Что такое фотоника и какие области она охватывает. Где применяются фотонные технологии. Почему фотоника считается ключевой технологией 21 века. Как начать карьеру в области фотоники.
Что такое фотоника и чем она занимается
Фотоника — это наука и технология, связанная с генерацией, передачей, обработкой, усилением и детектированием световых сигналов. Она изучает фундаментальные и прикладные аспекты взаимодействия света с веществом на уровне отдельных фотонов. Основные направления исследований в фотонике включают:
- Лазерную физику и технику
- Нелинейную и квантовую оптику
- Оптоэлектронику и интегральную оптику
- Волоконную оптику и оптическую связь
- Оптические материалы и метаматериалы
- Биофотонику и оптическую диагностику
Фотоника находится на стыке физики, химии, биологии, материаловедения и инженерных наук. Она использует достижения квантовой механики, физики твердого тела, нанотехнологий для создания новых оптических устройств и систем.
Ключевые области применения фотонных технологий
Фотонные технологии находят применение во многих сферах науки, промышленности и повседневной жизни:
Информационные технологии и телекоммуникации
Оптоволоконная связь, оптические компьютеры и системы обработки информации, квантовая криптография, голографическая память.
Медицина и биотехнологии
Оптическая диагностика и терапия, биосенсоры, лазерная хирургия, генетические исследования.
Промышленное производство
Лазерная обработка материалов, 3D-печать, контроль качества, метрология.
Экология и энергетика
Солнечные элементы, светодиодное освещение, оптические датчики для мониторинга окружающей среды.
Оборона и безопасность
Системы навигации, ночного видения, лазерное оружие, квантовые радары.
Почему фотоника считается ключевой технологией 21 века
Фотоника признана одной из важнейших технологий будущего по нескольким причинам:
- Огромный потенциал для инноваций и создания прорывных технологий
- Широкий спектр применений в различных отраслях экономики
- Возможность решения глобальных проблем (энергетика, экология, здравоохранение)
- Быстрый рост мирового рынка фотоники (более 7% в год)
- Создание новых высокотехнологичных рабочих мест
Многие страны реализуют масштабные программы поддержки исследований и разработок в области фотоники. Например, в ЕС действует платформа Photonics21, в США — Национальная фотонная инициатива.
Основные технологии и компоненты фотоники
К ключевым фотонным технологиям относятся:
- Лазеры и лазерные системы
- Светодиоды и другие источники света
- Оптические волокна и волноводы
- Фотодетекторы и оптические сенсоры
- Дисплеи и системы отображения информации
- Оптические модуляторы и переключатели
- Нелинейно-оптические и электрооптические устройства
Активно развиваются интегральная оптика и фотонные интегральные схемы, объединяющие множество оптических компонентов на одном чипе.
Перспективные направления развития фотоники
Среди наиболее многообещающих областей исследований в фотонике можно выделить:
- Квантовые технологии (квантовая криптография, квантовые вычисления и симуляции)
- Нейроморфная фотоника для искусственного интеллекта
- Плазмоника и метаматериалы
- Нанофотоника и фотоника на основе 2D материалов
- Оптогенетика и оптофармакология
- Компактные терагерцовые системы
- Фотонные квантовые технологии
Эти направления могут привести к появлению принципиально новых технологий в ближайшие 10-20 лет.
Как начать карьеру в области фотоники
Для успешной карьеры в фотонике требуется сочетание фундаментальных знаний и практических навыков. Вот несколько рекомендаций:
- Получите базовое образование в области физики, оптики, электроники или смежных дисциплин
- Изучите ключевые технологии фотоники (лазеры, оптоволокно, фотодетекторы и т.д.)
- Освойте программы для моделирования и проектирования оптических систем
- Приобретите навыки работы с оптическим оборудованием в лаборатории
- Следите за новыми разработками и трендами в фотонике
- Участвуйте в профильных конференциях и семинарах
- Рассмотрите возможность получения степени магистра или PhD в области фотоники
Карьерные возможности в фотонике есть как в научно-исследовательских организациях, так и в высокотехнологичных компаниях различных отраслей.
Заключение: будущее фотоники
Фотоника продолжает стремительно развиваться, открывая новые горизонты в науке и технологиях. Ожидается, что в ближайшие десятилетия фотонные технологии произведут революцию во многих сферах — от медицины и связи до энергетики и вычислительной техники. Специалисты в области фотоники будут играть ключевую роль в создании инновационных решений для глобальных вызовов 21 века.
