Hva er fotonikk? – Polsk bidrag til fotonikkens univers
Fotonikk er elektronikken i det 21. århundre. Er det virkelig sant? Hva er det polske bidraget til fotonikkens verden?
Fotonikk er et svært omfattende vitenskapsfelt, som omfatter utvikling av teknikker for bildeinnhenting og -behandling, konstruksjon av måleinstrumenter ved bruk av elektromagnetisk stråling og utvikling av teknikker for bildebehandling. Hvis du er interessert i temaet fotonikk – La oss begynne!
I denne artikkelen vil du lære:
- 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
Hva er fotonikk? Definisjon og prinsipper for fotonikk
Hva er fotonikk? Etter definisjon er det en egen type fysikk som arbeider med lys og lysbølger. Det er en vitenskap som handler om generering, deteksjon og manipulering av elektromagnetiske bølger med bølgelengder i det synlige området for menneskelig lys og utover. Fotonikk er et tverrfaglig vitenskapsfelt som kombinerer prestasjoner innen optikk, elektronikk og informatikk. Det er på et vis en utvikling av elektronikken, men med bruk av fotoner i stedet for elektroner. Den omhandler alt som er relatert til fotoner og manipulering av lys.
Definisjon av fotonikk
Definisjonen av fotonikk som vi også kan sitere er: Fotonikk er et vitenskaps- og teknologifelt som handler om studiet og bruken av lysbølger (fotoner) for å overføre og behandle informasjon og kontrollere ulike fysiske prosesser. Fotonikk er et tverrfaglig vitenskapsfelt som kombinerer elementer av fysikk, elektronikk, ingeniørfag, matematikk og informatikk.
Fotonikk undersøker ulike aspekter knyttet til lysbølgen, som dens egenskaper, interaksjon med materialer, optiske fenomener og hvordan disse fenomenene kan brukes til å skape avanserte teknologier.
Fotonikk har et stort potensial for utviklingen av moderne teknologier og brukes i mange områder av livet, som industri, medisin, telekommunikasjon og vitenskap.
Prinsipper for fotonikk – partikkel-bølge-dualitet
Prinsipper for fotonikk i noen få ord
Lys har en dobbel natur, også kjent som bølge-partikkel-dualitet. Hva betyr det? Lys har både naturen til en kontinuerlig elektromagnetisk bølge og en partikkel (foton). Den typen natur lyset opptrer med, avhenger av typen interaksjon som observeres. For eksempel vil lys som brytes gjennom en linse eller diffrakteres ved kanten av et hull vise bølgenatur. Lyset som produseres eller absorberes av halvlederenheter som en laserdiode, viser partikkelnaturen til lys.
Bruk av fotonikk
Hva gjør fotonikk? – fotonikkens felt
Laserteknologier
Optiske fibre og bølgeledere
Optiske detektorer, fotosystemer, kameraer
Kvantedatamaskiner
Optikk
Opto-mekanikk
Belysningssystemer
Mikroskopi
Skjermer (f.eks.: OLED, QLED)
Lyskilder (f.eks. LED)
Spektroskopi og spektrometri
Liste over fotonikkapplikasjoner i industrien:
IT og telekommunikasjon – fotonisk silisium brukes ikke bare i telekommunikasjonsnettverk, men også i optiske datamaskiner, infrarøde systemer eller kameraer, og fotoniske integrerte kretser brukt i telekommunikasjonsnettverk og kvantedatamaskiner
Industri – laserskjæring, boring eller gravering med mye større presisjon og nøyaktighet
Medisin – diagnostikk, terapi, avbildning av endringer som skjer i menneskekroppen
Fotovoltaisk industri – mer effektive solceller
Bil- og robotikkindustri – fotoniske brikker for bilindustrien
Jordbruk og skogbruk – fotoniske teknikker brukt f.eks. for å observere og gjenkjenne tilstanden til planter og dyr
Kosmetologi – fotonisk laser – en innovativ enhet designet for å styrke og fremskynde tiden for hårpleiebehandlinger
Fotonikk brukes også i luftfart og forsvar, bygg- og gruveindustri.
