Cos’è la fotonica? – Il contributo polacco all’universo della fotonica
La fotonica è l’elettronica del XXI secolo. È davvero così? Qual è il contributo della Polonia al mondo della fotonica?
La fotonica è un campo scientifico molto ampio, che comprende lo sviluppo di tecniche di acquisizione e elaborazione delle immagini, la costruzione di dispositivi di misura che utilizzano la radiazione elettromagnetica e lo sviluppo di tecniche di elaborazione delle immagini. Se sei interessato al tema della fotonica – Cominciamo!
In this article you will learn:
- What is photonics? Definition and principles of photonics
- Application of photonics
- Polish photonics engineer – huge potential and development prospects for the science of photonics
- Polish contribution to the development of the science of photonics
- What to do after photonics graduation? Who is a photonics engineer?
- The best academic centers in Poland where you can study photonics
- Photonics in Poland – where are we?
- Photonic research in Poland
- Integrated photonic systems – what are they?
- What is optoelectronics and where is it used?
- Progress in optoelectronics
- The best job offers only in optoelectronics
Cos’è la fotonica? Definizione e principi della fotonica
Cos’è la fotonica? Per definizione, è una branca della fisica che si occupa della luce e delle onde luminose. È una scienza che si occupa della generazione, rilevamento e manipolazione delle onde elettromagnetiche con lunghezze d’onda nel campo visibile alla luce umana e oltre. La fotonica è un campo interdisciplinare della scienza che combina i risultati dell’ottica, dell’elettronica e dell’informatica. In un certo senso è l’evoluzione dell’elettronica, che utilizza fotoni invece di elettroni. Si occupa di tutto ciò che riguarda i fotoni e la manipolazione della luce.
Definizione di fotonica
La definizione di fotonica che possiamo citare è: la fotonica è un campo della scienza e della tecnologia che si occupa dello studio e dell’uso delle onde luminose (fotoni) per trasmettere e processare informazioni e controllare vari processi fisici. La fotonica è un campo interdisciplinare che combina elementi di fisica, elettronica, ingegneria, matematica e informatica.
La fotonica indaga vari aspetti legati all’onda luminosa, come le sue proprietà, l’interazione con i materiali, i fenomeni ottici e come questi fenomeni possono essere utilizzati per creare tecnologie avanzate.
La fotonica ha un grande potenziale per lo sviluppo delle tecnologie moderne ed è impiegata in molti ambiti della vita, come l’industria, la medicina, le telecomunicazioni e la scienza.
Principi della fotonica – dualità onda-particella
Principi della fotonica in poche parole
La luce ha una natura duale, nota anche come dualità onda-particella. Cosa significa? La luce ha la natura sia di un’onda elettromagnetica continua sia di una particella (fotone). Il tipo di comportamento della luce dipende dal tipo di interazione osservata. Ad esempio, la luce che viene rifratta attraverso una lente o diffratta al bordo di un foro manifesta la natura ondulatoria. La luce prodotta o assorbita da dispositivi a semiconduttore come un diodo laser manifesta la natura particellare della luce.
Applicazioni della fotonica
Cosa fa la fotonica? – il campo della fotonica
Tecnologie laser
Fibre ottiche e guide d’onda
Rivelatori ottici, sistemi fotovoltaici, fotocamere
Computer quantistici
Ottica
Optomeccanica
Sistemi di illuminazione
Microscopia
Display (es. OLED, QLED)
Sorgenti luminose (es. LED)
Spettroscopia e spettrometria
Elenco delle applicazioni della fotonica nei settori industriali:
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IT e telecomunicazioni – il silicio fotonico è utilizzato non solo nelle reti di telecomunicazione, ma anche nei computer ottici e nei sistemi o telecamere a infrarossi, e nei circuiti integrati fotonici impiegati nelle reti di telecomunicazione e nei computer quantistici
Industria – taglio laser, foratura o incisione con precisione e accuratezza molto maggiori
Medicina – diagnostica, terapia, imaging delle modifiche che avvengono nel corpo umano
Industria fotovoltaica – celle solari più efficienti
Automotive e robotica – chip fotonici per l’industria automobilistica
Agricoltura e silvicoltura – tecniche fotoniche utilizzate ad es. per osservare e riconoscere lo stato di piante e animali
Cosmetologia – laser fotonico – un dispositivo innovativo progettato per rafforzare e velocizzare i trattamenti di cura dei capelli
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La fotonica è utilizzata anche nell’aviazione e nella difesa, nelle costruzioni e nell’industria mineraria.