фотоника
фотоника (англ. photonics) — область науки и техники, которая занимается изучением фундаментальных и прикладных аспектов генерации, передачи, модуляции, усиления, обработки, детектирования и распознавания оптических сигналов и полей, а также применением указанных явлений при разработке и создании оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств различного назначения.
Описание
Термин фотоника относится к широкой научно-технической области, объединяющей лазерную физику, оптоэлектронику, электрооптику, волоконную и интегральную оптику, нелинейную оптику, оптическую связь, оптическую обработку сигналов и голографию.
Фотоника включает в себя исследование и разработку методов генерации, обработки, хранения, передачи, детектирования и преобразования оптических сигналов и полей в широком спектральном диапазоне — от ультрафиолетового излучения (10–380 нм) до дальнего инфракрасного диапазона (760 нм–1 мм). В большинстве практических применений фотоники используется видимый и ближний инфракрасный диапазон длин волн (0,4–1,6 мкм).
Центральными областями исследований фотоники являются:
- физика и технология полупроводниковых соединений;
- метаматериалы и композитные наноматериалы с новыми физическими свойствами;
- полупроводниковые лазеры и светодиоды;
- физические свойства и технология получения новых типов оптических волокон;
- фотонные кристаллы, их физические свойства и применение;
- материалы и устройства интегральной оптики;
- нелинейная оптика и новые нелинейно-оптические материалы и устройства;
- оптоэлектронные и электрооптические устройства;
- высокоскоростные устройства обработки оптических сигналов;
- интеграция фотонных и электронных устройств.
Фотоника находится в постоянном развитии: возникают новые направления, технологии и материалы, открываются перспективные области применения. Начало этому процессу было положено созданием и быстрым внедрением волоконнооптических систем связи, стимулировавших прогресс в технологии производства полупроводниковых лазеров, оптических усилителей и модуляторов, приемников излучения и устройств коммутации.
Затем начали появляться оптические средства обработки и хранения информации, качественно новые датчики физических величин, прецизионные методы измерений и многое другое. Сегодня фотонные устройства применяются также для отображения информации и сигнализации, для преобразования светового и теплового излучений в электрическую энергию и для других целей.
Авторы
- Разумовский Алексей Сергеевич
- Наний Олег Евгеньевич
Напишите нам
- А
- Б
- В
- Г
- Д
- Ж
- З
- И
- К
- Л
- М
- Н
- О
- П
- Р
- С
- Т
- У
- Ф
- Х
- Ц
- Ч
- Ш
- Э
- Я
- A
- B
- C
- D
- E
- F
- G
- H
- I
- J
- K
- L
- M
- N
- O
- P
- Q
- R
- S
- T
- U
- V
- W
- X
- Z
Фотоника | это.
.. Что такое Фотоника?Фотоника
- фотоника — это наука о генерации, управлении и обнаружении фотонов, особенно в видимом и ближнем инфракрасном спектре, а также о их распространении на ультрафиолетовой (длина волны 10…380 нм), длинноволновой инфракрасной (длина волны 15…150 мкм) и сверхинфракрасной части спектра (например, 2…4 ТГц соответствует длине волны 75…150 мкм), где сегодня активно развиваются квантовые каскадные лазеры.
- фотоника
- Термин «фотоника» в области современной оптики наиболее часто обозначает
- возможность создания фотонных технологий обработки сигналов
- то же самое, что «электроника»
Некоторые источники[2] отмечают, что термин «оптика» постепенно заменяется новым обобщённым названием — «фотоника».
Фотоника покрывает широкий спектр оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств и их разнообразных применений. Коренные области исследований фотоники включают волоконную и интегральную оптику, в том числе нелинейную оптику, физику и технологию полупроводниковых соединений, полупроводниковые лазеры, оптоэлектронные устройства, высокоскоростные электронные устройства.
Содержание
|
Междисциплинарные направления
Благодаря высокой мировой научной и технической активности и огромной востребованности новых результатов внутри фотоники возникают новые и новые междисциплинарные направления:
- Микроволновая фотоника изучает взаимодействие между оптическим сигналом и высокочастотным (больше 1 ГГц) электрическим сигналом.