Polsk fotonikkingeniør – stort potensial og utviklingsutsikter for fotonikkvitenskapen
Fotonikk blir en nøkkelteknologi for innhenting, behandling og overføring av informasjon. Interessant nok er bruken i dag svært omfattende, og den har mulighet til å bli en utviklingsdriver for mange andre industrisektorer. Dette er et felt med stort potensial og utsikter for vitenskapelig utvikling. Fotonikk har blitt brukt med suksess innen informasjonsteknologi og telekommunikasjon. I industrien utføres for eksempel laserskjæring, boring eller gravering med mye høyere nøyaktighet og presisjon. I medisin resulterer teknologiske fremskritt i blant annet resonansavbildning, tomografi eller andre tester som gir mindre invasiv tilgang til menneskekroppen. Moderne kirurgiske verktøy som fiberoptiske prober gir en stor mulighet for gjennombrudd i kampen mot kreft.
Hva mer? Fotonikk er også fotovoltaisk teknologi, altså mer effektive solceller som gjør det mulig å redusere energiforbruket. Det er et felt som også åpner store utviklingsmuligheter for andre industrier, som: luftfart, forsvar, robotikk, bilindustri, bygg, gruvedrift, romfart og moderne jordbruk, skogbruk og kosmetologi.
Polsk bidrag til utviklingen av fotonikkvitenskapen
Den første fibertelekomlinjen i Polen ble bygget i Lublin. Forskerteamet ved Optical Fiber Technology Laboratory ved Maria Curie-Skłodowska University anses som skaperne av polsk fiberoptisk fotonikk. Det var her, i 1979, at den første fiberoptiske telekommunikasjonslinjen i Polen ble bygget. Den store suksessen til forskerne i Lublin satte i gang en svært rask utvikling av fiberoptisk teknologi i hele Polen. I dag bruker mange forskningsinstitusjoner, både i Polen og i utlandet, deres erfaring. Flere selskaper innen fotonikk blomstrer i Lublin, blant annet SDS Optic. Deres produkter er fiberoptiske sensorer for diagnostisering av brystkreft.
Grunnlaget for konstruksjon av laser ble lagt av Albert Einstein, som formulerte teorien om stimulert emisjon av stråling. Dette fenomenet ble først observert i mikrobølgedomenet, som inspirerte byggingen av en laser. LASER-akronymet kommer fra engelsk: Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation. Det er allment akseptert at den første laseren ble konstruert av Theodore Maiman ved Hughes Research Laboratory i California, og hans oppfinnelse fungerte første gang 16. mai 1960; det var en laser bygget med rubinkrystall. Den første polske laseren ble tatt i bruk 20. august 1963 ved Military University of Technology (WAT), ved Fakultet for Elektroradioteknikk, på Institutt for Grunnleggende Radioteknikk ledet av major Zbigniew Puzewicz, PhD.
Laser-mikrofusjon
En annen interessant skikkelse å kjenne til er general Sylwester Kaliski. Professor i eksakte fag og kommandant-rektor ved Military University of Technology, som på midten av det tjuende århundre arbeidet med fenomenet laser-mikrofusjon. Mikrofusjonsteknologi er en svært lovende kilde til ren termisk og elektrisk energi, selv om det i dag er mer sannsynlig å bygge en ny type kraftverk basert på fusjon i et eksternt magnetfelt i enheter kalt tokamaks.
Czochralski-metoden gjør krystaller mulig å trekke ut
Polakken som trolig hadde størst innflytelse på fotonikk i verden er prof. Jan Czochralski. Denne spesialisten innen materialvitenskap og kjemi, født 23. oktober 1885 i Kcynia, utviklet en metode for krystallisering. Den kalles fortsatt vanligvis ved hans navn. Czochralski-metoden muliggjør utvinning (som krystallproduksjonsprosessen kalles) av krystaller som brukes i både elektronikk og fotonikk. Den dag i dag produseres alle prosessorer og aktive medier, altså “hjertene” til såkalte solid-state-lasere, ved hjelp av denne metoden.
Polsk fotonikk er ikke bare historie. Moderne generasjoner forskere utvikler svært innovative løsninger på dette området. Man bør for eksempel vite at infrarøde detektorer produsert av det polske selskapet Vigo Photonics rutinemessig brukes i NASA-romoppdrag. Og Ryszard Piramidowicz, DSc., professor ved Warsaw University of Technology, er en verdensautoritet innen integrert fotonikk.
Hva kan man gjøre etter utdanning i fotonikk? Hvem er en fotonikkingeniør?
Som nevnt ovenfor, er fotonikk vitenskapen som handler om lys. Noen av målene spesialister i denne industrien ofte setter seg, er utvikling av innovative produkter for medisin, telekommunikasjon, IT, produksjon og bygg. Fotonikkingeniører er ansvarlige for betydelige vitenskapelige oppdagelser, fra lys som kan kutte plast til ultrapresise lasere brukt i delikate øyeoperasjoner.
En fotonikkingeniør skaper og forbedrer systemer og produkter som bruker fotonikk – lasere, optikk, fiberoptikk og bildesystemer. De sjekker ytelse ved å teste om systemet fungerer korrekt. De former også moderne teknologi ved å utvikle eksperimentelle produkter som til slutt vil bli perfeksjonert for daglig bruk, inkludert f.eks. solceller eller løsninger for elektronikkproduksjon. Men det er ikke alt! Fotonikkingeniører lager også prototyper for å avgjøre om ideene deres er gjennomførbare.
I produksjonsindustrien skaper de enklere og tidsbesparende måter å produsere produkter eller systemer for vurdering av kvalitet, f.eks. visionsystemer, ofte med kunstig intelligens. De kan også designe optiske materialer for å gjøre fabrikken mer energieffektiv.
I selskaper som produserer elektronikk, vurderer fotonikkingeniører for eksempel energieffektiviteten til TV-er eller kvaliteten på emittermatriser ved å teste krystaller.
I militæret brukes lasere til navigasjon, for å gi avstandsinformasjon for våpen og missilmål, til å skyte ned droner, og til å studere farlige stoffer.
I medisin brukes lasere i mange diagnostiske og terapeutiske prosedyrer, samt til delikate operasjoner på øyet eller andre kroppsdeler. For eksempel brukes femtosekundlasere til å snitte hornhinnen i gråstarroperasjoner.
Viktig! Det brukes mye tid på forskning på nye løsninger i dette raskt utviklende feltet. Fotonikkingeniører må holde seg oppdatert på oppdagelser og forskning fra andre ingeniører, og deltar derfor ofte på konferanser med spesialister fra andre sektorer for å dele kunnskap og lære om endringer i fotonikkens verden.
Det finnes to karriereveier for nyutdannede i fotonikk. De kan jobbe i kommersiell sektor i teknologiselskaper, eller de kan fortsette forskerkarrieren, både i nasjonale og utenlandske forskningssentre. Arbeidstid i Polen er typisk en 40-timers uke, selv om overtid noen ganger er nødvendig for å møte frister i forskningsprosjekter. Det hender også at eksperimenter må utføres i begrensede tidsvinduer ved komplekse og sparsomme forskningsinfrastrukturer. Dette krever engasjement og til tider dedikasjon. Reiser til utlandet er ofte nødvendig, da arbeid ofte utføres av internasjonale team. Språket for fotonikkingeniører er som regel engelsk. Fotonikk er et typisk felt innen såkalt dyptgående eller avansert teknologi (deep-tech), og mange ingeniører velger derfor å fortsette utdanningen på doktorgradsnivå (PhD).
De beste akademiske sentrene i Polen hvor man kan studere fotonikk
Warsaw University of Technology, Faculty of Physics
Military University of Technology, Institute of Optoelectronics
Wrocław University of Technology, Faculty of Electronics, Photonics and Microsystems
Nicolaus Copernicus University i Toruń, Faculty of Physics
Maria Curie-Skłodowska University i Lublin – spesielt innen fiberoptikkteknologier
Avhengig av valgt akademisk senter er fotonikkundervisning gruppert i seks tematiske blokker: fysisk, matematisk og IT, teknisk, hovedfag og annet.
Fotonikk i Polen – hvor står vi?
Gjennomføringen av målet, nemlig utviklingen av fiberoptisk teknologi og fotonikk i Polen, har blitt grunnlaget for opprettelsen av Photonics and Fiber Optic Cluster – Polish Center for Photonics and Fiber Optic, og Polens oppnåelse av konkurransefortrinn innen moderne fremtidsteknologier. Det ble utført analyser av markedene med hensyn til utviklingsretningen i luftfartsindustrien, moderne ledelsesmetoder, og den økende etterspørselen etter organiske teknologier, inkludert fiberoptikk, ble identifisert.
