Фото́ника - дисциплина, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения.
|
Общие сведения
Фотоника по сути является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля - фотоны. То есть, она занимается фотонными технологиями обработки сигналов, что связано с существенно меньшими энергопотерями, а значит имеет бо́льшую возможность миниатюризации.
Таким образом, фотоника:
- изучает генерацию, управление и детектирование фотонов в видимом и ближнем к нему спектре. В том числе, 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.
- занимается контролем и преобразованием оптических сигналов и имеет широкое применение: от передачи информации через оптические волокна до создания новых сенсоров, которые модулируют световые сигналы в соответствии с малейшими изменениями окружающей среды.
Фотоника охватывает широкий спектр оптических, 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 , оптоэлектронные , высокоскоростные электронные устройства.
Разделы справки
Кристаллы
Основная статья:
Кристаллы - это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).
Кристаллы делятся по своим свойствам:
Оптика
Основная статья:
О́птика (от др.-греч. ὀπτική - оптика, наука о зрительных восприятиях ) - раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов спектра. Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики используются во многих прикладных дисциплинах, включая электротехнику, физику, медицину (в частности, офтальмологию и рентгенологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики.
В оптике основными темами рассматриваются:
- Плоская оптика – новые статьи в ближайшее время
- Оптика из пластика – новые статьи в ближайшее время
Лазеры
Основная статья:
Ла́зер (от англ. laser , акроним от l ight a mplification by s timulated e mission of r adiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор - это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
По теме лазеры:
- Преимущество VCSEL – новые статьи в ближайшее время
- Лазеры: понимание основ– новые статьи в ближайшее время
- История лазера– новые статьи в ближайшее время
Устройства
Основная статья:
Рукотворный объект (прибор , механизм, конструкция , установка ) со сложной внутренней структурой, созданный для выполнения определённых функций, обычно в области техники.
- Устройство (радиотехника) - совокупность элементов, представляющих единую конструкцию (блок, плата). Может не иметь в изделии определенного функционального назначения.
Об устройствах подробнее:
- Фотометрический шар – новые статьи в ближайшее время
- Интерферометрия– новые статьи в ближайшее время
История фотоники
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 была в значительной степени сконцентрирована на телекоммуникациях. С 2001 года к ней также стали относиться:
- лазерное производство (),
- биологические и химические исследования,
- изменение климата и экологический мониторинг,
- медицинская диагностика и терапия,
- технология показа и проекции,
- оптическое вычисление.
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.
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:
- изобретение лазера;
- создание оптоволокна, которое имеет низкие потери;
- 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.
- лучевая оптика;
- волновая оптика;
- электромагнитная оптика;
- фотонная оптика.
Теорию взаимодействия с веществом.
Теорию полупроводников и их оптические свойства.
Четыре теории света, каждая из этих теория является более общей, чем предыдущая:
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.
Замечание 1
Фотоника занимается вопросами конструирования и использования оптических, электрооптических и оптоэлетрических устройств.
Фотоника как наука
Замечание 2
Фотоникой называют науку, исследующую фундаментальные основы и применение оптических сигналов в качестве потоков фотонов, в разных устройствах и системах.
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.
Замечание 3
Сам термин «фотоника» впервые возник в работе А.Н. Теренина «Фотоника молекул красителей». В 1970 году фотонику стали определять в качестве науки, которая рассматривает процессы и явления в которых носителями информации служат фотоны.
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.
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
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.
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.
См. также
Ссылки
- Сайт кафедры Фотоники и оптоинформатики
- Сайт кафедры Компьютерной фотоники и видеоинформатики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики
- Сайт кафедры Фотоники физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета
- Сайт кафедры Фотоники и Электротехники Харьковского Национального Университета Радиоэлектроники
- Образовательные материалы Лаборатории Лазерных Систем Новосибирского Государственного Университета
- Словарь терминов по фотонике . Сибирская Государственная Геодезическая Академия
- Журнал «Фотоника» Научно-технический журнал
- Проблемы рассеяния лазерного излучения в фотонике и биофотонике Квантовая Электроника, Специальный выпуск, Том 36, № 11-12, (2006)
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Фотоника" в других словарях:
фотоника - Раздел электроники, включающий исследование природы и физических принципов различных источников света, электромагнитных колебаний оптического диапазона волн, а также их использование в инженерно технических системах генерации, излучения, передачи … Справочник технического переводчика
фотоника - Photonics Фотоника Наука и раздел техники, изучающие генерацию, управление и детектирование фотонов. На начальном этапе развития фотоника использовала видимый (длина волны света от 400 до 800 нм) и ближний инфракрасный (длина волны 800 нм 10… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.