- Компьютерная фотоника объединяет современную физическую и квантовую оптику, математику и компьютерные технологии и находящуюся на этапе активного развития, когда становится возможным реализовать новые идеи, методы и технологии.[3]
- Оптоинформатика — область науки и техники, связанная с исследованием, созданием и эксплуатацией новых материалов, технологий и устройств для передачи, приёма, обработки, хранения и отображения информации на основе оптических технологий.
Связь фотоники с другими областями наук
Классическая оптика Фотоника близко связана с оптикой. Однако оптика предшествовала открытию квантования света (когда фотоэлектрический эффект был объяснен Альбертом Эйнштейном в 1905).
Инструменты оптики — преломляющая линза, отражающее зеркало, и различные оптические узлы, которые были известны задолго до 1900. При этом ключевые принципы классической оптики, такие как правило Гюйгенса, Уравнения Максвелла, и выравнивание световой волны не зависят от квантовых свойств света, и используются как в оптике, так и в фотонике.
Современная оптика Термин «Фотоника» в этой области приблизительно синонимичен с терминами «Квантовая оптика», «Квантовая электроника», «Электрооптика», и «Оптоэлектроника». Однако каждый термин используется различными научными обществами с разными дополнительными значениями: например, термин «квантовая оптика» часто обозначает фундаментальное исследование, тогда как термин «Фотоника» часто обозначает прикладное исследование.
История фотоники
Фотоника как область науки началась в 1960 с изобретением лазера, а также с изобретения лазерного диода в 1970-х с последующим развитием волоконно-оптических систем связи как средств передачи информации, использующих световые методы.
Исторически, начало употребления в научном сообществе термина «фотоника» связано с выходом в свет в 1967 книги академика А. Н. Теренина «Фотоника молекул красителей». Тремя годами раньше по его инициативе на физическом факультете ЛГУ была создана кафедра биомолекулярной и фотонной физики, которая с 1970 г. называется кафедрой фотоники.[4]
А. Н. Теренин определил фотонику как «совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов». В мировой науке получило распространение более позднее и более широкое определение фотоники, как раздела науки, изучающего системы, в которых носителями информации являются фотоны. В этом смысле термин «фотоника» впервые прозвучал на 9-ом Международном конгрессе по скоростной фотографии (Denver. USA. 1970).
Термин «Фотоника» начал широко употребляться в 1980-х в связи с началом широкого использования волоконно-оптической передачи электронных данных телекоммуникационными сетевыми провайдерами (хотя в узком употреблении оптическое волокно использовалось и ранее).
Использование термина было подтверждено, когда сообщество IEEE установило архивный доклад с названием «Photonics Technology Letters» в конце 1980-х.
В течение этого периода приблизительно до 2001 г. фотоника как область науки была в значительной степени сконцентрирована на телекоммуникациях. С 2001 года термин «Фотоника» также охватывает огромную область наук и технологий, в том числе:
- лазерное производство,
- биологические и химические исследования,
- изменение климата и экологический мониторинг[5],
- медицинская диагностика и терапия,
- технология показа и проекции,
- оптическое вычисление.
См. также
- Квантовая оптика
- Фотонный кристалл
- Голография
- Электроника
Ссылки
- Сайт кафедры Фотоники и оптоинформатики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики
- Сайт кафедры Компьютерной фотоники и видеоинформатики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики
- Сайт кафедры Фотоники физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета
- Сайт кафедры Фотоники и Электротехники Харьковского Национального Университета Радиоэлектроники
- Образовательные материалы Лаборатории Лазерных Систем Новосибирского Государственного Университета
- Словарь терминов по фотонике. Сибирская Государственная Геодезическая Академия
- Журнал «Фотоника» Научно-технический журнал
- Проблемы рассеяния лазерного излучения в фотонике и биофотонике Квантовая Электроника, Специальный выпуск, Том 36, № 11-12, (2006)
Сибирская Государственная Геодезическая АкадемияПримечания
- ↑ Сайт кафедры Фотоники и Электротехники Харьковского Национального Университета Радиоэлектроники
- ↑ Физический факультет Ростовского государственного университета
- ↑ Сайт кафедры Компьютерной фотоники и видеоинформатики факультета Фотоники и Оптоинформатики СПБГУ ИТМО
- ↑ Сайт НИИ физики им. В. А. Фока.
