł i wytwarzanie – rozwiązania fotoniczne wykorzystuje się do produkcji specjalistycznych, precyzyjnych laserów, do cięcia oraz grawerowania.
• Medycyna – dzięki rozwiązaniom z zakresu fotoniki możliwe są nowoczesne, laserowe techniki chirurgiczne, ale innowacje dotyczą też obszaru diagnostyki, terapii i obrazowania.
• Branża fotowoltaiczna – fotonikę wykorzystuje się do produkcji i zwiększania wydajności ogniw słonecznych.
• Motoryzacja – wykorzystywane są fotoniczne chipy, ale też nowością są czujniki laserowe do wykorzystania w samochodach autonomicznych.
• Rolnictwo i leśnictwo – techniki fotoniczne mogą być wykorzystywane do obserwacji i rozpoznawania stanu bieżącego roślin i zwierząt.

Fotonika jest również niekiedy wykorzystywana w kosmetologii, lotnictwie i obronności, budownictwie a także przemyśle wydobywczym.

Patrz także:

• Tag „fotony” na stronie FPPP
• Publikacja: podstawy fotoniki (PDF) Fundamentals of Photonics, 3rd Edition (researchgate.net)