Vad är fotonik? – Polskt bidrag till fotonikens universum
Fotonik är 2000-talets elektronik. Är det verkligen sant? Vad är det polska bidraget till fotonikens värld?
Fotonik är ett mycket omfattande vetenskapsområde som inkluderar utveckling av tekniker för bildinsamling och bildbehandling, konstruktion av mätinstrument som använder elektromagnetisk strålning samt utveckling av bildbehandlingstekniker. Om du är intresserad av ämnet fotonik – låt oss börja!
I denna artikel kommer du att lära dig:
- 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
Vad är fotonik? Definition och principer för fotonik
Vad är fotonik? Per definition är det en särskild typ av fysik som behandlar ljus och ljusvågor. Det är en vetenskap som handlar om generering, detektion och manipulation av elektromagnetiska vågor med våglängder inom det område som är synligt för mänskligt ljus och längre. Fotonik är ett tvärvetenskapligt område som kombinerar optik, elektronik och datavetenskap. På ett sätt är det en vidareutveckling av elektroniken där fotoner används istället för elektroner. Det behandlar allt som har med fotoner och ljusmanipulation att göra.
Definition av fotonik
Definitionen av fotonik som vi även kan citera är: Fotonik är ett vetenskaps- och teknikområde som handlar om studier och användning av ljusvågor (fotoner) för att överföra och bearbeta information samt kontrollera olika fysikaliska processer. Fotonik är ett tvärvetenskapligt område som kombinerar element från fysik, elektronik, teknik, matematik och datavetenskap.
Fotonik undersöker olika aspekter relaterade till ljusvågor, såsom deras egenskaper, interaktion med material, optiska fenomen och hur dessa fenomen kan användas för att skapa avancerade teknologier.
Fotonik har stor potential för utveckling av moderna teknologier och används inom många livsområden, såsom industri, medicin, telekommunikation och vetenskap.
Principer för fotonik – partikel-vågdualitet
Principer för fotonik i korthet
Ljus har en dubbel natur, även känd som våg-partikel-dualitet. Vad betyder det? Ljus har både egenskaperna hos en kontinuerlig elektromagnetisk våg och en partikel (foton). Den typ av natur som ljuset uppvisar beror på vilken typ av interaktion som observeras. Till exempel uppvisar ljus som bryts genom en lins eller diffrakteras vid kanten av ett hål en vågnatur. Ljus som produceras eller absorberas av halvledarenheter, såsom en laserdiode, uppvisar ljusets partikel-natur.
Tillämpning av fotonik
Vad gör fotonik? – fotonikens område
Laserteknologier
Optiska fibrer och vågledare
Optiska detektorer, fotovoltaiska system, kameror
Kvantdatorer
Optik
Opto-mekanik
Belysningssystem
Mikroskopi
Bildskärmar (t.ex.: OLED, QLED)
Ljuskällor (t.ex. LED)
Spektroskopi och spektrometri
Lista över fotoniktillämpningar inom industrin:
IT och telekommunikation – fotoniskt kisel används inte bara i telekommunikationsnät, utan även i optiska datorer och infraröda system eller kameror, samt fotoniska integrerade kretsar som används i telekommunikationsnät och kvantdatorer
Industri – laserskärning, borrning eller gravering med mycket högre precision och noggrannhet
Medicin – diagnostik, terapi, avbildning av förändringar i människokroppen
Fotovoltaisk industri – mer effektiva solceller
Bil- och robotteknik – fotoniska chip för fordonsindustrin
Jordbruk och skogsbruk – fotoniska tekniker används t.ex. för att observera och känna igen tillståndet hos växter och djur
Kosmetologi – fotonisk laser – en innovativ enhet utformad för att stärka och snabba upp behandlingar för hårvård
Fotonik används även inom flyg- och försvarsindustrin, byggbranschen och gruvindustrin.
Polsk fotonikingenjör – enorm potential och utvecklingsutsikter för fotonikvetenskapen
Fotonik blir en nyckelteknologi för insamling, bearbetning och överföring av information. Intressant nog är dess tillämpning idag mycket omfattande och den har möjlighet att bli en utvecklingsmotor för många andra industrisektorer. Detta är ett område med stor potential och utsikter för vetenskaplig utveckling. Fotonik har redan framgångsrikt använts inom informationsteknik och telekommunikation. Inom industrin används till exempel laserskärning, borrning eller gravering med mycket större noggrannhet och precision. Inom medicinen möjliggör resonansavbildning, tomografi och andra tester mindre invasiv åtkomst till människokroppen, vilket är resultatet av snabb teknologisk utveckling. Moderna kirurgiska verktyg, såsom fiberoptiska sonder, är en stor möjlighet för genombrott i kampen mot cancer.
Vad mer? Fotonik omfattar också fotovoltaisk teknik, dvs. effektivare solceller som minskar energiförbrukningen. Det är ett område som också öppnar stora utvecklingsmöjligheter för andra industrier såsom: flyg, försvar, robotik, fordonsindustri, bygg, gruvdrift, rymd samt modern jordbruk, skogsbruk och kosmetologi.
Polskt bidrag till utvecklingen av fotonikvetenskapen
Den första fibertelekomlinjen i Polen byggdes i Lublin. Forskarteamet vid Optical Fiber Technology Laboratory på Maria Curie-Skłodowska-universitetet anses vara skaparna av polsk fiberoptisk fotonik. Här byggdes 1979 den första fiberoptiska telekommunikationslinjen i Polen. Den stora framgången för Lublins forskare initierade den mycket snabba utvecklingen av fiberoptikteknik i hela Polen. Idag använder många forskningsinstitutioner, både i Polen och utomlands, deras erfarenheter. Flera företag inom fotonik blomstrar i Lublin, exempelvis SDS Optic, vars produkter är fiberoptiska sensorer för diagnostik av bröstcancer.
Grunderna för konstruktionen av lasern lades av Albert Einstein, som formulerade teorin om stimulerad emission av strålning. Fenomenet observerades först inom mikrovågsområdet, vilket blev inspirationen för att bygga en laser. Själva LASER-akronymen kommer från engelskan: Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation. Det är allmänt erkänt att den första lasern konstruerades av Theodore Maiman vid Hughes Research Laboratory i Kalifornien och fungerade första gången den 16 maj 1960 med en rubinkristall. Den första polska lasern togs i drift den 20 augusti 1963 vid Militäruniversitetet för teknik (WAT), vid Fakulteten för elektroradioteknik, vid Institutionen för grundläggande radioteknik under ledning av maj. Zbigniew Puzewicz, PhD.
Laser-mikrofusion
En annan intressant person att känna till är general Sylwester Kaliski, professor i exakta vetenskaper och rektor för Militäruniversitetet för teknik, som på mitten av 1900-talet arbetade med fenomenet laser-mikrofusion. Mikrofusionsteknik är en mycket lovande källa för ren termisk och elektrisk energi, även om det idag snarare handlar om att bygga en ny typ av kraftverk baserat på fusion utförd i ett externt magnetfält i så kallade tokamak-enheter.
Czochralski-metoden möjliggör kristallutvinning
Polacken som troligen hade störst inflytande på fotonik i världen är prof. Jan Czochralski. Denna specialist inom materialvetenskap och kemi, född 23 oktober 1885 i Kcynia, utvecklade en metod för kristalltillväxt som fortfarande ofta kallas vid hans namn. Czochralski-metoden möjliggör utvinning (som kristalltillverkningsprocessen kallas) av kristaller som används både inom elektronik och fotonik. Än idag produceras alla processorer och aktiva medier, dvs. ”hjärtan”, i så kallade halvledarlasrar med denna metod.
Polsk fotonik är inte bara historia. Moderna generationer forskare utvecklar mycket innovativa lösningar inom området. Man bör till exempel veta att infraröda detektorer producerade av det polska företaget Vigo Photonics rutinmässigt används i NASA:s rymduppdrag. Ryszard Piramidowicz, DSc., professor vid Warszawas tekniska universitet är en världsledande auktoritet inom integrerad fotonik.
Vad gör man efter examen i fotonik? Vem är en fotonikingenjör?