- ↑ Journal of Biophotonics
Что такое фотоника? (+ Как начать карьеру в этой области)
Определение фотоники
Фотоника — это научное и технологическое применение световых частиц или фотонов. Фотоника также может описывать изучение любой другой лучистой энергии, квантом которой является фотон. «Квант» — это наименьшая измеримая единица физического свойства.
Например, квант света — это фотон, а квант электричества — это электрон. Фотоника фокусируется на генерации, обнаружении, передаче и управлении светом в ситуациях, когда его корпускулярная (фотонная) природа имеет важное значение.
В чем разница между оптикой и фотоникой?
Термин оптика часто используется взаимозаменяемо с фотоникой, но они имеют разные значения. Оптика — обширный раздел физики. Он изучает общее поведение и свойства света, а также зрение и восприятие. Фотоника — это подкатегория оптики, которая фокусируется на науке и технологии фотонов.
Фотоника очень тесно связана с квантовой оптикой. Квантовая оптика — это изучение света, в котором существенна его частица или квантовая природа. Разница между этими двумя дисциплинами в основном технологическая. Квантовая оптика имеет тенденцию быть более теоретической. Напротив, фотоника применяет концепции квантовой оптики для открытия и разработки практических приложений.
Подробнее: Что такое оптическая инженерия (+ Как стать инженером-оптиком)
Применение фотоники и примеры
Отрасли фотоники чрезвычайно разнообразны, поскольку технологии, основанные на свете, широко распространены в современной жизни.
Например, фотоника позволила изобрести оптоволокно для Интернета и передачи данных. Волоконно-оптические линии передают световые импульсы, которые рецепторы интерпретируют как данные для обмена с подключенными устройствами. Фотоны действуют как своего рода почтовые перевозчики, передавая информацию по стеклянным волокнам, размер которых примерно равен 1/10 толщины человеческого волоса. Список ниже содержит еще несколько примеров применения фотоники в повседневной жизни.
Ночное видение. Ночное видение является неотъемлемой частью систем безопасности, наблюдения и визуализации. Он используется в процессах усиления изображения, автомобилях и военном снаряжении.
Визуализация головного мозга. В дополнение к диагностике визуализация головного мозга необходима для хирургических процедур. Световые технологии в медицинской визуализации включают позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ), функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) и функциональную спектроскопию ближнего инфракрасного диапазона (fNIRS).
Фотонные датчики. Фотонные датчики преобразуют свет в электрические сигналы. Эта технология широко используется в энергетике. Чаще всего фотонное зондирование используется для солнечной энергетики и мониторинга ветра, нефти и геотермальной энергии.
Карьера в области фотоники
По данным Бюро статистики труда США (BLS), карьера в области фотоники относится к области архитектуры и инженерии [1]. Ожидается, что занятость в этом секторе вырастет на 6 процентов в период с 2020 по 2030 год. Эта цифра соответствует примерно 46 000 новых рабочих мест. Большая часть роста рабочих мест, прогнозируемых в этой области, может быть отнесена к машиностроению. Факторы, способствующие росту числа инженерных рабочих мест, включают повышенный интерес к возобновляемым источникам энергии, робототехнике и восстановлению инфраструктуры [2].
Разработка и исследования в области фотоники
Если вы хотите начать карьеру в области фотоники, вы можете подумать о том, чтобы стать инженером по фотонике.
Инженер-фотоник — это широкое название, охватывающее множество различных специализаций. Конкретные должностные обязанности различаются в зависимости от отрасли, но перечисленные ниже обязанности относятся к большинству должностей инженеров в области фотоники:
Разработка оборудования для фотоники, такого как оптические волокна
Анализ характеристик существующих материалов и машин для фотоники
Написание исследований отчетов и грантов
Наблюдая за производством новой технологии фотоники
Документирование спецификаций и требований для использования компании
.
Зарплата инженера по фотонике
Средняя зарплата инженера по фотонике в США составляет $80 055 в год [3]. Инженеры-фотоники также сообщают о средней годовой дополнительной оплате в размере 26 118 долларов США . Дополнительный доход может включать комиссионные, бонусы и участие в прибылях.
В совокупности эти цифры составляют общую предполагаемую годовую заработную плату в размере 90 015 106 173 долларов США.