Ingegnere polacco della fotonica – enorme potenziale e prospettive di sviluppo per la scienza della fotonica
La fotonica sta diventando una tecnologia chiave per l’acquisizione, l’elaborazione e la trasmissione delle informazioni. È interessante notare che oggi la sua applicazione è molto ampia e ha la possibilità di diventare una leva di sviluppo per molti altri settori industriali. Si tratta di un campo con grande potenziale e prospettive di sviluppo scientifico. La fotonica è stata utilizzata con successo nelle tecnologie dell’informazione e nelle telecomunicazioni. Nell’industria, ad esempio, il taglio laser, la foratura o l’incisione vengono eseguiti con precisione e accuratezza molto maggiori. A sua volta, in medicina, la risonanza magnetica, la tomografia o altri esami che consentono un accesso meno invasivo al corpo umano sono il risultato di un rapido progresso tecnologico. Gli strumenti chirurgici moderni come le sonde in fibra ottica rappresentano una grande opportunità per una svolta nella lotta contro il cancro.
E non solo. La fotonica è anche tecnologia fotovoltaica, cioè celle solari più efficienti che permettono di ridurre i consumi energetici. È un campo che apre grandi opportunità di sviluppo anche per altre industrie come: aviazione, difesa, robotica, automotive, costruzioni, estrazione mineraria, spazio, agricoltura moderna, silvicoltura e cosmetologia.
Contributo polacco allo sviluppo della scienza della fotonica
La prima linea in fibra ottica per telecomunicazioni in Polonia è stata costruita a Lublino. Il team di ricerca del Laboratorio di Tecnologia della Fibra Ottica dell’Università Maria Curie-Skłodowska è considerato il creatore della fotonica in fibra ottica polacca. È stato qui, nel 1979, che è stata costruita la prima linea di telecomunicazione in fibra ottica in Polonia. Il grande successo degli scienziati di Lublino ha dato inizio a uno sviluppo estremamente rapido della tecnologia a fibra ottica in tutta la Polonia. Oggi molte istituzioni di ricerca, sia in Polonia che all’estero, utilizzano la loro esperienza. Numerose aziende nel campo della fotonica prosperano a Lublino. Una di queste è SDS Optic. I loro prodotti sono sensori in fibra ottica per la diagnosi del cancro al seno.
Microfusione laser
Un’altra figura interessante da conoscere è il Generale Sylwester Kaliski. Professore di scienze esatte e comandante-rettore dell’Università Militare di Tecnologia, che a metà del XX secolo ha lavorato sul fenomeno della microfusione laser. La tecnologia della microfusione è una fonte molto promettente di energia termica ed elettrica pulita, anche se oggi è più probabile costruire un nuovo tipo di centrale basata sulla fusione condotta in un campo magnetico esterno in dispositivi chiamati tokamak.
Il metodo Czochralski consente l’estrazione dei cristalli
Il polacco che probabilmente ha avuto la maggiore influenza sulla fotonica nel mondo è il prof. Jan Czochralski. Questo specialista in scienza dei materiali e chimica, nato il 23 ottobre 1885 a Kcynia, ha sviluppato un metodo per la crescita dei cristalli. Ancora oggi questo metodo porta il suo nome. Il metodo Czochralski consente l’estrazione (così si chiama il processo di produzione dei cristalli) di cristalli utilizzati sia nell’elettronica che nella fotonica. Ancora oggi, tutti i processori e i mezzi attivi, cioè i “cuori”, dei cosiddetti laser a stato solido sono prodotti con questo metodo.
La fotonica polacca non è solo storia. Le generazioni moderne di scienziati stanno sviluppando soluzioni molto innovative in questo campo. È importante sapere, ad esempio, che i rilevatori a infrarossi prodotti dall’azienda polacca Vigo Photonics sono utilizzati regolarmente nelle missioni spaziali della NASA. E Ryszard Piramidowicz, DSc., professore al Politecnico di Varsavia, è un’autorità mondiale nel campo della fotonica integrata.
Cosa fare dopo la laurea in fotonica? Chi è un ingegnere della fotonica?
Come detto sopra, la fotonica è la scienza che studia la luce. Alcuni degli obiettivi che gli specialisti di questo settore si pongono frequentemente sono lo sviluppo di prodotti innovativi per la medicina, le telecomunicazioni, l’IT, la produzione e le costruzioni. Gli ingegneri della fotonica sono responsabili di importanti scoperte scientifiche, dalla luce capace di tagliare la plastica ai laser ultra-precisi utilizzati in delicate operazioni agli occhi.
