Zastosowania O F - Zakład Inżynierii Fotonicznejzto.mchtr.pw.edu.pl/download/155.pdf · plików danych; w przyszłości optyczne systemy umożliwią1000 powiększenie przepustowości

Zastosowania optyki i fotoniki – M. Kujawińska

Małgorzata KujawińskaZakład Techniki Optycznej

Instytut Mikromechaniki i FotonikiPolitechniki Warszawskiej


Zakres wykładu

• Podstawowe definicje optyki i fotoniki• Fotonika : marzenia a rzeczywistość• Inżynieria fotoniczna i jej zastosowania w:

informacji i komunikacji,produkcji przemysłowej i kontroli jakościnaukach biologicznych i zdrowiuoświetleniu i displejach

• Zagadnienia przekrojowe IF obejmujące:optyczne elementy i systemybezpieczeństwo, metrologię i sensory


Organizacja

Rok I, semestr II, wykład 30 godz.

Zaliczenie wykładu na podstawiesumy punktów z 2 kolokwiów

Uwaga: treść wykładów w Internecie zto.mchtr.pw.edu.pl

Wykładowca: Prof. dr hab. inż. Małgorzata KujawiskaKierownik Zakładu Techniki OptycznejInstytut Mikromechaniki i Fotoniki PW Pok. 515


Bibliografia

• R.Jóźwicki: Podstawy inżynierii fotonicznej, Oficyna Wyd. PW, Warszawa 2006

• K. Patorski, M. Kujawińska, L. Sałbut: Interferometria laserowa z automatyczna analizą obrazu, Oficyna Wyd. PW, Warszawa 2005

• B. Salech, M.Teich: Fundamentals of Photonics, J. Wiley and Sons, new York, 1991



Fotonika, optyka a elektronikaPrzyczyny powstania i rozwoju fotoniki

W elektronice – elektron nośnikiem informacji

Prąd sterowany różnicą potencjałówFala elektromagnetyczna generowana przez oscylator

telegraf → telefon → radio (fale długie → średnie → krótkie → UKF)

→ telewizja → radar → elektroniczna maszyna cyfrowa

Rozwój: od niższych do wyższych częstotliwości

Przyczyna - większe upakowanie informacji w

jednostce czasu


Brak generatora promieniowania i odbiornika dla wyższych częstotliwości niż 300 GHz

Elektron ma zbyt dużą masę dla tak wysokich częstotliwości

Bariera elektroniki ∼ 300 GHz

Naturalny kierunek zmian :przejście w pasmo optyczne fal elektromagnetycznych

Foton nie ma masy spoczynkowej

Problemy:detektor rejestruje średnią moc falibrak elastyczności w sterowaniu fotonusamoistna propagacja fotonu


Widmo fal elektromagnetycznych

Częstotliwość ν a długość fali λ0 [ ]0

ccTc

T1Hz

λν ===

Nadfiolet

Pasmo optyczneλ0 ∈ 1nm 1 mm ν ∈ 3·1017 3·1011 Hz

c = 299 792.4562 ± 0.0011

≈ 300 000 km/s


Niezmiennik ruchu falowego

2sin λ

≈ΟpD

2θ - kąt rozbieżności wiązki Dp – średnica przewężenia

Średnica przewężenia nie może być mniejsza od λ/2

Uzyskanie małej średnicy Dp

połączone jest z dużym kątem rozbieżności 2θ


Podłoże 1.2 mm

λ = 780 nm

NA = 0.45

Podłoże 0.6 mm

λ = 650 nm

NA = 0.60


Warstwa 0.1 mm

λ = 405 nm

NA = 0.85


Przesyłanie (przetwarzanie) informacji

Optyka - wyłącznie modulator przestrzenny mikroskop

Elektronika - do niedawna tylko modulator czasowyradio telewizja

Fotonika – modulator czasowy i przestrzennytelekomunikacja światłowodowa

magnetooptyczny dysk z laserem półprzewodnikowym

Generator nośnika Modulator

Przetwornik

nadajnikOdbiornik

Informacja


Najważniejsze odkrycia dla fotoniki – wiek XX

L a s e rŚwiatłowody o skrajnie niskich stratach

Półprzewodnikowe elementy optoelektroniczne

diody laserowe (LED’y), odbiorniki CCD, sprzęgacze, przełączniki, modulatory i inne


Ograniczenia wieku XX

m = -1 m = 1m = 0

αm

dsin λ

=α

Siatka dyfrakcyjna

d – okres siatki

Siatka nie przepuszcza informacji o strukturach d ≤ λ

Mikroskop

Możliwość obserwacji szczegółów nie mniejszych

niż λ/2 dla skośnego oświetlenia

PrzedmiotFala

Skośne oświetlenie


Wyzwania dla wieku XXI

Nanostruktury- nanotechnologie- nanofotonikaKryształy fotoniczne Metamateriały

Trójwymiarowa siatka dyfrakcyjna Przedmiot

Odbiornik

Analizy teoretyczne propagacji promieniowania przez układy

elementów, których wymiary sąmniejsze od długości fali, wymagają

czasochłonnego numerycznego rozwiązywania równań Maxwell’a

układ równań różniczkowych drugiego stopnia

Prace technologiczne w celu wytworzenia tych elementów technologia półprzewodnikowa, światłowody fotoniczne


Photonic Crystals in Nature

wing scale:

Morpho butterfly

6.21µm

[ L. P. Biró et al., PRE 67, 021907

(2003) ]

Peacock feather

[J. Zi et al, Proc. Nat. Acad. Sci. USA,100, 12576 (2003) ]

[figs: Blau, Physics Today 57, 18 (2004)]


Nazewnictwo związane z fotoniką

Elektronika jest dziedziną techniki zajmującą sięsterowaniem elektronów w celu przesyłania informacji

Fotonika jest dziedziną techniki zajmującą się sterowaniem fotonów w

tym samym celu

Optoelektronika zajmuje się budowąźródeł i detektorów światła

Generacja światła i jego detekcja


Pożądane cechy nośnika informacjiduża szybkość przenoszeniamożliwość dużej gęstości upakowania informacjiniska moc generacji nośnikamała moc przenoszenia informacji (niskie straty)niskie moce sterowania zastosowanie w różnych ośrodkach (np. w próżni)brak przesłuchów (niskie wpływy otoczenia, zabezpieczenie przed dostępem)niskie koszty generacji, modulacji, propagacji i detekcjibezpieczna obsługaelastyczność w dostosowaniu się do różnych warunków i wymagańperspektywa dalszej poprawy parametrów


Historyczny rozwój optyka → fotonikaOptyka geometryczna - promień świetlny

Punktowe źródło

diafragma ekran Obszar całkowitej ciemności

Obszar pełnej jasności

Fala ??

Doświadczenie

Jest światło

Analogia do wpływu przeszkody na fale na wodzie


Historyczny rozwój optyka → fotonika

przeszkoda

Analogia do wpływu przeszkody na fale na

wodzie

Fala ?? Fale na wodzie

Fala ugięta na przeszkodzie


Różna odległość

Historyczny rozwój optyka → fotonikaDiafragma

kołowaPunktowe źródło

wyższa intensywność niż jej wartość bez diafragmy

Dowód możliwy przy założeniu: światło jest falą !!!Fala, Fresnel pocz. XIX wieku,

tylko jakiej natury? Poszukiwanie eteru


Historyczny rozwój optyka → fotonikaPierwsza połowa XIX w.

Biot i Savart – indukcja magnetyczna wywołana prądem

Faraday – indukcja magnetyczna wywołująca prąd

Koniec XIX w. Maxwell – zestawił dwa zjawiska - równania Maxwella

Światło jest falą elektromagnetyczną !!!Przełom XIX i XX w.

Planck – odkrył prawo opisujące promieniowania ciała doskonale czarnego

Światło jest zbiorem fotonów !!!i zarazem falą

Dwoistość natury promieniowania


Historyczny rozwój

? ? ? ? - ?

optyka → fotonika

Optyka geometryczna - promień świetlny

Optyka falowa - fala nieznanej natury

Elektrodynamika – fala ELM

Optyka kwantowa - kwant

R.Jóźwicki: Podstawy inżynierii fotonicznej. Of.Wyd. PW, 2006

? ? ?


Photonics encompasses the generation of light, the detection of light, the management of light

through guidance, manipulation, and amplification,

and most importantly, its utilisation for the benefit of mankind.” (1967)

- Pierre Aigran –

„Photonics is the science of the harnessing of light.”

