Лекция -1 Тема Введение. Основные понятия План Фотоника Оптоэлектроника Взаимосвязь фотоники и оптоэлектроники

ЛЕКЦИЯ -1
Тема 1. Введение. Основные понятия
План
Фотоника
Оптоэлектроника
Взаимосвязь фотоники и оптоэлектроники
Современное состояние исследований в области фотоники и оптоэлектроники

В настоящее время лазерная физика, лазерные технологии и оптоэлектроника являются одними из наиболее интенсивно развивающихся научно-технических направлений, которым трудно найти аналоги по широте и глубине проникновения во многие сферы науки, техники, промышленности, энергетики, информатики, связи, медицины и др. Вследствие этого, целый ряд смежных научных областей сегодня принято объединять единым термином «фотоника».

Это развитие и взаимообогащение науки и техники стимулировало появление новой области – «фотоника» – раздела науки и техники, связанного с явлениями и процессами, в которых перенос и передача энергии и информации происходят посредством фотонов (в отличие, например, от электроники, в которой эти процессы переноса и передачи энергии и информации происходят посредством электронов).
Впервые термин фотоника появился в 1967г., под которым понималась “совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов”. В мировой науке получило распространение более позднее определение фотоники, как раздела науки и техники, связанной с использованием оптического излучения в системах, в которых генерируются, усиливаются, модулируются, распространяются и детектируются оптические сигналы, а также направления исследований широкого круга взаимосвязанных фотофизических, фотохимических явлений и процессов, происходящих при активном воздействии квантов света на вещество: поглощение и излучение фотонов, распад молекул на составные части (нейтральные или заряженные), процессы внутри- и межмолекулярного перераспределения запасенной при поглощении света энергии, фотоэлектрические процессы, фотоактивированные химические реакции и др.
В связи с этим оптоэлектронику можно трактовать двояким образом. С одной стороны, оптоэлектроника это раздел электроники, занимающийся вопросами использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации. С другой стороны, оптоэлектронику можно трактовать как раздел фотоники, занимающийся вопросами использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации.
На сегодняшний день фотоника и оптоэлектроника остаются одними из самых приоритетных научно-технических направлений в мире. В 2015 г. годовой объем мирового рынка продукции фотоники прогнозируется на уровне более 480 млрд долл. За последнее время темпы его развития демонстрируют уверенный рост на уровне 6 – 8%.
Фотоника находится среди 6 ключевых технологий для развития инновационной экономики, выделенных Еврокомиссией в 2012 г. От фотоники непосредственно зависят 20 - 30% всей европейской экономики и 10% всех работающих (около 30 млн. рабочих мест). Европейским Сообществом в качестве приоритетного направления исследований развивается технологическая платформа «Фотоника-21». Согласно разработанному проекту программы действий, в 2013 – 2020 гг. в развитие европейской фотоники будет вложено 7 млрд. евро, что позволит создать от 70 до 100 тыс. новых рабочих мест в самой отрасли и 350 – 600 тыс. новых рабочих мест в европейской промышленности в целом.
В США через Агентство передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA) и Национальные программы активно поддерживаются поисковые исследования и разработки в области фотоники. Правительством России в 2012 г. утверждена технологическая платформа “Инновационные лазерные, оптические и оптоэлектронные технологии – фотоника”, задачи которой заключаются в координации усилий, поддержки перспективных разработок, организации подготовки кадров и создании необходимой инфраструктуры. В Китае действует Специальная государственная целевая программа, и объёмы производства лазерно-оптической продукции растут в среднем на 25-30% в год.
В области фотоники новые научно-технические решения, признаваемые прорывными, появляются практически ежегодно. Среди недавних мировых достижений - фотонные кристаллы и метаматериалы, рулонные солнечные батареи и органические светодиоды, пикосекундные лазеры высокой средней мощности, обеспечивающие прецизионную резку любых материалов в режиме абляции, оптический супернакал, позволяющий передавать по единичному оптоволокну до 4 Тб в секунду, технология полировки лазерных зеркал, обеспечивающая остаточную шероховатость на уровне долей ангстрема.
Таким образом, в настоящее время лазерно-оптические и оптоэлектронные технологии, которые принято объединять термином «фотоника», стали одним из локомотивов инновационного развития мировой экономики. Эти технологии являются базовыми для систем связи и телекоммуникаций, записи, хранения и обработки информации, микроэлектроники, в развитых странах они вошли в отраслевые стандарты обработки и диагностики изделий во многих отраслях машиностроения, стали определяющими для разработки информационных систем специального назначения, нарастающими темпами осваиваются в медицине, открывая новые возможности диагностики и лечения, в светотехнике, экологическом мониторинге и др. Сегодня трудно указать область человеческой деятельности, где эти технологии не дали бы мощный эффект – от фундаментальных научных исследований до шоу-бизнеса. Именно с фотоникой связывают сегодня возможность быстрого решения многих стоящих перед человечеством проблем в области здравоохранения, охраны окружающей среды, энергетики, информационного обеспечения, промышленного производства, обеспечения безопасности. В связи с этим развитые государства прилагают активные усилия для ускоренного развития фотоники как области высоких технологий.
В Узбекистане интенсивные исследования в области оптики и лазерной физики были начаты в 70 годах прошлого века (в Институте ионно-плазменных и лазерных технологий АН РУз, объединившем усилия ученых из бывшего Института электроники, отдела Теплофизики и НПО «Академприбор», в Институте ядерной физики АН РУз, Физико-техническом институте АН РУз, Институте материаловедения АН РУз, а также Ташкентском государственном техническом университете, Национальном университете Узбекистана, Самаркандском государственном университете, Бухарском государственном университете). Научные работы наших ученых широко известны в мире, опубликовано много статей и монографий, получено много патентов, на целом ряде предприятий республики были внедрены лазерные установки и технологии.
Среди полученных результатов мирового уровня следует отметить:
обнаружение явлений резонансной самофокусировки, самодефокусировки, самоискривления лазерного излучения;
обнаружение явления самоиндуцированного вращения поляризации лазерного излучения;
обнаружение явления параметрической сверхлюминесценции в резонансных средах;
обнаружение резонансов нового типа при нерезонансном возбуждении атомарных сред;

• 
  впервые достигнуты предельные эффективности генерации второй, третьей и четвертой гармоник (90% во вторую гармонику) и параметрического усиления (70%) мощного лазерного излучения;
  
• 
  впервые развит метод сильного взаимодействия в теории нелинейных волн;
  
• 
  впервые получена генерация высших оптических гармоник сфокусированного излучения в изотропных средах с нормальной дисперсией;
  
• 
  впервые определены нелинейно оптические параметры стекол допированных медью и серебром, тонких пленок допированных наночастицами, фуллереносодержащих материалов, фоторефрактивных кристаллов, растворов наночастиц полупроводников и металлов;
  
• 
  разработано признанное в мире новое направление высокотемпературной спектрорефлектометрии - «метод зондирующей вспышки», позволяющий проводить измерение спектрально-оптических свойств современных материалов с высокой точностью в области высоких температур и в зоне фазовых переходов, где происходит резкое изменение индикатрисы отражения исследуемой поверхности;
  
• 
  впервые получены экспериментальные данные по спектрально-оптическим свойствам ряда широко используемых в современных отраслях промышленности прогрессивных материалов в области высоких температур, в жидкой фазе и в зоне плавления;
  
• 
  впервые экспериментально обнаружена вспышка поглощения лазерного излучения при лазерном нагреве сублимирующих тугоплавких материалов;
  
• 
  впервые обнаружено явление пороговой конденсации паров высокотемпературных материалов в условиях свободного охлаждения и выявлена зависимость температуры конденсации от режимов лазерного нагрева;
  
• 
  впервые обнаружено явление многоступенчатой конденсации паров высокотемпературных материалов в режиме свободного охлаждения.
  

Полученные результаты в области фундаментальных исследований были положены в основу разработки уникальных мощных многоканальных широкоапертурных плавно перестраиваемых лазерных систем, разработки и создания перестраиваемых ИК лазеров в диапазоне 2 ÷25 мкм. Разработаны новые технологические методы и создана лазерная аппаратура для прошивки отверстий в режиме эрозийного плазмообразования. Получено повышение скорости резки стали с помощью лазерного излучения до 30% и повышение микротвердости поверхности металлов в ~ 4 раза на основе использования технологии лазерной закалки. По заказу Чирчикского «УзКТЖМ» была спроектирована и изготовлена промышленная лазерная установка для изготовления алмазных фильер, применяемых в технологии производства проволоки толщиной от 50 до 500 мкм из меди, бронзы, вольфрама и других металлов. Разработаны и установлены лазерные маркеры на Ташкентском инструментальном и кабельном заводах. Разработаны лазерные медицинские приборы для лечения различных заболеваний и успешно внедрены в медицинских учреждениях Узбекистана. Изготовлены лазерные установки для сварки зубных протезов. Разработано устройство и технология получения ИК отражающих покрытий с высоким коэффициентом отражения и высокой прочность и устойчивостью. Полученные экспериментальные данные по спектрально - оптическим свойствам прогрессивных высокотемпературных материалов в расплавленном состоянии были использованы при оценках обеспечения безопасной эксплуатации атомных реакторов в Европе. Разработана оригинальная научно-обоснованная технология получения наноразмерных порошков монофракционного состава с использованием мощного непрерывного лазерного излучения и на солнечной печи.
Исследования в области фотоники, проводимые в Узбекистане, вызывают неизменный интерес зарубежных ученых. Подтверждением тому служат многочисленные приглашения к участию в совместных проектах и конференциях. Научное сотрудничество установлено с Государственными университетами России, Украины, Белоруссии и Литвы, с Физическим институтом РАН, Институтом трансурановых элементов Объединенного Научного Центра Европейского Сообщества (Германия), НИИ “Полюс”, Институтом атомной энергии им. Курчатова РАН (Россия), Центром лазерных технологий Казахстана. Ученые Узбекистана поддерживают тесные научные связи с коллегами из Германии, Франции, Австралии, США, Индии, Малайзии, Японии.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение понятию фотоника?
2. Что изучает оптоэлектроника?
3. Что изучает электроника?
5. В каком академическом институте занимаются исследованиями в области фотоники?
6. С какой максимальной скоростью можно передавать информацию по современному единичному оптоволокну?
7. Назовите недавние достижения в области фотоники?
8. Какая точность полировки современных зеркал?