Som nämnt ovan är fotonik vetenskapen om ljus. Några av de mål som specialister inom branschen ofta sätter är utveckling av innovativa produkter för medicin, telekommunikation, IT, produktion och byggande. Fotonikingenjörer ansvarar för betydande vetenskapliga upptäckter, från ljus som kan skära plast till ultraprecisa lasrar som används vid känsliga ögonoperationer.
En fotonikingenjör skapar och förbättrar system och produkter som använder fotonik – lasrar, optik, fiberoptik och avbildningssystem. De kontrollerar prestanda genom att testa om systemet fungerar korrekt. De formar även modern teknik genom att utveckla experimentella produkter som slutligen kommer att förfinas för vardagligt bruk, inklusive t.ex. solceller eller lösningar för elektronikproduktion. Men det är inte allt! Fotonikingenjörer skapar även prototyper för att avgöra om deras idéer är genomförbara.
Inom tillverkningsindustrin skapar de enklare och tidsbesparande sätt att producera produkter eller system för kvalitetsbedömning, t.ex. visionssystem, ofta med artificiell intelligens. De kan även designa optiska material för att göra fabriken mer energieffektiv.
I ett företag som producerar elektronik avgör fotonikingenjörer t.ex. energieffektiviteten hos TV-apparater eller kvaliteten på emittermatriser genom att testa kristaller.
Inom militären används lasrar för navigation, räckviddsinformation för vapen och missilmål, för att skjuta ner drönare samt för att studera farliga ämnen.
Inom medicin används lasrar i många diagnostiska och terapeutiska procedurer, samt för känsliga operationer på ögat eller andra delar av kroppen. Till exempel används femtosekundlasrar för att skära hornhinnan vid kataraktoperationer.
Viktigt! Mycket tid ägnas åt att forska fram nya lösningar inom detta snabbväxande område. Fotonikingenjörer måste hålla sig uppdaterade med upptäckter och forskning från andra ingenjörer, vilket är anledningen till att de ofta deltar i konferenser med specialister från andra sektorer för att utbyta kunskap och lära sig om förändringar i fotonikens värld.
Två karriärvägar står öppna för examen i fotonik. De kan arbeta inom den kommersiella sektorn i teknikföretag eller fortsätta inom vetenskaplig forskning, både i nationella och internationella forskningscenter. Arbetstid i Polen är normalt 40 timmar per vecka, även om övertid ibland krävs för att uppfylla deadlines för forskningsprojekt. Ibland krävs experiment inom begränsade tidsfönster vid forskning med komplex och gles infrastruktur. Engagemang och ibland uppoffring krävs. Resor utomlands är ofta nödvändiga eftersom arbetet ofta bedrivs av internationella team. Fotonikingenjörers språk är oftast engelska. Fotonik är ett typiskt område för så kallad avancerad teknologi (deep-tech), vilket gör att många ingenjörer fortsätter med doktorandstudier (PhD).
De bästa akademiska centra i Polen för fotonikstudier
Warszawas tekniska universitet, Fakulteten för fysik
Militäruniversitetet för teknik, Institutet för optoelektronik
Wrocławs tekniska universitet, Fakulteten för elektronik, fotonik och mikrosystem
Nicolaus Copernicus-universitetet i Toruń, Fakulteten för fysik
Maria Curie-Skłodowska-universitetet i Lublin – särskilt inom fiberoptikteknologier
Beroende på akademiskt center grupperas fotoniklektioner i sex tematiska block: fysikaliska, matematiska och IT, tekniska, huvudämne och övriga.
Fotonik i Polen – var står vi?
Målsättningen att utveckla fiberoptikteknologi och fotonik i Polen blev grunden för skapandet av Photonics and Fiber Optic Cluster – Polish Center for Photonics and Fiber Optic och Polens uppnådda konkurrensfördel inom framtidens moderna teknologier. Analyser av marknader gjordes med avseende på utvecklingsriktningen för flygindustrin, moderna ledningsmetoder och den växande efterfrågan på organiska teknologier, inklusive fiberoptik, identifierades.
Efterfrågan på mjukvara för design av optiska och optomekaniska element, system och enheter är enorm i Polen. Vad mer? Intresset för denna typ av mjukvara i vår del av Europa växer mycket snabbt, vilket i sin tur leder till ett snabbt ökande antal beställningar och tydligt visar den växande efterfrågan inom området.
Enligt marknadsundersökningar, både indirekt via rapportanalys och direkt genom samtal med entreprenörer samt populärvetenskapliga artiklar och mediarapporter, indikerar de ett mycket viktigt behov av tjänster inom tekniköverföring och forskning inom fotonik, från forskningsenheter till industrin. Detta inkluderar utveckling av forskningsprocedurer, implementering av nya lösningar samt anpassning av tillämpningsforskning till den växande efterfrågan på fotoniska teknologier.
Varje år ökar antalet företag i Polen som utnyttjar teknologins potential inom detta område. Olika typer av observationsenheter, underrättelse- och målsystem påverkar försvarsindustrins växande position. Användningen av optoelektroniska enheter utanför militären ökar också. Till exempel kan en renässans av civila optoelektroniska enheter observeras i smartphones. Dessutom används fotonik i allt högre grad i kommunikationssystem och system för materialtillverkning och bearbetning.
Trots goda utvecklingsutsikter finns fortfarande många hinder i Polen för implementering av moderna lösningar. Det finns inga stora polska företag som skulle stimulera utvecklingen av modern teknologi i landet. Det råder också brist på mellannivå systemintegratörer och tillverkare av högintegrerad optoelektronik, t.ex. integrerade optoelektroniska kretsar, som kan bli grunden för framtida optoelektroniska enheter.
Fotonikforskning i Polen
Även om forskning om sådana enheter bedrivs i landet, saknas fortfarande vetenskapliga och industriella centra som kan använda forskningsresultat och effekterna av polska medelstora producenter. För att möta detta behov har initiativ tagits under de senaste åren för att bygga flera nya forsknings- och utvecklingscentra med fokus på samarbete med industrin. Dessa är:
CEZAMAT – Center for Advanced Materials vid Warszawas tekniska universitet
CEZAMAT är ett center med en unik bas av renrums-laboratorier fokuserade på utveckling av nya material för fotonik och elektronik. Det har även nödvändiga kontorsfaciliteter och utmärkt administrativt stöd.ENSEMBLE3 – Center of Excellence
ENSEMBLE3 är ett center som skapats som ett gemensamt initiativ av Warszawas universitet och ITME (Institute of Electronic Materials Technology). Vår VD, Krzysztof Jakubczak, deltog i utvecklingen av strategin för skapandet av detta center.CENTERA – Center for Terahertz Research and Applications
Detta center fokuserar på teknologier som arbetar inom terahertz-området.
Föreningar som stödjer entreprenörer och institutioner är också mycket viktiga i det fotoniska ekosystemet. De viktigaste inkluderar PPTF – Polish Technological Platform of Photonics och National Laboratory of Photonics and Quantum Technologies (NLPQT).
Integrerade fotoniska system – vad är det?
Integrerade fotoniska kretsar är i princip direkt motsvarighet till elektroniska integrerade kretsar som vi känt i många år. Den viktigaste skillnaden på konceptuell nivå är att i integrerad elektronik är informations- och energibäraren en elektron. I fotonik är det en foton – en partikel som representerar en kvant (portion) av ljusets energi.
Det integrerade optiska systemet kan användas i många olika tillämpningar, vilket ökar dess tillgänglighet, minskar kostnader och minimerar tiden som ägnas åt forskning och utveckling. Med samma chip kan man utföra matematiska operationer, implementera artificiell intelligens och maskinbearbetningssystem, sensor-nätverk på chip, avbildningssystem och manipulera ljusets kvanttillstånd.
Det är dock värt att notera skillnaderna mellan elektroniska och fotoniska integrerade kretsar:
Hastighet
Fotoniska system arbetar mycket snabbare, vilket skapar förhoppningar om mycket större beräkningskraft för framtidens kvantdatorer.Energibesparing
Fotoniska system har potential att konsumera betydligt mindre energi.Säkerhet
I princip är det omöjligt att ”avlyssna” fotoniska system som rutinmässigt görs i elektroniska system. En potentiell inkräktare upptäcks omedelbart. Dessutom, vid exempelvis försök att avlyssna information i ett fiberoptiskt nätverk, blir det också direkt känt var ett fysiskt intrångsförsök gjordes.
Integrerad kvantfotonik använder klassiska integrerade organiska och oorganiska teknologier och enheter för kvanttillämpningar. Integration på chipnivå är avgörande för att skala upp och översätta demonstrationsprototyper från laboratorier till verkliga teknologier. Ansträngningar inom integrerad kvantfotonik är storskaliga och involverar utveckling av kvantkretsar som kan integreras monolitiskt, hybridt eller heterogent.
Forskare betonar att stora investeringar behövs för att kunna utbilda nästa generation ingenjörer inom denna sektor. Efterfrågan på forskare och ingenjörer med omfattande kunskap, både inom kvantmekanik och tekniska tillämpningar, växer. Investering i utbildning av nästa generation kommer säkert att bidra till att tänja på gränserna för vetenskap och teknologi.
Vad är optoelektronik och var används det?
Optoelektronik handlar om konstruktion av system och enheter som sänder, modellerar, överför eller detekterar ljus, inklusive elektronik som samverkar. Det omfattar även konstruktion och tillämpning av olika enheter för emission och detektion av ljus. Det är ett teknikområde som använder ljusets egenskaper för att bearbeta information. Tack vare optoelektronik kan information erhållas, samlas in, överföras, bearbetas och presenteras med olika komponenter såsom fotoelektriska detektorer, laser-CD-faktorer, IrDA-infraröda portar, LCD-skärmar eller plasmaskärmar. Med andra ord: optoelektronik är en kombination av optik och elektronik.
Olika typer av optoelektronik kan särskiljas, såsom:
fiberoptisk
avbildande
fotovoltaisk
IT
laser-optoelektronik
Det har många olika tillämpningar inom exempelvis kemi, fysik eller elektronik. Optoelektronik används i fiberoptiska telekommunikationer samt inom automation och robotik. Tack vare det är det möjligt att skapa datornätverk som är störningsresistenta. Det möjliggör även lagring av data på CD- eller DVD-skivor. Det används även framgångsrikt inom fotovoltaik, som behandlar omvandling av solljus till elektricitet.
Framsteg inom optoelektronik
Optoelektronik är ett av nyckelområdena som stödjer utvecklingen av den polska ekonomin och försvaret. Det spelar en avgörande roll för leverans av viktiga komponenter till landets försvarssystem och utrustning av den polska armén. Ledande inom innovation i den polska optoelektroniska industrin är Warszawa-baserade PCO SA, som under över 45 år specialiserat sig på produktion av utrustning för individuella soldater och stridsfordon med optoelektroniska sensorer. Det tidigare otillgängliga MT-1 termiska kikarsiktet utvecklades också där. Kombinationen av erfarenhet och specialistkompetens har resulterat i skapandet av en enhet utan motstycke, inte bara på den polska marknaden utan även globalt. Ur ett långsiktigt perspektiv visar det att de utvecklade moderna optoelektroniska teknologierna är innovativa idéer som möter förväntningarna hos användare och industrin.
De bästa jobberbjudandena finns endast inom optoelektronik
Industrier där optoelektronikexaminerade kan räkna med anställning:
Företag och forskningsenheter som genomför projekt relaterade till design, konstruktion och användning av satellitenheter eller lasrar
Forsknings- och utvecklingsinstitut
Offentliga och privata universitet som utbildar specialister inom rymd- och satellitteknologi
Institutioner under Försvarsministeriet
Hälso- och sjukvårdsenheter för drift och underhåll av medicinska laserenheter
Företag som använder avancerade tekniska transportmedel
Företag som hanterar lagring och bortskaffande av farliga ämnen
Territoriella försvarsenheter för service och underhåll av säkerhetssystem
Är du intresserad av ämnet fotonik? Kolla även in våra tjänster inom kontraktstillverkning av elektronik!
Suggested articles related to the topic of photonics:
Popular articles on our blog:
