Новые фотоника. Фотоника: перспективы развития и применения оптических технологий — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Какие основные направления развития фотоники в ближайшем будущем. Как оптические технологии меняют различные отрасли промышленности и науки. Каковы перспективы применения фотоники в вычислительной технике, телекоммуникациях и других сферах.

Содержание

История развития и основные вехи фотоники

Фотоника как наука зародилась в середине XX века и прошла несколько важных этапов развития:

1960-е годы — создание первых лазеров и мазеров советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым
1970-е годы — разработка оптического волокна для передачи информации
1980-е годы — появление термина «фотоника» и формирование ее как отдельной научной дисциплины
2000-е годы — активное внедрение фотонных технологий в различные отрасли промышленности и науки

Сегодня фотоника является одной из наиболее перспективных и быстроразвивающихся областей современной науки и техники. Она находит применение в телекоммуникациях, медицине, промышленном производстве, системах безопасности и многих других сферах.

Ключевые направления исследований в современной фотонике

Основные направления научных исследований и технологических разработок в области фотоники включают:

Создание новых типов лазеров и оптических усилителей
Разработку фотонных интегральных схем
Исследования в области нанофотоники и плазмоники
Развитие технологий квантовой оптики и квантовых вычислений
Совершенствование систем оптической связи и обработки информации

Особое внимание уделяется миниатюризации фотонных устройств и повышению их энергоэффективности. Это открывает новые возможности для применения оптических технологий в вычислительной технике и телекоммуникациях.

Перспективы применения фотоники в различных отраслях

Фотонные технологии активно внедряются в различные сферы и имеют большой потенциал для дальнейшего развития:

Телекоммуникации

Оптоволоконные системы связи обеспечивают высокоскоростную передачу данных на большие расстояния. Перспективным направлением является создание полностью оптических сетей и систем коммутации.

Вычислительная техника

Оптические и оптоэлектронные компоненты позволяют значительно повысить производительность компьютеров. Ведутся разработки полностью оптических процессоров и систем памяти.

Медицина

Лазерные технологии широко применяются в хирургии, офтальмологии, косметологии. Развиваются методы оптической диагностики и терапии заболеваний.

Промышленное производство

Лазерная обработка материалов, оптический контроль качества, аддитивные технологии на основе фотополимеризации — вот лишь некоторые примеры применения фотоники в промышленности.

Проблемы и перспективы развития фотоники в России

Несмотря на значительные достижения российских ученых в области фотоники, по объемам коммерциализации разработок Россия пока отстает от мировых лидеров. Основные проблемы развития отрасли в стране:

Недостаточное финансирование исследований и разработок
Слабая связь между наукой и промышленностью
Нехватка квалифицированных кадров
Отставание в области производства компонентной базы

Для преодоления этих проблем необходима реализация комплексной государственной программы поддержки фотоники, включающей:

Увеличение финансирования фундаментальных и прикладных исследований
Создание технологических консорциумов с участием научных организаций и промышленных предприятий
Развитие системы подготовки кадров для отрасли
Стимулирование производства отечественной элементной базы

При правильной государственной политике Россия имеет все шансы занять лидирующие позиции на мировом рынке фотоники в ближайшие годы.

Заключение: фотоника как технология будущего

Фотоника является одной из ключевых технологий XXI века, способной обеспечить прорывное развитие многих отраслей экономики. Оптические технологии позволяют создавать более быстрые, компактные и энергоэффективные устройства по сравнению с традиционной электроникой.

В ближайшие годы ожидается активное внедрение фотонных технологий в системы связи и передачи данных, вычислительную технику, медицину, промышленное производство и другие сферы. Это откроет новые возможности для повышения качества жизни людей и развития инновационной экономики.

Россия, обладая значительным научным потенциалом в области фотоники, имеет все шансы стать одним из мировых лидеров в этой перспективной отрасли. Для этого необходимы скоординированные усилия государства, науки и бизнеса по развитию отечественных фотонных технологий.

Фотоника: электроника будущего

Если XIX век называют веком пара, а прошлый век признан веком электроники, то нынешнее столетие – время фотоники. Именно наши ученые стали основоположниками фундамента фотоники: Басов и Прохоров создали первые мазеры и получили Нобелевскую премию, а другой Нобелевский лауреат – Жорес Алферов – изобрел светодиоды на полупроводниковых гетероструктурах. Несмотря на последующее отставание, сегодня Россия развивается достаточно быстрыми шагами в этой сфере.

Холдинг «Швабе» Госкорпорации Ростех является системным интегратором в области фотоники. В его составе работает целый кластер по производству оптических материалов: стекла, керамики, кристаллов. Другой кластер холдинга занимается созданием лазеров, которые являются суперосновой фотоники. Еще одно направление – это энергосберегающая светотехника с ее лазерными светодиодами. Об истории фотоники и успехах российских ученых – в нашем материале.