Etterspørselen etter programvare som muliggjør design av optiske og optomekaniske elementer, systemer og enheter, er stor i Polen. Hva mer? Interessen for denne typen programvare i vår del av Europa vokser i et svært raskt tempo. Dette fører til et raskt økende antall ordre, noe som tydelig indikerer økende etterspørsel på dette området.
Ifølge markedsundersøkelser, både indirekte basert på analyser av rapporter og direkte gjennom samtaler med entreprenører og basert på populærvitenskapelige artikler og medieinnslag, er det et stort behov for å tilby tjenester innen teknologioverføring og forskning i fotonikk, fra forskningsenheter til industri. Dette inkluderer utvikling av forskningsprosedyrer, implementering av nye løsninger samt tilpasning av anvendt forskning til den økende etterspørselen etter fotonikkteknologier.
Hvert år blir det flere og flere selskaper i Polen som utnytter teknologipotensialet på dette området. Ulike typer observasjonsutstyr, rekognoserings- og målrettingssystemer påvirker den voksende posisjonen i forsvarsindustrien. Bruken av optoelektroniske enheter utenfor militæret øker også. For eksempel kan man observere en renessanse av sivile optoelektroniske enheter i enheter som smarttelefoner. I tillegg brukes fotonikk stadig mer i kommunikasjonssystemer og i materialproduksjons- og prosesseringssystemer.
Likevel, til tross for gode utviklingsutsikter, finnes det fortsatt mange barrierer i Polen knyttet til implementering av moderne løsninger. Det finnes ingen store polske selskaper som stimulerer utviklingen av moderne teknologi i landet. Det er også mangel på mellomstore systemintegratorer og produsenter av høyt integrert optoelektronikk, f.eks. integrerte optoelektroniske kretser, som kan bli grunnlaget for fremtidige optoelektroniske enheter.
Fotonikkforskning i Polen
Selv om forskning på slike enheter pågår i landet, mangler det fortsatt vitenskapelige og industrielle sentre som kan bruke forskningsresultater og effektene fra polske mellomstore produsenter. For å møte dette behovet har det de siste årene blitt tatt initiativer for å bygge flere nye forsknings- og utviklingssentre med fokus på samarbeid med industrien. Disse er:
CEZAMAT – Center for Advanced Materials ved Warsaw University of Technology
CEZAMAT er et senter med en unik base av cleanroom-laboratorier fokusert på utvikling av nye materialer for fotonikk og elektronikk. Det har også nødvendige kontorfasiliteter og utmerket administrativ støtte.ENSEMBLE3 – Center of Excellence
ENSEMBLE3 er et senter etablert som et felles initiativ fra University of Warsaw og ITME (Institute of Electronic Materials Technology). Vår CEO, Krzysztof Jakubczak, deltok i utviklingen av strategien for opprettelsen av dette senteret.CENTERA – Center for Terahertz Research and Applications
Dette er et senter som fokuserer på teknologier som opererer i terahertz-området.
Foreninger som støtter entreprenører og institusjoner er også svært viktige i fotonikkøkosystemet. De viktigste inkluderer PPTF – Polish Technological Platform of Photonics, og National Laboratory of Photonics and Quantum Technologies (NLPQT).
Integrerte fotoniske systemer – hva er det?
Integrerte fotoniske kretser er intet annet enn en direkte ekvivalent til elektroniske integrerte kretser som vi har kjent i mange år. Den viktigste forskjellen på konseptnivå er at i integrert elektronikk er bærer av informasjon og energi en elektron. I fotonikk er det en foton – en partikkel som representerer en kvantum (del) av lysenergi.
Det integrerte optiske systemet kan brukes i mange forskjellige applikasjoner, noe som øker tilgjengeligheten, reduserer kostnader og minimerer tiden brukt på forskning og utvikling. Ved å bruke samme chip kan man utføre matematiske operasjoner, implementere kunstig intelligens og maskinbehandlingssystemer, sensor-nettverk på en chip, bildesystemer og manipulere kvantetilstander av lys.
Det er imidlertid verdt å merke seg forskjellene mellom elektroniske og fotoniske integrerte kretser:
Hastighet
Fotoniske systemer fungerer mye raskere, noe som gir håp om betydelig større beregningskraft i fremtidige kvantedatamaskiner.Energisparing
Fotoniske systemer har potensial til å bruke mye mindre energi.Sikkerhet
I prinsippet er det umulig å “avlytte” fotoniske systemer slik det rutinemessig gjøres i elektroniske systemer. En potensiell inntrenger oppdages umiddelbart. I tilfelle et forsøk på å avlytte informasjon i et fiberoptisk nettverk, er det også umiddelbart kjent hvor forsøket fysisk ble gjort.