1997

20012005


• nic w przyrodzie nie przemieszcza się z prędkością większą niż światło,

• fotony nie maja masy i nie powodują oporu,

• zogniskowane światło lasera może utworzyć największą koncentrację energii znaną na ziemi,

• można wytworzyć impuls fotonów o czasie porównywalnym z czasem reakcji molekularnej lub atomowej,

• wiązka światła nie tylko pozwala obrazować, ale również uchwycić i manipulowaćatomem,

• światło tworzy techniki bezkontaktowe, które można stosować w warunkach ekstremalnych.

Unikalne cechy fotonu


Społeczeństwo informacyjne: technologie fotoniczne umożliwiająprzetwarzanie, magazynowanie, transport i wizualizację ogromnych plików danych; w przyszłości optyczne systemy umożliwią 1000 powiększenie przepustowości umożliwiając uruchomienie masowych łączy szerokopasmowych

Produkcja: światło laserowe jest stosowane jako szybkie i precyzyjne narzędzie dla obróbki materiałów i wytwarzania różnorodnych produktów od statków do nanoelementów.

Przykłady zastosowań : Fotonika(1)

Europa: 50% rynku światowego


Przykłady zastosowań: Fotonika (2)

Oświetlenie: innowacyjne systemy oświetleniowe tworzą przyjazne dla człowieka środowisko i oszczędzają energie. Jeżeli oświetlenie diodowe będzie wprowadzone masowo, oszczędzi to co najmniej 2 miliardy baryłek ropy rocznie (Europa: 30% rynku światowego)

Służba Zdrowia: zrewolucjonizowana przez zastosowanie narzędzi optycznych do badań, diagnostyki, terapii i chirurgii; w zasięgu ręki są

rozwiązania bazujące na mikroanalityce czy zdalnej diagnozie,Nauki biologiczne: fotonika jest kluczem do mikrokosmosu życia w biotechnologii, farmacji i genetyce. Fotoniczne narzędzia umożliwiają nie tylko manipulację cząsteczkami, ale również żywymi komórkami nie powodując ich uszkodzenia (wzrost 38% rocznie)


Fotoniczne i optyczne technologie będą najbardziej wpływowymi czynnikami innowacji w 21 wieku

45 00015 000Patenty

250 mld Euro60 mld EuroWartość produktów foton.

1 500 000500 000Zatrudnienie w fotonice

2010 (przewidywane)

2003Wartości w UE

LCDCCDświatłowody


48%

20%

18%

14%

TelecomZdrowie & nauki biologiczne

Środowisko & Bezpieczeństwo

Inne(oświetlenie, pamięci..)

FP5 (1999-2002)

Elementy fotoniczne: zmiany w strukturze produkcji

2002-2006


BadaniaEdukacjaSzkolenia

Elementy & Systemy

Bezpieczeństwo,Metrologia&Sensory

Zastosowania

Problemy przekrojowe

Informacja i Komunikacja

Produkcja Przemysłowa i Jakość

Nauki Biologiczne i Zdrowie

Oświetlenie i Displeje

7 Grup roboczychPodział tematyczny


Informacja i KomunikacjaWyzwania:

Szerokopasmowa komunikacja: > 100-1000

Pamięci optyczne: dyski trerabitowe

Optyczne przetwarzanie sygnału: przełączanie i przetwarzanie sygnału z czasami 1ns

Zmniejszenie „kosztu na bit”

Redukcja kosztów + powiększenie pasma


W przyszłości wszystko będzie połączone

Source: Forrester Research, as cited in BusinessWeek.com, 2/20/05

2005750 million

2005750 Million

201014 Billion


Gdzie zdąża telekomunikacja

Wszystkie urządzenia w sieciPCs, Phones, Cell Phones, Radios, TVs, Cameras, Pictureframes, Vehicles, Sensors, Actuators, Doors, portable gadgets …

Wszystko w EthernetWired, wireless, PCs, Phones, Cameras, Storage…

Wszystko poprzez IP (Internet Protocol)Data, voice, video, wired, wireless…


Wyzwania dla inżynierii fotonicznej

• Większa szybkość danychWiększa dostępność przełączników 13xx,15xx Mniejsze zintegrowane modulatory o parametrach LiNbO3

• Mniejszy wymiar / Wyższa gęstość w porcieMałe pakiety optyczne z min. elektroniki…przejście z ICs do Board/Host

• Większy wydatek ciepła / niższa konsumpcja mocyMat. i urządzenia dla laserów 13xx, 15xx o wyższej temp. pracy (85C)13xx VCSELs dla niższej konsumpcji mocyUlepszony (termicznie) packaging

•Niższy kosztNiższy koszt transmitterów 10Gb & 40GbPrzejście od ICs to Board/HostWspólne standardy

•Większa elastyczność: rozłączalne, przestrajalneRozwój opycznych elementów aktywnych

Swiatłowodów fotonicznych, Szerokopasmowych źródeł


Magazynowanie danych


Produkcja przemysłowa i jakość

Wzrost 18% rocznie

Fabryka fotonowa


Nowe wyzwania w laserowej produkcji przemysłowej

• Laserowa mikro- i nanoprodukcjaablacja laserowa (litografia bez maski)modyfikacja materiałów bazująca na efektach nieliniowych (3D falowody)

• Obróbka nowych materiałów (interakcja z materią)

• Biotechnologia

• Poprawa jakości elementów (termodynamika, naprężenia własne)

• Nowe żródła (UV &EUV), układy doprowadzania i manipulacji wiązką (układy zdalne)


Przemysłowa kontrola jakości• 2D, 3D, 4D systemy widzenia maszynowego

do „inteligentnej produkcji”• Obrazowanie wielospektralne

100% kontrola jakości

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1

2

3

0100200300

400

500

600

700

Wav

g0.0

8 [nm

]

Average deformation of the membranes 0.45 x 0.45 mm2

Specjalizacja ZTO w zakresie mikro i makro


Nauki biologiczne i ochrona zdrowia• Możliwości fotoniki:

- monitorowanie biomateriału: bezkontaktowe, w czasie rzeczywistym bez interakcji- pobieranie/badanie biomateriału na poziomie pojedynczych komórek i całych organów- lokalna manipulacja i modyfikacja biomateriału

• Wyzwanie: zmiana zasad postępowaniaDZISIAJ: rozpoznanie symptonów, diagnoza, leczenieJUTRO: badania przesiewowe, identyfikacja anomali genów lub protein, naprawa anomalii

Camera pills


Priorytety badawcze• Narzędzia fotoniczne do manipulacji komórkami i

tkankamirozwój nowych markerów, „optical tweezers”….

• Diagnoza komórkowa in-vivo , histologia in-vivo, patologia4D+RGB obrazowanie (metody nieliniowe), nowe żródła

• Optyczne biochip’y i biosensoryMEMS/MOEMS, macierze źródeł światła i specjalizowanych detektorów

• Rozwój metod obrazowania 3D, 4Dsystemy obrazowania równoległego (macierze), OCT, od UV do IR, obrazowanie in-situ

• Terapia o minimalnej inwazyjności


Medyczne obrazowanie 3D - ZTO


Oświetlenie


OŚWIETLENIE I DISPLEJE

Oszczędność Energii

Pomoc starszym

Indywidualna MobilnośćVirtualna Komunikacja

Urbanizacja, sztuka i piękno

Komfort

Bezpieczeństwo i zabezpieczenia

Ochrona środowiska

25% energii zużywanej na oświetlenie


Przejście od światła „racjonalnego” do „emocjonalnego”


Zbieżność Wizualizacji i Oświetlenia

Przykład technologii OLED

OLED dostarczają możliwość wytworzenia ultra-cieńkich displeji i przyszłościowego oświetlenia

Duże displejeo płaskich panelach.Powierzchniowe displeje

światła dla oświetlenia


Rozwój i perspektywy źródeł światła

Klasyczne źródła światła

Białe LED i OLED o dużej mocyWydajność źródeł światła

Lumen/Wat

Rok odkrycia

Żarowe

Potencjalne możliwości

Rtęciowe

Fluorescencyjne

Halogenki metalu

Halogenowe


Laserowe światło dla oświetlenia i wizualizacji

Laserowe żródło

Integracja Laserowej Projekcji i OświetleniaKompaktowe żródłaświatła

RGB laserypółprzewodnikowe


Displeje i Oświetlenie na OLED wymagają podobnych technologii

Wymaganie rozwoju elektroniki organicznej na giętkich substratach

-Giętkie substraty

- przeźroczyste układy

Masowa produkcja przez prasowanie („roll-on-roll”)


Bezpieczeństwo, Metrologia i Sensory (1)• Rynek biomedyczny, środowisko, chemia

Biochip’y np. DNAWzrost zapotrzebowania:20-90%

Podstawa; mikroskopia fluorescencyjna, konfokalna,rozpraszanie światła, techniki spektrometryczne

• Kontrola przemysłowaMiniaturyzacja i integracja sensorów (MEMS/MOEMS)


Bezpieczeństwo, Metrologia i Sensory(2)• Przemysł samochodowy, lotniczy i kosmiczny


Bezpieczeństwo, Metrologia i Sensory(3)• Bezpieczeństwo i zabezpieczenia

Systemy aktywnego widzenia

Detekcja w zakresie promieniowania THz

Detektory THz i UV, EUV


Technologie wspomagające rozwój sensorów

• Optyka zintegrowana• M(O)EMS• Urządzenia bazujące na fotonicznej przerwie• 3D optyczne obwody scalone• Swiatłowody fotoniczne• CCD, CMOS (z smart pixel)• Niechłodzone detektory IR• Monolitycznie zintegrowane mikrolasery• Integracja, wielofunkcyjność

Assembly, Integration and Packaging


MultimediaObrazowanie 3D,4D


Warsaw University of Technology

SPIE Student Chapter


http://http://spie.mchtr.pw.edu.plspie.mchtr.pw.edu.pl





14 other faculties

Faculty of Mechatronics

Electronics and Information Technology

Institute of Micromechanics and Photonics 4 other institutes

Optical Engineering Division

SPIE Student Chapter


2 000 professors30 000 students

(most of them study full-time)

3 professors13 Ph. D.37 students



prof. Malgorzata KujawinskaAdvisor

Aneta Michalkiewicz President

Krzysztof RadzimowskiVice President

Anna PakulaSecretary

Przemyslaw CzapskiTreasurer

+ 12 Ph D + 15 students = 31 members





Photonics Europe 2006

“Virtual Studio for educational content production” won a 1st Prize in category: Best Marketability

SPIE Annual Meeting and Optics & Photonics Conference in San Diego, USA

Maciej Karaszewski and his new friends from Students Chapter from Monterey (and not only)


Warsaw University of TechnologyNEMO workshop „Characterization of refractive micro-optical elements”

Brussels

NEMO Summer School on Optical Modeling, Santiago de Compostela


International Congress on Optics and Optoelectronics in Warsaw, Poland


Bobo Hu is presenting China

Aneta is presenting Poland

Baking sausages

Pantomime -Jurgen from Belgium presents interferometer


XVIth Conference on Photonics and Web Engineering in Wilga, Poland


Anna Pakula during her presentation

Maciej Karaszewskipresenting his algorithm

Volleyball competition: SPIE vs. IEEE

Grill party


XXth Polish Festival of Science (14-26.IX.2006)Warsaw University of Technology

“In the maze of geometrical optics”

“The eye –human optics”;

“Wave optics –interference and diffraction”

”How does fiber work?”


Fair of Scientific Chapters and Students’Organizations of WUT



Warsaw University of TechnologyDigital holographymeasurements

Optoelectronic reconstruction


Warsaw University of TechnologyStructure light projection


Warsaw University of TechnologyThe system architecture



TPS

Time-average

StroboscopyActive interferometryMain technical features:

• field of view: 0.17 x 0.23 ÷ 5.9 x 7.9 mm2

• out-of-plane accuracy: up to 10 nm• measurement range: up to 30 μm

TwymanTwyman--Green interferometer for outGreen interferometer for out--ofof--plane plane displacement/shape measurementdisplacement/shape measurement

Reference surface (R):• flat mirror;• LCoS SLM;• diffuser.

Static shape

Bessel fringes

Transient displacementDisplacement


White Light InterferometryWarsaw University of Technology

• Homemade scanning interferometer


Warsaw University of TechnologyWhite Light Interferometry

• Micromembrane measurment:

PhotoResult from professional

WLI

Membrane with fringes

Result from our setup


Interference Tomography

Our setup



Warsaw University of TechnologyInterference Tomography

Principle of method (click it )

Refractive index distribution (click it)

Sinogram

Documents

Zastosowania O F - Zakład Inżynierii Fotonicznejzto.mchtr.pw.edu.pl/download/155.pdf · plików danych; w przyszłości optyczne systemy umożliwią1000 powiększenie przepustowości