Термин фотоника Термин на английском photonics Синонимы Аббревиатуры Связанные термины волокно фотонно кристаллическое, метаматериал, нанофотоника Определение область науки и техники, которая занимается изучением фундаментальных и прикладных… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
Фотоника - фотонику область науки и техники, связанную с использованием светового излучения (или потока фотонов) в элементах, устройствах и системах, в которых генерируются, усиливаются, модулируются, распространяются и детектируются оптические сигналы;...… … Официальная терминология
фотоника - фот оника, и … Русский орфографический словарь
ГОСТ Р ИСО 13695-2010: Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений спектральных характеристик лазеров - Терминология ГОСТ Р ИСО 13695 2010: Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений спектральных характеристик лазеров оригинал документа: 3.19 дисперсия Аллана для непрерывного лазерного излучения, : Дисперсия двух… …
ГОСТ Р ИСО 11554-2008: Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы испытаний лазеров и измерений мощности, энергии и временных характеристик лазерного пучка - Терминология ГОСТ Р ИСО 11554 2008: Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы испытаний лазеров и измерений мощности, энергии и временных характеристик лазерного пучка оригинал документа: 3.1 относительный уровень шума… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
длина - 3.1 длина (length) l: Наибольший линейный размер лицевой грани измеряемого образца.
Фотонный компьютер, Wi-Fi из лампочки, материалы-невидимки, боевые лазеры и сверхчувствительные сенсоры... Все это плоды одной и той же науки - фотоники. О том, почему именно свет сегодня стал объектом изучения чуть ли не для половины физиков во всем мире, в нашем новом материале
Фото: GiroScience / Alamy / DIOMEDIA
Мышь в камере подсвечивается инфернальным зеленым светом: несколько секунд нужно лазеру, чтобы проникнуть в глубь организма и просканировать его до мельчайших деталей. На экране появляется изображение запутанного клубка кровеносных сосудов - до самых крошечных, размером в десятую долю миллиметра. Это оптоакустический микроскоп - уникальный, пока единственный в России прибор. Он преобразует оптический сигнал в акустический и позволяет не только "видеть" сосуды вплоть до микрокапилляров, но и обнаружить в крови мельчайшие частицы - например, единичные раковые клетки.
А если увеличить интенсивность излучения, то клетка от перегрева просто лопнет и разлетится на части. Понимаете? - рассказывает профессор Ильдар Габитов.- Мы можем удалять нежелательные биологические объекты прямо внутри организма без хирургического вмешательства и без воздействия на весь организм. Эти возможности одновременной диагностики и терапии характерны для нового направления медицины - тераностики.
Мы находимся в Центре фотоники и квантовых материалов в Сколковском институте науки и технологии в лаборатории биофизики. Пока ученые оттачивают свое мастерство на образцах тканей. Но в ближайшее время в Сколтехе появится полноценный исследовательский виварий.
Интересно, что идея соединить технологии диагностики и лечения возникла еще у Нобелевского лауреата, одного из авторов американской атомной бомбы - Ричарда Фейнмана. Он предсказал создание автономных инструментов, которые смогут выполнять хирургические операции непосредственно в организме человека. Фейнман писал: "...Было бы интересно, если бы вы могли проглотить хирурга. Вы введете механического хирурга в кровеносные сосуды, и он пройдет к сердцу и "осмотрится" там...". Возможно все это станет реальностью в ближайшее десятилетие. Для этого нам нужно понять, как фотоны взаимодействуют с веществом на наноуровне, и развить методы управления светом.