Как фотон потеснил электрон

С начала XIX века люди используют явление электричества для различных целей – от передачи энергии и информации до научных опытов и создания произведений искусства. Сегодня мы не можем представить свою жизнь без электричества и электроприборов, но на смену электронике уверенно движется молодая наука − фотоника.

В поисках альтернативы электронике для миниатюризации устройств и увеличения скорости передачи данных ученые давно обратили внимание на свет. Частицы света – фотоны – самые элементарные частицы, способные переносить электромагнитное взаимодействие. В отличие от электронов они не имеют массы и заряда, а значит, двигаются быстрее – со скоростью света, а также не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей. Кроме того, фотоны обладают гораздо большей дальностью передачи и большей шириной полосы пропускания сигнала. Термин «фотон» в 1926 году ввел в употребление американский физикохимик Гилберт Льюис.

Н.Г. Басов и А.М. Прохоров

Первым большим шагом к появлению новой науки фотоники стало изобретение лазера в 1958–1960-х годах. В 1964 году за работы в квантовой физике, которые привели к созданию первых мазеров и лазеров, Нобелевскую премию получили советские физики Александр Прохоров и Николай Басов, а также их американский коллега Чарльз Таунс. Это изобретение открыло новую страницу в изучении взаимодействия света с веществом и превращения одной энергии в другую. Лазеры прочно вошли в нашу жизнь, проникнув в медицину, промышленность, науку, военное дело, экологию и многие другие сферы.

Россия − родина фотоники

Само понятие «фотоника» родилось в нашей стране. Его придумал физикохимик, академик Александр Теренин, занимавшийся в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова (сегодня входит в холдинг «Швабе») вопросами фотосинтеза. Свой научный труд 1967 года он назвал «Фотоника молекул красителей».

Фотонику Теренин определял как науку, изучающую изменение физических и химических свойств вещества под действием света. Однако в мировое научное сообщество термин вошел гораздо позже, утвердившись уже в 1980-е годы.

А.Н. Теренин в лаборатории Государственного оптического института им. С.И. Вавилова. 1950-е гг.

Современное понятие фотоники более широкое. С одной стороны, это раздел физики, который изучает фотоны, их генерацию, распространение и определение, а также контроль и управление оптическими сигналами. С другой стороны, это раздел техники, занимающийся прикладными аспектами работы с оптическими сигналами и созданием на их базе разнообразных устройств.

Можно сказать, что к концу XX века фотоника фактически заменила собой оптику, включив в себя квантовую электронику, физику и технику лазеров, квантовую оптику и другие направления, для которых базовым процессом является передача энергии и информации посредством фотонов. Сегодня фотоника является аналогом электроники, только вместо электронов она использует квант электромагнитного поля – фотон.

«Шланг» для света и интернета

Еще одной революционной технологией, закрепившей успехи фотоники и изменившей мир, стало оптическое волокно. Передавать свет и информацию по стеклянному «кабелю» пробовали и раньше, но достичь нужного уровня технологий удалось только в 1970-е годы. Оптоволокно – это канал, состоящий из оптически прозрачного материала, по которому движется свет. Эта технология позволяет передавать информацию на гораздо большие расстояния и с большей скоростью, чем электронные средства связи.

Именно благодаря оптоволокну широкое распространение получил скоростной интернет, создавший подобие нервной системы для всего человечества, где любая информация распространяется практически мгновенно. Скорость передачи данных в оптоволоконных сетях исчисляется терабитами в секунду. Важная особенность оптоволоконных сетей – сложность в перехвате данных. Ежегодно в России прокладывается около 4 млн км оптоволокна.

В передаче информации с помощью света задействованы три базовых процесса: генерация, передача и распознавание. Для генерации используются не простые лампочки, а лазеры и светодиоды. Передача обязательно должна проходить в прозрачной среде, такой как воздух или оптоволокно. А для распознавания используются специальные устройства – фотодетекторы.

Еще одна интересная сторона применения оптоволокна – способность эффективно поглощать свет. Эта особенность может применяться в камуфляже, в создании телескопов и других устройств.

Тихая фотонная революция

Мы находимся в самом начале фотонной революции, хотя фотонные устройства уже давно окружают нас – например, светодиоды или лазерные диоды. Эти устройства легкие, компактные, дешевые, прочные и долгоживущие, выделяют меньше тепла и требуют меньше энергии по сравнению с традиционными источниками света.

Технологии фотоники и устройства, созданные на их основе, шаг за шагом находят все большее распространение в мире. За последние 15 лет мировой рынок фотоники вырос более чем в три раза и по оценкам экспертов к 2025 году достигнет 838 млрд долларов США. Наиболее быстрорастущими секторами применения фотоники являются здравоохранение, информация и связь, а также промышленное производство. Без фотоники невозможна современная армия. Рынок растет как за счет увеличения использования уже известных технологий, так и за счет открытия новых. Новые возможности, которые несет фотоника, сравнимы с революционными результатами электрификации начала XX века.