Integrert kvantefotonikk bruker klassiske integrerte organiske og uorganiske teknologier og enheter for kvanteapplikasjoner. Integrasjon på chip-nivå er imidlertid avgjørende for å skalere opp og overføre demonstrasjonsprototyper fra laboratorier til reelle teknologier. Innsatsen innen integrert kvantefotonikk er stor og involverer utvikling av kvantekretser som kan integreres monolitisk, hybridt eller heterogent.
Forskere påpeker et presserende behov for store investeringer for å kunne utdanne neste generasjon ingeniører i denne sektoren. Etterspørselen etter forskere og ingeniører med omfattende kunnskap, både innen kvantemekanikk og teknologiske anvendelser, øker. Investering i utdanning av neste generasjon vil definitivt bidra til å skyve grensene for vitenskap og teknologi.
Hva er optoelektronikk og hvor brukes det?
Optoelektronikk omhandler konstruksjon av systemer og enheter som sender ut, modellerer, overfører eller detekterer lys, inkludert elektronikk som samarbeider med dette. I tillegg omhandler det konstruksjon og bruk av alle slags enheter for utsendelse og deteksjon av lys. Det er et teknologifelt som bruker lysets egenskaper for informasjonsbehandling. Takket være optoelektronikk er det mulig å oppnå, samle, overføre, behandle og presentere informasjon ved bruk av ulike elementer som fotoelektriske detektorer, laser-CD-faktorer, Irda-infrarøde porter, LCD-skjermer eller plasmaskjermer. Med andre ord: optoelektronikk er en kombinasjon av optikk og elektronikk.
Man kan skille mellom ulike typer optoelektronikk, som:
fiberoptisk
bildeteknikk
fotovoltaisk
IT
laser-optoelektronikk
Den har mange ulike anvendelser i felt som kjemi, fysikk og elektronikk. Optoelektronikk brukes i fiberoptisk telekommunikasjon samt i automatisering og robotikk. Takket være det er det mulig å skape datanettverk som er motstandsdyktige mot forstyrrelser. Det gjør det også mulig å lagre data på CD-er eller DVD-er. Det brukes også med suksess i fotovoltaikk, som omhandler omdanning av sollys til elektrisitet.
Framgang innen optoelektronikk
Optoelektronikk er et av nøkkelområdene som støtter utviklingen av den polske økonomien og forsvaret. Det spiller en avgjørende rolle i å levere viktige komponenter til landets forsvarssystem og utstyre den polske hæren. Innovasjonsleder i den polske optoelektronikkindustrien er PCO SA, basert i Warszawa, som i over 45 år har spesialisert seg på produksjon av produkter til individuell soldatutrustning og kampkjøretøy med optoelektroniske sensorer. Det tidligere utilgjengelige MT-1 termiske bildemonokular ble også utviklet der. Kombinasjonen av erfaring og kompetanse hos spesialister har resultert i utvikling av en enhet uten sidestykke, ikke bare på det polske markedet, men også globalt. Over tid kan man se at moderne optoelektroniske teknologier er innovative ideer som møter forventningene til brukere og industrien.
De beste jobbmulighetene kun innen optoelektronikk
Industrier hvor nyutdannede i optoelektronikk kan forvente arbeid:
Bedrifter og forskningsenheter som utfører prosjekter relatert til design, konstruksjon og bruk av komponenter til satellittenheter eller lasere
Forsknings- og utviklingsinstitutter
Offentlige og private universiteter som utdanner spesialister innen rom- og satellitteknologi
Institusjoner under Forsvarsdepartementet
Helseenheter innen drift og vedlikehold av medisinske laserapparater
Selskaper som bruker avanserte tekniske transportmidler
Selskaper som håndterer lagring og destruksjon av farlige stoffer
Territoriale forsvarsenheter innen drift og vedlikehold av sikkerhetssystemer
Er du interessert i temaet fotonikk? Sjekk også våre tjenester innen kontraktsproduksjon av elektronikk!
Suggested articles related to the topic of photonics:
Popular articles on our blog:
