Co to jest fotonika? – Polski wkład w świat fotoniki
Fotonika to elektronika XXI wieku? Ile jest w tym prawdy i jaki jest Polski wkład w świat fotoniki? Fotonika to rozległa dziedzina nauki, w której obszarze leży m.in. opracowywanie technik gromadzenia i przetwarzania obrazu, konstruowanie urządzeń pomiarowych wykorzystujących promieniowanie elektromagnetyczne oraz opracowanie technik gromadzenia informacji z wykorzystaniem promieniowania elektromagnetycznego. Jeśli temat fotoniki jest dla Ciebie interesujący, zapraszamy do zapoznania się z artykułem.
- Co to jest fotonika? Definicja i zasady fotoniki
- Zastosowanie fotoniki
- Polski inżynier fotoniki – ogromny potencjał i perspektywa rozwoju nauki o fotonice
- Wkład Polski w rozwój nauki o fotonice
- Kim jest inżynier fotoniki? – dalsze perspektywy rozwoju
- Najlepsze ośrodki akademickie w Polsce, gdzie można studiować fotonikę
- Fotonika w Polsce – w którym miejscu jesteśmy?
- Badania fotoniczne w Polsce
- Czym są zintegrowane układy fotoniczne?
- Co to jest optoelektronika i gdzie znajduje zastosowanie?
- Postęp w optoelektronice
- Praca w optoelektronice
Co to jest fotonika? Definicja i zasady fotoniki
Fotonika według definicji, jest to inaczej fizyka zajmująca się światłem. To nauka, która zajmuje się generowaniem, wykrywaniem i manipulowaniem fali elektromagnetycznej o długościach w zakresie widzialnym przez człowieka i poza nim. Fotonika jest interdyscyplinarną dziedziną nauki, która łączy dokonania optyki, elektroniki oraz informatyki. Jest w pewnym aspekcie rozwinięciem elektroniki z zastosowaniem fotonów zamiast elektronów. Fotonika zajmuje się wszystkim co jest związane z fotonami oraz manipulacją światłem.
Definicja fotoniki
Definicja fotoniki którą także możemy przytoczyć to: Fotonika to dziedzina nauki i technologii, która zajmuje się badaniem i wykorzystaniem fali świetlnej (fotonów) do przesyłania i przetwarzania informacji oraz kontrolowania różnych procesów fizycznych. Fotonika jest interdyscyplinarną dziedziną nauki, która łączy w sobie elementy fizyki, elektroniki, inżynierii, matematyki oraz informatyki.
W ramach fotoniki badane są różne aspekty związane z falą świetlną, takie jak jej właściwości, oddziaływanie z materiałami, zjawiska optyczne oraz sposoby wykorzystania tych zjawisk do stworzenia zaawansowanych technologii.
Fotonika ma ogromny potencjał dla rozwoju nowoczesnych technologii i znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach życia, takich jak przemysł, medycyna, telekomunikacja, czy nauka.
Zasady fotoniki - dualizm cząsteczkowo - falowy
A więc krótko o zasadach fotoniki. Światło posiada dwoistą naturę znaną również jako dualizm cząsteczkowo – falowy lub korpuskularno-falowy. Co to oznacza? Światło ma cechy, zarówno ciągłej fali elektromagnetycznej, jak i cząstki (fotonu). Rodzaj działającej natury światła zależy od rodzaju obserwowanej interakcji. Np.: światło, które załamuje się na soczewce lub ugina się na krawędzi otworu wykazuje swoją falową naturę. Światło wytwarzane lub pochłaniane przez urządzenia półprzewodnikowe takie jak np.: dioda laserowa wykazuje cząsteczkową naturę światła.
Zastosowania fotoniki
Czym się zajmuje fotonika? - dziedziny fotoniki
- Technologie laserowe
- Światłowody i falowody
- Detektory optyczne, systemy fotowoltaiczne, kamery
- Komputery kwantowe
- Optyka
- Opto-mechanika
- Układy oświetlające
- Mikroskopia
- Wyświetlacze (np.: OLED, QLED)
- Źródła światła (np.: LED)
- Oraz spektroskopia i spektrometria
Fotonika znajduje szerokie zastosowanie w następujących obszarach:
- Informatyce i telekomunikacji – krzem fotoniczny znajduje zastosowanie nie tylko w sieciach telekomunikacyjnych, ale również komputerach optycznych i systemach działających na podczerwień czy aparatach fotograficznych, oraz fotoniczne układy scalone wykorzystywane w sieciach telekomunikacyjnych i komputerach kwantowych
- Przemyśle – laserowe cięcie, wiercenie lub grawerowanie z dużo większą precyzją i dokładnością
- Medycynie – diagnostyka, terapia, obrazowanie zmian zachodzących w ciele ludzkim
- Branży fotowoltaicznej – bardziej wydajne ogniwa słoneczne
- Motoryzacji i robotyce – fotoniczne chipy dla motoryzacji
- Rolnictwie i leśnictwie – techniki fotoniczne wykorzystywane m.in. do obserwacji i rozpoznawania stanu roślin i zwierząt
- Kosmetologii – laser do zastosowań trychologicznych – innowacyjne urządzenie przeznaczone do wzmacniania oraz przyśpieszania czasu wykonywanych zabiegów pielęgnujących włosy
Fotonika jest również wykorzystywana w lotnictwie i obronności, budownictwie a także przemyśle wydobywczym.
Polski inżynier fotoniki – ogromny potencjał i perspektywa rozwoju nauki o fotonice
Co więcej? Fotonika to również technologia fotowoltaiczna, czyli bardziej wydajne ogniwa słoneczne, które pozwalają na redukcję zużycia energii. To dziedzina, która otwiera również ogromne szanse rozwoju przed innymi branżami takimi jak: lotnictwo, obronność, robotyka, motoryzacja, budownictwo, przemysł wydobywczy, kosmiczny oraz nowoczesne rolnictwo, leśnictwo i kosmetologia.
Czy wiesz, że Polska ma istotny wkład w rozwój fotoniki na świecie?
Pierwsza w Polsce linia światłowodowa powstała w Lublinie. Za twórców polskiej fotoniki światłowodowej uchodzi zespół badawczy Pracowni Technologii Światłowodów Uniwersytetu Marii Curie Skłodowskiej. To właśnie tu w 1979 roku powstała pierwsza w Polsce światłowodowa linia telekomunikacyjna. Ogromny sukces lubelskich naukowców zapoczątkował niezwykle szybki rozwój technologii światłowodowej w całej Polsce. Dzisiaj z ich doświadczeń korzysta wiele placówek badawczych, zarówno w kraju, jak i za granicą. W Lublinie prężnie działa kilka firm w obszarze fotoniki. Jedną z nich jest SDS Optic. Ich produktem są czujniki światłowodowe do diagnostyki nowotworów piersi.
Podwaliny do skonstruowania lasera dał Albert Einstein, który sformułował teorię wymuszonej emisji promieniowania. Zjawisko to najpierw udało się zaobserwować w źródłach mikrofalowych, które to stały się inspiracją do zbudowania lasera. Sam akronim LASER pochodzi od angielskiego Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation, czyli wzmacnianie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Powszechnie przyjmuje się, że pierwszy laser skonstruował Theodore Maiman z the Hughes Research Laboratory w Kaliforni a jego wynalazek po raz pierwszy zadziałał dn. 16 maja 1960 r. Był to laser zbudowany z wykorzystaniem kryształu rubinu. Pierwszy polski laser został uruchomiony już 20 sierpnia 1963 r. w Wojskowej Akademii Technicznej (WAT), na Wydziale Elektroradiotechnicznym, w Katedrze Podstaw Radiotechniki kierowanej przez mjr. dr. inż. Zbigniewa Puzewicza.
Mikrofuzja laserowa
Inną ciekawą postacią, o której warto wiedzieć jest postać gen. Sylwestra Kaliskiego. Profesora nauk ścisłych oraz komendanta-rektora WAT, który w połowie XX w. pracował nad zjawiskiem mikrofuzji laserowej. Technologia mikrofuzji laserowej jest bardzo obiecującym źródłem czystej energii termicznej i elektrycznej, chociaż dziś bardziej prawdopodobne jest zbudowanie nowego typu elektrowni w oparciu o fuzję przeprowadzaną w zewnętrznym polu magnetycznym w urządzeniach o nazwie tokamaki.
Metoda Czochralskiego – proces otrzymywania monokryształów
Polakiem, który miał chyba największy wpływ na fotonikę na świecie jest prof. Jan Czochralski. Ten urodzony 23 października 1885 w Kcyni specjalista w zakresie materiałoznawstwa i chemii opracował metodę hodowli kryształów. Do dziś jest ona powszechnie nazywana jego nazwiskiem. Metoda Czochralskiego pozwala na wyciąganie (jak się nazywa proces produkcji kryształów) kryształów stosowanych zarówno w elektronice jak i w fotonice. Do dziś wszystkie procesory i ośrodki aktywne, czyli “serca”, tzw. laserów na ciele stałym są produkowane właśnie tą metodą.
Polscy fotonicy to nie tylko historia. Współczesne pokolenia naukowców opracowują bardzo innowacyjne rozwiązania w tym obszarze. Trzeba wiedzieć np., że detektory podczerwieni produkowane przez polską firmę Vigo Photonics są rutynowo wykorzystywane w misjach kosmicznych NASA. Zaś dr hab. inż. Ryszard Piramidowicz, prof. PW, to światowy autorytet w zakresie fotoniki zintegrowanej.
Kim jest inżynier fotoniki? – dalsze perspektywy rozwoju
Jak już wyżej wspomnieliśmy fotonika jest nauką o świetle. opracowywanie innowacyjnych produktów dla medycyny, telekomunikacji, IT, produkcji oraz budownictwa. Inżynierowie, którzy zajmują się fotoniką są odpowiedzialni za znaczące odkrycia naukowe od światła, które może ciąć plastik po ultra precyzyjne lasery wykorzystywane w delikatnych operacjach oka.
Inżynier fotoniki to ktoś, kto tworzy i ulepsza systemy oraz produkty wykorzystujące fotonikę – lasery, optykę, światłowody i obrazowanie. Sprawdzają oni wydajność, poprzez testowanie, czy system działa prawidłowo. Zajmują się również kształtowaniem nowoczesnej technologii opracowując eksperymentalne produkty, które finalnie zostaną udoskonalone do codziennego użytku w tym m.in. ogniwa słoneczne dla elektroniki produkcyjnej. Jednak to nie wszystko! Inżynierowie zajmujący się fotoniką tworzą również prototypy, aby określić czy ich pomysły są wiarygodne.
Perspektywy rozwoju inżyniera fotoniki
- Pracując w branży produkcyjnej tworzą łatwiejsze i mniej czasochłonne sposoby wytwarzania produktów lub systemy oceny ich jakości, np.: systemy wizyjne, często wykorzystujące sztuczną inteligencję. Mogą również projektować materiały optyczne, dzięki którym fabryka będzie bardziej energooszczędna.
- W firmie, która produkuje elektronikę inżynierowie zajmujący się fotoniką określają : efektywność energetyczną telewizorów lub jakość matryc emiterów, poprzez testowanie kryształów.
- W wojsku lasery są używane do nawigacji, dostarczania informacji o zasięgu dla broni i celu rakietowych, do strącania dronów i badania substancji niebezpiecznych.
- W medycynie lasery są stosowane w wielu procedurach diagnostycznych oraz leczniczych, a także do wykonywania delikatnych operacji na oku bądź innych częściach ciała. Np.: lasery femtosekundowe wykorzystuje się do nacinania rogówki w operacjach zaćmy.
Ważne! Bardzo wiele czasu poświęca się na badanie nowych rozwiązań w tej szybko rozwijającej się dziedzinie. Inżynierowie fotoniki muszą być na bieżąco z odkryciami oraz badaniami innych inżynierów, dlatego często uczestniczą w konferencjach ze specjalistami z innych sektorów, aby podzielić się wiedzą i dowiedzieć się o zmianach zachodzących w świecie fotoniki.
Przed absolwentami fotoniki otwierają się dwie ścieżki kariery zawodowej. Mogą pracować w sektorze komercyjnym w firmach technologicznych. Lub też mogą kontynuować ścieżkę pracy naukowej, zarówno w krajowych, jak i zagranicznych ośrodkach naukowych. Czas pracy w Polsce to typowy 40-godzinny tydzień pracy, aczkolwiek konieczne są czasami nadgodziny w przypadku, gdy trzeba dotrzymać terminów projektów badawczych. Zdarza się również, że w przypadku realizacji prac w instytucjach badawczych z wykorzystaniem skomplikowanej i rzadkiej infrastruktury konieczne jest zrealizowanie eksperymentu w ograniczonym oknie czasowym. To wymaga zaangażowania, a czasem i poświęcenia. Często też konieczne są podróże zagraniczne, gdyż niejednokrotnie prace są realizowane przez zespoły międzynarodowe. Językiem inżynierów fotoniki jest najczęściej język angielski. Fotonika to typowa dziedzina tzw. głębokich czy zaawansowanych technologii (deep-tech). Dlatego, wielu inżynierów decyduje się na kontynuację nauki na studiach doktoranckich.
Najlepsze ośrodki akademickie w Polsce, gdzie można studiować fotonikę?
- Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki
- Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki
- Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów
- Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Wydział Fizyki
- Uniwersytet im. Marii Curie Skłodowskiej w Lublinie – szczególnie w zakresie technologii światłowodowych
W zależności od wybranego ośrodka akademickiego zajęcia na fotonice są pogrupowane w sześciu blokach tematycznych: fizycznym, matematycznym i informatycznym, technicznym, kierunkowym i pozostałe.
Fotonika w Polsce - w którym miejscu jesteśmy?
Realizacja celu jakim jest rozwój technologii światłowodowej oraz fotoniki w Polsce stała się podstawą do stworzenia Klastra Fotoniki i Światłowodów – Polskie Centrum Fotoniki i Światłowodów oraz osiągnięcia przez Polskę przewagi konkurencyjnej w zakresie nowoczesnych technologii przyszłości. Przeprowadzono analizy dotyczące rynków od kierunku rozwoju branży lotniczej, nowoczesnych metod zarządzania oraz wskazano na coraz większe zapotrzebowanie na technologie organiczne, w tym światłowodowe.
Zapotrzebowanie na oprogramowanie umożliwiające projektowanie elementów, układów i przyrządów optycznych i optomechanicznych jest w Polsce ogromne. Co więcej? Zainteresowanie tego typu oprogramowaniem w naszej części Europy rośnie w bardzo szybkim tempie. To z kolei przekłada się na szybko rosnącą liczbę zamówień, wskazującą jednoznacznie na rosnący popyt w tym zakresie.
Według badań rynku przeprowadzonych pośrednio na podstawie analizy raportów i bezpośrednio podczas rozmów z przedsiębiorcami oraz na podstawie doniesień artykułów popularno-naukowych i relacji w mediach można wnioskować, że bardzo ważną potrzebą jest świadczenie usług w zakresie transferu technologii i badań w dziedzinie fotoniki, z jednostek badawczych do przemysłu. Należy do nich również opracowywanie procedur badawczych, wdrażanie nowych rozwiązań a także dostosowanie badań aplikacyjnych do wzrastającego popytu na technologie fotoniczne.
Co roku przybywa w naszym kraju nowych firm wykorzystujących potencjał technologii w tym obszarze. Wpływ na rosnącą pozycję w przemyśle obronnym mają różnego rodzaju urządzenia obserwacyjne, rozpoznania i systemy celownicze. Jednak rośnie również skala wykorzystania urządzeń optoelektronicznych poza wojskiem. Można zaobserwować np. renesans cywilnych urządzeń optoelektronicznych w urządzeniach takich jak smartfony. Ponadto, fotonika na coraz większą skalę jest wykorzystywana w systemach łączności i w systemach wytwarzania oraz obróbki materiałów.
Jednak mimo dobrych perspektyw rozwoju wciąż istnieje w Polsce wiele barier związanych z wdrażaniem nowoczesnych rozwiązań. Brakuje dużych polskich firm, które stymulowałyby rozwój nowoczesnej technologii w kraju. Brakuje również integratorów systemów na średnim poziomie oraz wytwórców wysoko zintegrowanej optoelektroniki np. scalonych układów optoelektronicznych, które mogą być podstawą przyszłych urządzeń optoelektronicznych.
Badania fotoniczne w Polsce
Mimo, iż prowadzone są w kraju badania nad takimi urządzeniami, wciąż brakuje ośrodków naukowo-przemysłowych, który byłby w stanie wykorzystać wyniki badań i efekty polskich producentów średniej wielkości. By odpowiedzieć na tę potrzebę, w ostatnich latach podjęto inicjatywy zbudowania kilku nowych centrów badawczo-rozwojowych ukierunkowanych na współpracę z przemysłem. Są to:
- CEZAMAT – Centrum Zaawansowanych Materiałów Politechniki Warszawskiej
CEZAMAT to centrum z wyjątkową bazą czystych laboratoriów ukierunkowane na rozwój nowych materiałów dla fotoniki i elektroniki. Posiada także niezbędne zaplecze biurowe i świetne wsparcie administracyjne. - ENSEMBLE3 – Center of Excellence
ENSEMBLE3 to centrum powstałe jako wspólna inicjatywa Uniwersytetu Warszawskiego oraz ITME (Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych). W opracowaniu strategii dla powstania tego centrum uczestniczył nasz Prezes, Krzysztof Jakubczak - CENTERA – Centrum Badań i Zastosowań Terahercowych
To centrum, które koncentruje się na technologiach pracujących w zakresie teraherców.
Czym są zintegrowane układy fotoniczne?
Zintegrowane układy fotoniczne lub innymi słowy scalone, układy fotoniczne to nic innego, jak bezpośredni odpowiednik elektronicznych układów scalonych, które znamy od wielu lat. Kluczową różnicą na poziomie koncepcyjnym jest fakt, że w elektronice scalonej nośnikiem informacji i energii jest elektron. W fotonice, jest nim zaś foton – cząstka reprezentująca kwant (porcję) energii świetlnej.
Scalony układ optyczny może znaleźć wiele różnych zastosowań, co zwiększa jego dostępność, zmniejsza koszty oraz skraca czas poświęcony na badania i rozwój. Za pomocą tego samego układu można wykonać operacje matematyczne, wdrożyć sztuczną inteligencję oraz systemy przetwarzania maszynowego, sieci czujników na chipie, systemy obrazowania a także manipulować stanami kwantowymi światła.
Warto zwrócić jednak uwagę na różnice pomiędzy elektroniką a fotoniką zintegrowaną:
- Szybkość działania Układy fotoniczne działają o wiele szybciej, co tworzy nadzieję na znacznie większe moce obliczeniowe przyszłych, kwantowych komputerów.
- Energooszczędność Układy fotoniczne mają potencjał do zużywania znacznie mniejszej ilości energii
- Bezpieczeństwo W zasadzie niemożliwe jest “podsłuchiwanie” układów fotonicznych jak to rutynowo dzieje się w układach elektronicznych. Potencjalny intruz jest wykrywany natychmiast. Więcej, w przypadku np.: próby przechwycenia informacji w sieci światłowodowej natychmiast wiadomo także, gdzie fizycznie próbowano dokonać włamania do sieci.
Zintegrowana fotonika kwantowa wykorzystuje klasyczne zintegrowane technologie organiczne, nieorganiczne i urządzenia do zastosowań kwantowych. Należy jednak zaznaczyć, iż integracja na poziomie chipów ma kluczowe znaczenie dla zwiększenia skali i przełożenia demonstracyjnych prototypów z laboratoriów na rzeczywiste technologie. Wysiłki w dziedzinie zintegrowanej fotoniki kwantowej są zakrojone na szeroką skalę i obejmują rozwój kwantowych obwodów, które mogą być zintegrowane monolityczne, hybrydowo lub heterogenicznie.
Według naukowców istnieje pilna potrzeba realizacji dużych inwestycji, aby móc wyszkolić kolejne pokolenie inżynierów tego sektora. Przewidywane jest rosnące zapotrzebowanie na naukowców i inżynierów posiadających bogatą wiedzę, zarówno z zakresu mechaniki kwantowej, jak i zastosowań technologicznych. Inwestycja w edukację kolejnego pokolenia z pewnością przyczyni się do przesuwania granic naukowych i technologicznych.
Co to jest optoelektronika i gdzie znajduje zastosowanie?
Optoelektronika zajmuje się techniką systemów i przyrządów, które emitują, modelują i transmitują lub wykrywają światło włącznie ze współpracującą z nimi elektroniką. Ponadto, zajmuje się również konstrukcją i zastosowaniem wszelkiego rodzaju urządzeń i aparatów do emisji i detekcji światła. To dziedzina techniki wykorzystująca właściwości światła w celu przetwarzania informacji.
Dzięki optoelektronice możliwe jest pozyskiwanie, gromadzenie, przesyłanie, przetwarzanie oraz prezentacja informacji przy użyciu różnych elementów takich jak m.in. detektory fotoelektryczne, laserowe czynniki CD, porty podczerwieni Irda, wyświetlacze LCD czy wyświetlacze plazmowe. Innymi słowy: optoelektronika to połączenie optyki i elektroniki.
Istnieją różne rodzaje optoelektroniki:
- optoelektronika światłowodowa,
- optoelektronika obrazowa,
- optoelektronika fotowoltaiczna,
- optoelektronika informatyczna,
- optoelektronika laserowa.
Ma ona szereg różnych zastosowań w wielu dziedzinach takich jak np. chemia, fizyka czy elektronika. Optoelektronika wykorzystywana jest w telekomunikacji światłowodowej oraz w automatyce i robotyce. Dzięki niej możliwe jest stworzenie sieci komputerowych odpornych na zakłócenia. Pozwala również na magazynowanie danych na płytach CD bądź DVD. Z powodzeniem wykorzystywana jest również w fotowoltaice, która zajmuje się przetwarzaniem światła słonecznego na energię elektryczną.
Postęp w optoelektronice
Oferty pracy w optoelektronice
Branże, gdzie absolwenci optoelektroniki mogą liczyć na zatrudnienie:
- Przedsiębiorstwach i jednostkach badawczych, które realizują przedsięwzięcia związane z projektowaniem, budową i użytkowaniem elementów urządzeń satelitarnych bądź laserów
- Instytutach badawczo-rozwojowych
- Uczelniach publicznych i prywatnych kształcących specjalistów w zakresie technologii kosmicznych i satelitarnych
- Instytucjach resortu obrony narodowej
- Jednostkach służby zdrowia w zakresie obsługi i serwisu laserowych urządzeń medycznych
- Firmach eksploatujących zaawansowane techniczne środki transportu
- Firmach zajmujących się składowaniem i likwidacją substancji niebezpiecznych
- Jednostkach obrony terytorialnej w zakresie obsługi i serwisu systemów bezpieczeństwa
Zaciekawił Cię temat fotoniki? Sprawdź także nasze usługi produkcji kontraktowej elektroniki!
Proponowane artykuły powiązane z tematem fotoniki:
Popularne artykuły na naszym blogu:
Freddie
12 grudnia 2022Great article and unique pictures. I like cross-sections of knowledge, such as here about photonics. I look forward to reading much more from you. This is a really great website.
RS
15 sierpnia 2023No proszę, w końcu jakiś artykuł o polskich sukcesach w temacie fotoniki! Fotonika jest mega ważna i warto, żebyśmy byli na jej czele. Cieszę się, że autorzy podkreślili rolę Polski w badaniach nad fotoniką. Czekam jeszcze na bardziej osobiste podejście do tematu 😉 np:. Może jakieś wywiady z naukowcami, którzy nad tym pracują? To by mogło urozmaicić treść i pokazać, że to nie tylko o teorii, ale też o ludziach, którzy dla tego pracują.
RomKA
18 września 2023Doskonały przykład edukacyjnego i inspirującego tekstu o fotonice. Artykuł zachęca do zgłębiania wiedzy na ten temat i może być inspiracją dla młodych osób zainteresowanych fotoniką. Trzymać tak dalej 😉