Компьютер из света
Свет - это основа всего,- добавляет профессор Габитов по пути в другую лабораторию.- Без света не было бы ничего: не смогла бы зародиться жизнь на Земле. Не было бы ни современной медицины, ни современной промышленности, да и всего современного общества с его сложнейшей информационной структурой, экономикой и повседневной жизнью тоже бы не было. Наука фотоника, чье стремительное развитие обусловлено огромным количеством приложений, изучает свойства света, взаимодействие света с веществом, разрабатывает методы управления световыми потоками. Общим для этих методов является одно - они основаны на манипуляциях с частицами света - фотонами. (Фотон - это квант электромагнитного излучения, он, в отличие от электрона, не имеет массы и электрического заряда и двигается в вакууме со скоростью света - "О" .)
А почему фотоника стала так бурно развиваться именно сейчас? Все передовые страны, включая Россию, определили ее как стратегически важное направление...
Я бы назвал два основных фактора - развитие инструментальной базы и растущие технологические потребности, включая информационную инфраструктуру современного общества. Сегодня 30-40 процентов выпускаемой в мире продукции создается с использованием фотоники, а перечень областей, где будут применяться открытия, растет с каждым днем.
Одной из самых "горячих областей" остаются компьютерные технологии. Основатель Intel Гордон Мур еще в 1965-м сформулировал закон, по которому число транзисторов на микросхеме и, значит, быстродействие будут увеличиваться вдвое каждые два года. Но в 2016-м его закон работать перестал: электроника больше не может развиваться так быстро. Заменят ли ее фотонные технологии?
Технологии электроники в некоторых областях действительно подошли к некоторому пределу. Мы все свидетели быстрого развития приборов, основанных на электронике. В кармане у многих есть смартфон - удивительное устройство, функциональные возможности которого 20 лет назад нельзя было и представить. Его появление хорошо иллюстрирует философский закон перехода количества в качество. Если бы мы попытались сделать нечто похожее на смартфон во времена так называемой дискретной электроники, то соответствующее устройство из радиоламп, конденсаторов, сопротивлений, индуктивностей и т.п. получилось бы размером с квартал. Вдобавок оно потребляло бы неимоверное количество энергии и не смогло бы работать из-за постоянных поломок вследствие ненадежности элементов. Лишь появление микросхем высокой степени интеграции (содержат большое количество элементов.- "О") привело к созданию устройств нового типа, которые ныне доступны каждому. Однако дальнейший прогресс, по которому развивается электроника, в ряде случаев не представляется возможным.
- И в чем причина?
Во-вторых, развитие компьютеров очень сильно тормозит отсутствие материалов, которые способны отводить тепло. Элементы в современных устройствах становятся очень маленькими, но их очень много, они чрезвычайно плотно упакованы, так что перегрева избежать невозможно. В настоящее время такие гиганты индустрии, как Google и Facebook, вынуждены были расположить свои "дата-центры" (центры обработки данных.- "О") в условиях холодного климата: за полярным кругом и на Севере на нефтяных платформах, где много холодной воды. А крупнейший в Китае дата-центр находится на высоте в 1065 м над уровнем моря в Хух-Хото, во Внутренней Монголии. Проблема требует решения, потому что плотность систем хранения данных будет только расти. Из культуры пользователей совсем уходит навык что-то стирать или уничтожать, как было еще 20 лет назад, когда мы пользовались дискетами или дисками. Облачное пространство кажется бесконечным.
А третья причина, самая главная, из-за которой быстродействие компьютеров больше не растет, связана с количеством электронов, которые участвуют в элементарной логической операции. Сейчас в одной операции задействован фактически один электрон. То есть дальше мы должны будем использовать "половинку" или "четверть" электрона, что является абсолютной нелепостью. Поэтому возникла идея попытаться создать устройства высокой степени интеграции с использованием фотонов.
Будет ли это похоже на технологический прорыв 1970-х, когда вместо медного кабеля стали использовать оптоволокно? Ведь именно этот переход по сути и создал современное информационное общество.
Да, оптоволокно - тонкая нить из прозрачного материала, по которой с высокой скоростью переносится свет - удивительный материал. Представьте себе: десятки километров оптического волокна обладают такой же прозрачностью, как и метр оконного стекла! Это и позволяет использовать фотоны вместо электронов в качестве носителей информации. Создание технологии оптического волокна и изобретение оптических усилителей привели к колоссальному прорыву в области высокоскоростной передачи. Теперь, конечно, возник соблазн использовать фотонные технологии не только для передачи, но и для обработки информации.
- Так реально ли в ближайшее время создание фотонного компьютера?
Здесь мы упираемся в нерешенные пока проблемы. Например, современный процессор представляет собой сложную структуру, выполненную из мельчайших элементов. С каждым годом компании совершенствуют технологии: у Apple и Samsung технологические размеры составляют приблизительно 7 нанометров (то есть сегодня возможно оперировать деталями такого размера и соответственно размещать очень много миниатюрных элементов.- "О"). Но фотон, как известно, одновременно является и частицей, и волной. При этом длина этой волны, используемая в современных информационных системах,- 1550 нанометров. Грубо говоря, смартфон на основе фотонных технологий был бы сегодня примерно в 200 раз больше привычного нам.
Вторая нерешенная проблема - отсутствие эффективных методов управления потоками фотонов. Электроны, как известно, имеют заряд, поэтому ими можно манипулировать при помощи магнитного или электрического поля. Фотоны нейтральны и этого сделать нельзя. Сегодня все ожидают появления новых гибридных устройств, которые бы объединяли фотонику и электронику. Над решением этой задачи бьются исследовательские центры ключевых компаний.
Что это даст? Невероятное быстродействие? У человечества есть задачи, которые нужно решать с такой производительностью?
Конечно, такие задачи есть в области моделирования климата, изучения мозга, медико-биологических проблем... Этот список можно продолжать долго. Что касается новых возможностей для повседневной жизни - знаете, на этот вопрос я ответить не могу. Повторюсь, 20 лет назад мы не могли себе представить, какими удивительными возможностями будут обладать смартфоны. Поэтому фантазировать на тему о том, к каким функциональным возможностям может привести создание устройств фотоники высокой степени интеграции, дело неблагодарное.
Наука просветления
- Насколько дорогая наука фотоника? Какие установки нужны ученым?
Гигантские проекты типа адронного коллайдера в области фотоники представить трудно - масштаб процессов здесь меньше. Но наука эта очень дорогая. Обычно центры фотоники, которые работают с очень маленькими структурированными объектами, с новыми материалами и новыми устройствами, стоят порядка 250-300 млн долларов.
- Где сегодня сконцентрирован научный потенциал и где, скорее всего, появятся новые суперустройства?
Все больше исследований смещаются и концентрируются в крупных компаниях. Ключевые сотрудники стоят очень дорого, поэтому часть пилотных исследований и исследований с высокой степенью риска компании отдают на аутсорсинг университетам, где есть квалифицированные профессора и хорошие студенты.
Если говорить о странах, то большая работа проводится в США. Помимо того, есть хорошие центры в Англии, в ФРГ, Японии, Кореи. Отчасти во Франции. Большая работа ведется в университетах, например в Университете Рочестера в Нью-Йорке. Это вообще известное место для всех, кто имеет отношение к оптике. Здесь начинали работу такие известные оптические гиганты, как Kodak, Xerox, Bausch and Lomb.
- Китай пока не попал в этот список?
Китай - отдельная история. На фотонику там выделяются громадные средства. Китайцы уже доминируют в отдельных областях производства, но, может быть, пока чуточку отстают по части разработки новых устройств. Хотя где-то, например в квантовой связи, китайцы обогнали весь мир. Буквально в нынешнем сентябре они при помощи квантового спутника QUESS осуществили связь между Китаем и Австрией. При этом не только побит рекорд по расстоянию, которое преодолел сигнал, но и положено начало созданию коммуникационных связей, которые невозможно взломать.
Китай развивается очень быстро, он привлекает не только значительные средства, но и человеческий потенциал. Сейчас, что интересно, китайские студенты зачастую уже не остаются после учебы в тех же Штатах, они возвращаются в Китай, а потом, становясь руководителями лабораторий, приглашают туда же своих профессоров.