Связанные должности и должности
Если вы ищете работу в области фотоники, вы также можете столкнуться со следующими родственными должностями:
Экспериментатор фотоники. Экспериментаторы в области фотоники сосредотачиваются в основном на практической работе в лаборатории. Они работают с командами дизайнеров и инженеров, чтобы оптимизировать продукты, автоматизировать рабочие процессы и участвовать в экспериментах по проверке концепции.
Оптическая инженерия
Как и фотонная инженерия, оптическая инженерия является специализированной отраслью физики и техники. Инженеры-оптики используют оптику и инженерные концепции, чтобы определить, как свет можно использовать для создания устройств. Сходство между оптикой и фотоникой создает значительное совпадение между соответствующими областями. Соответственно, кто-то, кто хочет начать карьеру в области фотоники, может также найти подходящую для себя роль в оптической инженерии.
Как получить работу в области фотоники
Многие инженеры фотоники начинают свою карьеру со степени в области электротехники, физики или смежных областях. В таблице ниже показаны некоторые из наиболее популярных специальностей для инженеров-фотоников [4].
Например, сопоставьте язык, который вы используете для описания своих навыков, с языком, который работодатели используют в списках вакансий. Работодатели часто используют системы отслеживания кандидатов (ATS), которые позволяют рекрутерам фильтровать резюме по ключевым словам и быстро обрабатывать кандидатов. У вас больше шансов быть выбранным, если ваш язык соответствует терминам, которые они ввели в ATS. Вы можете прочитать еще девять способов улучшить свое резюме в статье ниже.
«> Дом
«> Учебники
Таким образом, он в значительной степени основан на оптических технологиях (→ оптика), дополненных современными разработками, такими как оптоэлектроника (в основном с использованием полупроводников), лазерные системы, оптические усилители и новые материалы (например, фотонные метаматериалы).
Научная основа находится в основном в физике, в частности в оптической физике и смежных областях, таких как лазерная физика и квантовая оптика.
частотная метрология для сверхточного измерения времени или расстояния с помощью лазеров
: Нобелевская премия по физике присуждена Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамуре «за изобретение эффективных синих светодиодов, которые позволили создать яркие и энергосберегающие источники белого света» (→ светоизлучающие диоды)
Бойлу и Джорджу Э. Смиту. «за изобретение полупроводниковой схемы формирования изображения – ПЗС-сенсора»
: Нобелевская премия по физике присуждена Стивену Чу, Клоду Коэн-Таннуджи и Уильяму Д. Филлипсу «за разработку методов охлаждения и захвата атомов с помощью лазерного излучения» (→ лазерное охлаждение)
Этот процесс может занять много лет, даже если фотонные решения предлагают существенные преимущества, или даже могут потерпеть неудачу.
(Это также во многом связано с короткими оптическими длинами волн.)
Например, необходим широкий спектр лазерных технологий, чтобы охватить различные комбинации оптической длины волны, средней мощности, энергии импульса, длительности и частоты повторения.
Обратите внимание, что некоторые из этих параметров, такие как длительность импульса и энергия импульса, могут варьироваться в широких пределах, охватывающих несколько порядков величины.
Поэтому, как правило, невозможно просто сделать разные варианты лазерной системы того или иного типа.
В других случаях инвесторы поддерживают небольшие начинающие компании, надеясь, что их часть акций со временем приобретет стоимость, кратную первоначальным вложениям.
Поскольку потенциал фотоники уже хорошо известен инвесторам, такие подходы стали вполне реальными.
Однако существенные риски остаются для всех участников — в том числе и для технологических инициаторов, которым может достаться довольно небольшая доля созданной стоимости.
Следовательно, для того, чтобы сделать технологию экономически жизнеспособной, несмотря на ограниченное количество продаж, требуется значительная маржа продаж.
Небольшие объемы производства также не позволяют использовать высокорентабельные технологии массового производства.
Например, существуют некоммерческие центры коммерциализации технологий, которые субсидируются правительствами с целью поддержки новых технологических разработок со значительным экономическим потенциалом.
Кроме того, существуют специализированные частные компании, предлагающие услуги по разработке технологий, включая исследования рынка, разработку стратегий внедрения новых приложений и определение подходящих инструментов маркетинга продукции.
По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.