Un ingegnere della fotonica è una persona che crea e migliora sistemi e prodotti che utilizzano la fotonica – laser, ottiche, fibre ottiche e sistemi di imaging. Verificano le prestazioni testando se il sistema funziona correttamente. Inoltre, plasmano la tecnologia moderna sviluppando prodotti sperimentali che saranno infine perfezionati per l’uso quotidiano, inclusi ad esempio celle solari o soluzioni per la produzione di elettronica. Ma non è tutto! Gli ingegneri della fotonica creano anche prototipi per stabilire se le loro idee sono plausibili.
- Lavorando nell’industria manifatturiera, creano metodi più semplici e veloci per produrre prodotti o sistemi per valutarne la qualità, ad esempio sistemi di visione, spesso utilizzando l’intelligenza artificiale. Possono anche progettare materiali ottici per rendere la fabbrica più efficiente dal punto di vista energetico.
* In un’azienda che produce elettronica, gli ingegneri della fotonica determinano, per esempio, l’efficienza energetica dei televisori o la qualità delle matrici di emettitori testando i cristalli.
* Nell’ambito militare, i laser sono usati per la navigazione, per fornire informazioni sulla distanza per armi e bersagli di missili, per abbattere droni e per studiare sostanze pericolose.
* In medicina, i laser sono impiegati in molte procedure diagnostiche e terapeutiche, oltre che per eseguire operazioni delicate sull’occhio o altre parti del corpo. Ad esempio, i laser a femtosecondi sono usati per incidere la cornea nella chirurgia della cataratta.
**Importante! Molto tempo viene dedicato alla ricerca di nuove soluzioni in questo campo in rapido sviluppo. Gli ingegneri della fotonica devono mantenersi aggiornati sulle scoperte e ricerche di altri ingegneri, motivo per cui partecipano spesso a conferenze con specialisti di altri settori per condividere conoscenze e apprendere i cambiamenti che avvengono nel mondo della fotonica.**
Per i laureati in fotonica sono aperte due strade professionali. Possono lavorare nel settore commerciale in aziende tecnologiche oppure proseguire nel percorso della ricerca scientifica, sia in centri di ricerca nazionali che internazionali. L’orario di lavoro in Polonia è tipicamente di 40 ore settimanali, anche se a volte sono necessari straordinari per rispettare le scadenze dei progetti di ricerca. Può accadere che, nel caso di lavori in istituti di ricerca con infrastrutture complesse e limitate, sia necessario svolgere l’esperimento in una finestra temporale ristretta. Serve impegno e talvolta dedizione. Spesso è anche necessario viaggiare all’estero, poiché il lavoro viene svolto frequentemente da team internazionali. La lingua degli ingegneri della fotonica è più spesso l’inglese. La fotonica è un tipico settore delle cosiddette tecnologie profonde o avanzate (deep-tech). Per questo motivo molti ingegneri scelgono di proseguire gli studi con un dottorato di ricerca (PhD).
I migliori centri accademici in Polonia dove è possibile studiare fotonica
- Warsaw University of Technology, Facoltà di Fisica
* Military University of Technology, Istituto di Optoelettronica
* Wrocław University of Technology, Facoltà di Elettronica, Fotonica e Microsistemi
* Università Nicolaus Copernicus di Toruń, Facoltà di Fisica
* Università Maria Curie Skłodowska di Lublino – in particolare nel campo delle tecnologie in fibra ottica
A seconda del centro accademico scelto, i corsi di fotonica sono suddivisi in sei blocchi tematici: fisico, matematico e informatico, tecnico, principale e altri.
Fotonica in Polonia - a che punto siamo?
Il raggiungimento dell’obiettivo, che è lo sviluppo della tecnologia a fibra ottica e della fotonica in Polonia, è diventato la base per la creazione del Cluster di Fotonica e Fibra Ottica – Centro Polacco per la Fotonica e la Fibra Ottica e per il conseguimento da parte della Polonia di un vantaggio competitivo nel campo delle tecnologie moderne del futuro. Sono state condotte analisi sui mercati riguardo alla direzione dello sviluppo dell’industria aeronautica, ai metodi di gestione moderni e alla crescente domanda di tecnologie organiche, inclusa la fibra ottica.
La domanda di software che permette la progettazione di elementi ottici e optomeccanici, sistemi e dispositivi è enorme in Polonia. E non solo: l’interesse per questo tipo di software nella nostra parte d’Europa sta crescendo a un ritmo molto rapido. Ciò si traduce in un numero di ordini in rapido aumento, che indica chiaramente la crescente domanda in questo settore.
Secondo ricerche di mercato condotte indirettamente sulla base dell’analisi di rapporti e direttamente durante colloqui con imprenditori e basandosi su articoli di divulgazione scientifica e notizie mediatiche, si evidenzia un bisogno molto importante di fornire servizi nel campo del trasferimento tecnologico e della ricerca nel settore della fotonica, dalle unità di ricerca all’industria. Questi includono anche lo sviluppo di procedure di ricerca, l’implementazione di nuove soluzioni nonché l’adattamento delle ricerche applicative alla crescente domanda di tecnologie fotoniche.
Ogni anno, nel nostro paese aumentano le aziende che sfruttano il potenziale tecnologico in questo ambito. Vari tipi di dispositivi di osservazione, sistemi di ricognizione e di puntamento influenzano la posizione crescente nell’industria della difesa. Tuttavia, cresce anche l’uso di dispositivi optoelettronici al di fuori del settore militare. Ad esempio, si osserva una rinascita dei dispositivi optoelettronici civili in apparecchi come gli smartphone. Inoltre, la fotonica è sempre più utilizzata nei sistemi di comunicazione e nei sistemi di produzione e lavorazione dei materiali.
Nonostante le buone prospettive di sviluppo, in Polonia permangono numerose barriere legate all’implementazione di soluzioni moderne. Non esistono grandi aziende polacche in grado di stimolare lo sviluppo della tecnologia moderna nel paese. Si registra inoltre una carenza di integratori di sistema di livello medio e di produttori di optoelettronica altamente integrata, ad esempio circuiti optoelettronici integrati, che potrebbero costituire la base dei futuri dispositivi optoelettronici.
Ricerca fotonica in Polonia
Sebbene nel paese siano in corso ricerche su tali dispositivi, manca ancora una rete di centri scientifici e industriali in grado di utilizzare i risultati della ricerca e gli effetti dei produttori polacchi di medie dimensioni. Per rispondere a questa esigenza, negli ultimi anni sono state avviate iniziative per la costruzione di diversi nuovi centri di ricerca e sviluppo focalizzati sulla collaborazione con l’industria. Questi sono:
- CEZAMAT – Centro per Materiali Avanzati della Warsaw University of Technology
CEZAMAT è un centro con una base unica di laboratori in camere bianche dedicati allo sviluppo di nuovi materiali per la fotonica e l’elettronica. Dispone inoltre delle necessarie strutture per uffici e di un eccellente supporto amministrativo.
2. ENSEMBLE3 – Centro di Eccellenza
ENSEMBLE3 è un centro istituito come iniziativa congiunta dell’Università di Varsavia e ITME (Istituto di Tecnologia dei Materiali Elettronici). Il nostro CEO, Krzysztof Jakubczak, ha partecipato allo sviluppo della strategia per la creazione di questo centro.
3. CENTERA – Centro per la Ricerca e le Applicazioni nel Terahertz
Si tratta di un centro che si concentra sulle tecnologie operanti nella gamma delle onde terahertz.
Anche le associazioni che supportano imprenditori e istituzioni rivestono un ruolo molto importante nell’ecosistema fotonico. Le più rilevanti includono PPTF – Piattaforma Tecnologica Polacca della Fotonica e il Laboratorio Nazionale di Fotonica e Tecnologie Quantistiche NLPQT.
Sistemi fotonici integrati – cosa sono?
I circuiti fotonici integrati non sono altro che l’equivalente diretto dei circuiti integrati elettronici che conosciamo da molti anni. La differenza chiave a livello concettuale è che nell’elettronica integrata il vettore di informazione ed energia è l’elettrone. Nella fotonica, invece, è il fotone – una particella che rappresenta un quanto (porzione) di energia della luce.
Il sistema ottico integrato può essere utilizzato in molteplici applicazioni diverse, il che ne aumenta la disponibilità, riduce i costi e minimizza il tempo speso per la ricerca e sviluppo. Utilizzando lo stesso chip, è possibile eseguire operazioni matematiche, implementare sistemi di intelligenza artificiale e elaborazione automatica, reti di sensori su chip, sistemi di imaging e manipolare gli stati quantistici della luce.
Tuttavia, è importante notare le differenze tra circuiti integrati elettronici e fotonici:
- Velocità d’azione
I sistemi fotonici funzionano molto più velocemente, offrendo la speranza di una potenza di calcolo molto maggiore per i futuri computer quantistici.
2. Risparmio energetico
I sistemi fotonici hanno il potenziale di consumare molta meno energia.
3. Sicurezza
In linea di principio, è impossibile “intercettare” i sistemi fotonici come avviene abitualmente nei sistemi elettronici. Un potenziale intruso viene rilevato immediatamente. Inoltre, in caso di tentativo di intercettazione delle informazioni in una rete in fibra ottica, si individua immediatamente il punto fisico in cui è stato effettuato il tentativo di accesso alla rete.
La fotonica quantistica integrata utilizza tecnologie e dispositivi classici integrati organici e inorganici per applicazioni quantistiche. Tuttavia, l’integrazione a livello di chip è cruciale per aumentare la scala e tradurre i prototipi dimostrativi dai laboratori alle tecnologie reali. Gli sforzi nel campo della fotonica quantistica integrata sono su larga scala e coinvolgono lo sviluppo di circuiti quantistici che possono essere integrati in modo monolitico, ibrido o eterogeneo.
Secondo i ricercatori, vi è un’esigenza urgente di investimenti significativi per poter formare la prossima generazione di ingegneri in questo settore. La domanda di scienziati e ingegneri con conoscenze approfondite, sia nel campo della meccanica quantistica sia nelle applicazioni tecnologiche, è in crescita. Investire nell’istruzione della nuova generazione contribuirà certamente a spingere i confini della scienza e della tecnologia.
Cos’è l’optoelettronica e dove viene utilizzata?
L’optoelettronica si occupa dell’ingegneria di sistemi e dispositivi che emettono, modellano, trasmettono o rilevano la luce, includendo l’elettronica che lavora in sinergia. Inoltre, si occupa della costruzione e dell’applicazione di ogni tipo di dispositivo e apparecchio per l’emissione e la rilevazione della luce. È un campo tecnologico che utilizza le proprietà della luce per elaborare informazioni. Grazie all’optoelettronica, è possibile ottenere, raccogliere, trasmettere, elaborare e presentare informazioni utilizzando vari elementi come rivelatori fotoelettrici, laser per CD, porte infrarosse IrDA, display LCD o display a plasma. In altre parole: l’optoelettronica è una combinazione di ottica ed elettronica.
Si distinguono vari tipi di optoelettronica, quali:
- fibra ottica,
- imaging,
- fotovoltaica,
- IT,
- optoelettronica laser.
- fibra ottica,
Ha numerose applicazioni in diversi settori come chimica, fisica ed elettronica. L’optoelettronica è utilizzata nelle telecomunicazioni in fibra ottica così come nell’automazione e nella robotica. Grazie a essa, è possibile creare reti informatiche resistenti alle interferenze. Permette inoltre di memorizzare dati su CD o DVD. Viene utilizzata con successo anche nel fotovoltaico, che si occupa della trasformazione della luce solare in elettricità.
Progresso nell’optoelettronica
L’optoelettronica è uno dei settori chiave a supporto dello sviluppo dell’economia e della difesa polacca. Ricopre un ruolo fondamentale nella fornitura di componenti importanti per il sistema di difesa nazionale e nell’equipaggiamento dell’esercito polacco. Leader nell’innovazione nell’industria optoelettronica polacca è la PCO SA con sede a Varsavia, specializzata da oltre 45 anni nella produzione di prodotti appartenenti all’equipaggiamento del singolo soldato e ai veicoli da combattimento che utilizzano sensori optoelettronici. Qui è stato sviluppato anche il monocolo termico MT-1, precedentemente non disponibile. La combinazione di esperienza e competenza degli specialisti ha portato alla creazione di un dispositivo senza precedenti non solo sul mercato polacco, ma anche su quello mondiale. Dal punto di vista di molti anni, si può osservare che le tecnologie optoelettroniche moderne sviluppate sono idee innovative che soddisfano le aspettative degli utilizzatori degli equipaggiamenti e dell’industria.
Le migliori offerte di lavoro solo nell’optoelettronica
Settori in cui i laureati in optoelettronica possono contare sull’occupazione:
- Imprese e unità di ricerca che realizzano progetti legati alla progettazione, costruzione e utilizzo di componenti di dispositivi satellitari o laser
- Istituti di ricerca e sviluppo
- Università pubbliche e private che formano specialisti nel campo delle tecnologie spaziali e satellitari
- Istituzioni del Ministero della Difesa Nazionale
- Strutture sanitarie per l’uso e la manutenzione di dispositivi medici laser
- Aziende che utilizzano mezzi di trasporto tecnicamente avanzati
- Aziende impegnate nello stoccaggio e nella dismissione di sostanze pericolose
- Unità di difesa territoriale nel campo del servizio e della manutenzione di sistemi di sicurezza
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