Не секрет, что электроника - та область, где Россия мягко говоря, сильно отстала: на гражданском рынке микропроцессоров у нас 100 процентов импорта. Что можно сказать о российской фотонике? Это особенно интересно, так как в БРИКС за нее, как за одно из самых перспективных направлений в науке, отвечают как раз Россия и Индия.
Да, Россия с Индией, по-видимому, будут осуществлять совместные программы в области радиофотоники. Но в целом выбор, я бы сказал, оправдан. Мало кто помнит, что еще в 1919 году, в разгар Гражданской войны, у нас решением правительства был создан Государственный оптический институт (ГОИ). К 1923-му он был одним из наиболее оборудованных научных учреждений мира.
Вообще, это замечательное учреждение решило массу проблем. Скажем, до Первой мировой войны основным производителем оптики была Германия, а где-то в разгар войны были введены, как сейчас принято говорить, санкции. То есть приборы перестали поставляться в Россию. Было необходимо создавать индустрию, в чем огромную роль сыграл ГОИ. На его базе в том же 1919-м был построен 300-метровый интерферометр для наблюдения за звездами. Там занимались как фундаментальной наукой, так и созданием технологической базы. Здесь создавали все - от медицинских микроскопов до сложнейшей военной оптики и объективов для космических аппаратов.
К сожалению, в безумные 1990-е ГОИ пришел в плачевное состояние. Многих специалистов волевым решением руководства приняли работать в ИТМО - Санкт-Петербургский исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. Теперь это уникальное образовательное учреждение, где ведутся очень серьезные научные работы. Ну, кроме того, нельзя не упомянуть Физтех, МИСИС, Университет им. Баумана в Москве, Новосибирский университет. Сейчас все это направление на подъеме, и решение правительства РФ о поддержке развития фотоники в России не случайно. Сколтех, кстати, участвовал в формировании этой программы. Наконец, проявляется серьезный интерес со стороны бизнеса: есть организации, которые выпускают конкурентную продукцию как гражданского, так и военного применения, развивают новые продукты.
Назад в будущее
Расскажите, пожалуйста, о фотонных технологиях, которые изменят нашу повседневную жизнь. На какой стадии сейчас разработки Li-Fi - Wi-Fi, работающего на фотонах?
Родоначальником этой технологии считается немецкий физик Харальд Хаас, который в 2011-м в качестве роутера использовал светодиодную лампу. В лабораторных условиях он достиг скорости передачи в 224 Гб/с. Такая скорость позволяет, например, скачать за 1 секунду 18 фильмов по 1,5 ГБ. Еще один важный нюанс - секретность. Радиоволны могут проходить через стены, то есть при связи по Wi-Fi радиосигнал может быть легко считан, а данные - украдены и расшифрованы. Модулированный свет из помещения далеко не уйдет, скрытно перехватить такой сигнал гораздо труднее - он воспринимается и передается в зоне прямой видимости. Но до воплощения в жизнь этой технологии еще далеко. Более реальны технологии на основе плазмоники.
- Что они собой представляют?
Плазмоника начала развиваться всего лет 15 назад, но явления, связанные с ней, известны очень давно. Например, еще в Древнем Египте в стекло добавляли металлы и окрашивали их в различные цвета. А в Британском музее стоит уникальный кубок, созданный из стекла, в котором растворено золото, так вот, при одном освещении он розовый, а при другом - зеленый. Дело, как оказалось, в том, что при растворении в стекле золото не рассеивается на молекулы, а собирается в кластеры - примерно 50 нанометров размер частички. Если осветить светом - длина волны больше, чем размер частички, и свет проходит, огибая ее, не рассеиваясь. Это открытие привело к созданию самых разнообразных технологий, например нанолазеров, размер которых меньше длины волны, и сверхчувствительных сенсоров.
- А есть уже работающие модели?
Есть. Первые работы о таких лазерах несколько лет назад опубликовал Миша Ногинов, выпускник МФТИ, проживающий в США. Он первым построил лазер размером в 40 нанометров - это в миллион раз меньше, чем толщина человеческого волоса. Информация об этом появилась в 2011 году в журнале Nаture. С тех пор началась экспериментальная жизнь нанолазеров. В частности, другой наш бывший соотечественник Марк Стокман, ученик академика Спартака Беляева, ректора Новосибирского госуниверситета, придумал SPASER - плазмонный наноисточник оптического излучения. Он представляет собой частицу размером 22 нанометра, то есть в сотни раз меньше человеческой клетки. Благодаря специальному покрытию частицы SPASER способны "находить" метастазирующие клетки рака в крови и, прилепляясь к ним, уничтожать их. По крайне оптимистическим оценкам Стокмана, первые устройства такого рода могут появиться уже в течение ближайшего года.
- Для чего в первую очередь будут использоваться сверхчувствительные сенсоры?
Например, для маркирования взрывчатых веществ. Для антитеррористической деятельности очень важно знать, откуда взялась та или иная взрывчатка, найти источник, откуда она утекла. Во всем мире прикладываются огромные усилия, чтобы маркировать взрывчатку, потому что тогда, собрав то, что осталось после взрыва, можно понять, где вещество было сделано - вплоть до смены и времени. Причем так, чтобы враг не мог понять, что туда добавляется. И эта задача решается просто: во взрывчатку попадает несколько молекул, которые сможет распознать сенсор на основе фотонных технологий.
Другое направление - маркировка лекарств. Известно, что в любой таблетке присутствует совсем малое количество действующего вещества, а основную массу составляют наполнитель и оболочка. Мы можем смешать, скажем, пять красителей в определенной пропорции, потом разбавить до низких концентраций и таким образом промаркировать подлинные таблетки через определенный состав оболочки. Чтобы отличить их от фальшивки, нужно всего лишь положить таблетки на специальную подложку и посмотреть, какой спектр они излучают. Это перспективное направление широко развивается в мире.
В нашей лаборатории в Сколтехе мы разрабатываем сенсор, который может определять уровень кортизола - гормона стресса - в крови человека. Это будет носимый гаджет, передающий информацию в режиме реального времени. Представляете, какая неоценимая вещь для людей, чья работа связана с постоянной концентрацией внимания?
В конце 1960-х в мире шли разговоры о создании боевых лазеров. У нас программой руководил Нобелевский лауреат Николай Басов. Под его руководством создавался боевой лазер, способный поражать баллистическую ракету. Какие области фотоники интересны военным?
Конечно, работы в области боевых лазеров ведутся во всех странах, но это не та тема, на которую можно распространяться. Более активно сегодня обсуждаются возможные метаматериалы (так называют материалы, свойства которых обогатили за счет нанотехнологий.- "О") для маскировки.
- Да, компании не раз заявляли, что готовы создать плащ-невидимку, как в романе Герберта Уэллса.
Это чрезвычайно популярное в медийном пространстве направление. В романе Уэллса невидимость была основана на принципе прозрачности материала. Такой принцип, точнее его имитация, реализуется в настоящее время. Сейчас, например, в Сеуле обсуждается проект строительства башни, которая время от времени становится "прозрачной". Поверхность здания будет подсвечиваться светодиодами, а ряд расположенных на фасадах камер будут в реальном времени транслировать на его поверхность изображение неба. Полностью "активированная" башня должна стать невидимой на фоне неба. Правда, не очень понятно, как решатся вопросы с авиационной безопасностью, учитывая, что недалеко от этого места находится аэропорт.
Другая технология была описана в фантастической книжке - "Невидимая женщина". Там дама окружена оболочкой, которая искажает ход лучей.
Этот принцип реализуется с помощью метаматериалов. Метаматериалы могут искривлять лучи света таким образом, что скрывающийся за ним предмет становится невидимым. Но проблема в том, что это возможно только с очень маленькими объектами - порядка сантиметра - и в узкой области спектра.
Как в том, так и в другом случае о реальной невидимости говорить рано.
Физика на завтра
В ХХ веке развитие той или иной сферы физики определял, как правило, политический заказ. В одном из последних интервью академик Гинзбург рассказывал, что когда американцы сбросили атомную бомбу, зарплата у него поднялась в 3 раза... А что, на ваш взгляд, сегодня движет развитием той или иной области физики?
В последние несколько десятков лет заказ определяется не политическими, а скорее индустриальными потребностями. Ведь как было раньше? Делалось какое-то открытие, изучалось некоторое явление, выявлялись какие-то математические факты и по прошествии довольно значительного времени они находили воплощение в приложениях. Сейчас скорость внедрения такова, что от открытия до появления технологии проходит буквально несколько месяцев. Вся биофотоника возникла лет семь назад, а сегодня без соответствующей лаборатории не обходится ни один крупный центр фотонных технологий.
Поэтому сейчас на Западе развитие физических дисциплин смещается с физических факультетов в инженерные. Именно там сегодня лучше финансирование и там есть индустриальный заказ. Параллельно снижается финансирование физических факультетов. Это такая общая тенденция, которую я наблюдаю как в Европе, так и в США.
- Значит ли это, что грядет перераспределение средств между фундаментальной и прикладной наукой?
Вполне вероятно. Прогресс фундаментальной науки зачастую требует очень крупных капиталовложений. Фундаментальная наука становится очень дорогой, поэтому идет международная кооперация, консолидация финансов. Это общее явление. В свое время у нас в Институте Ландау была такая точка зрения, что настоящей физикой являются только непонятые и непознанные явления. А все остальное - приложение. Так что с этой точки зрения в наши дни фундаментальной наукой будет, предположим, изучение темной материи и темной энергии.
В одном из интервью вы говорили, что качество образования студентов на физических факультетах катастрофически падает. Вы преподаете в США и в России. Это относится к обеим странам?
Падение интереса к науке - общемировая проблема. Она четко прослеживается почти везде. Видимо, человечеству стоит над этим задуматься, потому что рано или поздно это приведет к каким-то негативным последствиям. Да, я констатирую факт, что качество образования студентов после школы снижается. Тому много причин, одна из них - разрушение системы поиска и последующей заботы о талантливых ребятах, особенно из провинции.
Кроме того, современная российская система школ-интернатов испытывает большие трудности, потому что на них выделяются средства как на обыкновенные школы. Академические институты находят какие-то сторонние источники финансирования, но это не их профиль. Этим систематически должно заниматься государство. В советское время как раз эта система, которую сейчас у нас заимствовал Китай, работала очень хорошо.
В США будто бы в свое время копировали советскую систему математических школ, а вот про Китай я еще не слышала...
Когда в Китае я разговариваю с коллегами, то вижу много знакомого - через что в свое время проходили мы. Например, там скопирована советская система олимпиад и отбора лучших учеников. Мне это очень близко, потому что я сам попал в науку именно так. Моя мама была учительницей и выписывала "Учительскую газету", где были напечатаны задания физико-математической олимпиады. Я их решил сразу за все классы и отправил решения по почте. Причем задания были составлены очень мудрыми педагогами, потому что они нивелировали разницу между специализированными школами, которые давали очень хорошие тренинги, и сельскими. Иначе говоря, упор делался на сообразительность, на находчивость, на людей с потенциалом. Сейчас в России этого нет.
- ХХ век многие называют веком ядерной физики. Какая область физики станет флагманом в веке ХХI?
Самая удивительная область современной физики, на мой взгляд,- наука о Вселенной. Темная материя и темная энергия - это загадочные, удивительные явления, которые были открыты и еще ждут своего объяснения. Изучение и разгадка этих явлений приведет к колоссальному прогрессу в нашем понимании устройства мира. А вот фотоника, о которой мы говорили сегодня, в XXI веке сыграет ту же роль, что паровая машина в XIX или электроника в XX веке.
Вычислить свет
Визитная карточкаФизик Ильдар Габитов пришел к увлечению фотоникой через математические формулы. Сейчас он работает сразу в трех направлениях - изучает свойства света, занимается внедрением разработок в жизнь и создает программы по развитию науки
Ильдар Габитов - профессор факультета математики Университета Аризоны (США), директор Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, ведущий научный сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН.
Он родился в 1950-м в семье учительницы и горного инженера. Учился в Ленинградском университете на физфаке. На кафедре математической физики его учителями были знаменитые профессора - Ольга Ладыженская и Василий Бабич. Некоторое время работал в закрытом учреждении под Ленинградом, в Сосновом Бору. Затем - в Институте математики в Бишкеке. Оттуда перешел в Институт Ландау, к академику Владимиру Захарову. В самом начале 1990-х переехал в ФРГ, а затем в Лос-Аламосскую национальную лабораторию США, после чего обосновался в Университете Аризоны. Там проводит большую часть года.
Профессор Габитов автор свыше 100 научных работ по теоретической и математической физике, нелинейной оптике, теории интегрирующих систем, оптико-волоконным коммуникациям, многомасштабным явлениям и наноматериалам, нанофотонике и наноплазмонике. Он признан экспертом многих международных профессиональных ассоциаций, включая National Science Foundation (США), Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, US Civilian R&D Foundation (США), Engineering and Physical Sciences Research Council (Великобритания). Является членом ученого совета Сколковского института науки и технологий. Он участвовал в подготовке «Межведомственной программы по научным исследованиям и разработкам в области фотоники на период 2017-2020 годов» Министерства образования и науки РФ.
Фотоника - область науки и техники, связанная с использованием светового излучения (или потока фотонов) в системах, которые генерируют, усиливают, модулируют, распространяют и детектируют оптические сигналы.
Оптоинформатика - выделившаяся и доминирующая в последние годы область фотоники, в которой создаются новые технологии передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации на основе фотонов.
Фотоника и оптоинформатика - это энергично развивающаяся высокотехнологическая отрасль, ежегодный доход от продаж устройств и систем которой составляет в мире десятки триллионов рублей.
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
Я учусь на образовательной программе "Физика и технология наноструктур", и логично было бы предположить, что область моих знаний и интересов -- это именно нанофотоника, наука о взаимодействии света с различными наноструктурами и частицами. Это действительно так: в качестве научной работы я провожу исследование об оптическом охлаждении нанокристаллов. Однако на третьем курсе преподаватель нашей группы по квантовой механике, Юрий Владимирович Рождественский (также мой научный руководитель), разбирал классическую задачу о состояниях электронов в поле тяжести Земли. Самым активным студентам он предложил рассмотреть эту задачу не возле Земли, а возле нейтронной звезды, обладающей мощным полем тяготения. Было очень здорово обнаружить, что с помощью этой задачи можно объяснить радиоизлучение от нейтронных звезд, по поводу которого у специалистов-астрофизиков до сих пор нет единого мнения. В результате мы с однокурсником и нашими руководителями опубликовали исследование в высокорейтинговом зарубежном журнале - The Astrophysical Journal! Такое признание научного сообщества очень ценно, ведь никто из нас до этого не занимался астрофизикой. Нам было очень интересно развиваться и получать результаты в совершенно другой области физики -- на "Физике наноструктур" для этого есть все необходимое. Наши руководители и преподаватели всегда приветствуют инициативу и с удовольствием "запускают процесс" научного творчества. При должном упорстве это приводит к порой удивительным результатам!
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
Термин «Фотоника» впервые прозвучал в 1970 году на 9-м Международном конгрессе по скоростной фотографии в США, г. Денвер. И на первом этапе под «фотоникой» понималась область науки, изучающая оптические системы, в которых носителями информации являлись фотоны. В связи с развитием лазерных технологий и изобретением лазерных диодов и волоконно-оптических систем связи в понятие «фотоника» вошли оптические телекоммуникации. Сегодня «фотоника» - это: оптические и квантовые системы связи;передача, запись и хранение информации; медицинская диагностика и терапия (биофотоника); разработка и производство лазеров; биологические и химические исследования различных объектов; экологический мониторинг; световой дизайн и т.д.
Биофотоника связана с фотобиологией и с медицинской физикой. Поэтому, с одной стороны, биофотоника занимается диагностикой и изучением биологических молекул, клеток и тканей. С другой стороны, она использует свет для воздействия на биологические ткани, например, в хирургии и терапии. Биофотоника изучает разные аспекты взаимодействия биологических объектов и фотонов. Поэтому область применения биофотоники - это, в первую очередь, здоровье человека. Специалисты в области биофотоники также занимаются созданием источников света медицинского назначения, детекторов, систем визуализации и математической обработки оптических сигналов.
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. Фотоника 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!
Загрузка...