На старте эры фотоники ученые России были в числе пионеров: наше первенство в квантовой электронике и лазерной технике неоспоримо. И сегодня нам необходимо восстанавливать позиции. По объемам продаж фотоники доля нашей страны в общемировом рынке – менее 1%. При этом в России сохранилась сильнейшая физическая школа, работающая именно в русле фотоники. Обладая большим научным потенциалом, мы пока уступаем другим государствам в коммерческом применении.

Крупнейшим в стране экспертом и системным интегратором в области фотоники является холдинг «Швабе» Госкорпорации Ростех. Входящие в него НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, Московский завод «САПФИР», НПО «Государственный институт прикладной оптики», Уральский оптико-механический завод имени Э.С. Яламова, НПО «Орион» и другие научные институты и предприятия создают уникальные технологии и продукты на основе фотоники.

Ученые «Швабе» проводят множество фундаментальных и прикладных исследований по различным направлениям фотоники, в результате которых получены значительные достижения в области создания оптико-электронных (телевизионных и тепловизионных) систем, комплексов и аппаратуры наблюдения, прицеливания, разведки и наведения оружия; оптических материалов и элементов, работающих в широкой области спектра, для оптических и оптико-электронных систем; лазерных дальномеров, лазерных целеуказателей-дальномеров, лазерной гироскопии; твердотельных детекторов и фотоприемных устройств на их основе. Благодаря работе предприятий холдинга «Швабе» Россия может в значительной мере обеспечить свои потребности в фотонной технике и предложить миру перспективные разработки.

Эксперты предлагают новые разработки для развития фотоники

Более 30 проектов по развитию фотоники предложили к реализации участники стратегической сессии в Пермском государственном национальном исследовательском университете (ПГНИУ).

Завершилось проведение стратегической сессии «Стратегическое развитие консорциума и Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) по направлению сквозной технологии Фотоника на 2021-2024 годы», организованной Центром компетенций по сквозной технологии НТИ «Фотоника» ПГНИУ совместно с Пермской научно-производственной приборостроительной компанией.

В работе приняли участие более 120 представителей институтов инновационного развития, научных организаций, вузов, промышленных предприятий, осуществляющих деятельность как непосредственно в сфере фотоники, так и в смежных отраслях и являющихся потребителями технологических решений и технических продуктов фотоники.

Участники стратегической сессии проанализировали технологические задачи индустриальных партнеров, которые могут быть решены научными организациями за счет применения решений фотоники, потребность научных организаций и промышленных предприятий в новых инновационных кадрах и задачи для вузов в части подготовки таких специалистов.

По итогам работы были сформулированы более 30 перспективных проектов, направленных на создание новых технических продуктов, разработку и внедрение новых образовательных программ, создание комплексной инфраструктуры (организационной, правовой, инженерной, информационной) для содействия развитию фотоники.

Для ряда технологических рынков были предложены разработки, которые могут стать основанием для развития существующих сегментов и формирования новых.

Так, например, для рынка оборудования, программного обеспечения, инжиниринговых и сервисных услуг для разномасштабных комплексных систем и сервисов интеллектуальной энергетики «ЭнерждиНет» была предложена разработка дистанционного электроснабжения через лазерное излучение. Реализация проекта повысит взрывобезопасность, молниезащиту, помехозащищенность датчиков и устройств конечного потребителя, даст возможность электропитания и управления устройствами по одному оптическому каналу, а уровень мощности от 250 мВт до 20 Вт на стороне потребителя позволит осуществлять электроснабжение прецизионных измерительных систем и датчиков.

Для рынка передовых производственных технологий «ТехНет» эксперты предложили разработать технологию создания конечных полимерных и композитных деталей с внедренными оптоволоконными датчиками для контроля деформаций и температуры на протяжении жизненного цикла изделия. Технология позволит снизить вероятность разрушения датчиков из-за жестких температурных режимов в процессе печати и сделает возможным их применение в отраслях с широким использованием аддитивных технологий.

Для дальнейшей реализации предложенных проектов были достигнуты предварительные договоренности о подготовке соглашений по работе в ряде направлений, в том числе по:

работе по созданию совместно с компаниями, входящими в состав ассоциации Аэронет, отечественной компонентной базы для беспилотных летательных аппаратов и малой авиации;
проведению совместно с федеральными институтами развития технологических конкурсов НТИ Up Great, направленных на решение задач по преодолению технологических барьеров в сфере фотоники и смежных отраслей;
совместной научно-образовательной деятельности по направлениям НТИ в кооперации с технопарком «Державинский», Севастопольским государственным университетом, ФИЦ республики Удмуртия, Вологодским государственным университетом;
проработке совместно с АО МИКРАН вопроса создания на базе ТУСУР регионального Центра компетенций по направлению фотоника;
разработке соглашения о сотрудничестве с лазерными центрами Санкт-Петербурга и Республики Татарстан.

Соглашения планируется подписать на XV международной выставке «Фотоника. Мир лазеров и оптики – 2021». Проекты, предложенные на стратегической сессии, уже рассматриваются организациями консорциума на предмет реализации и сопровождения.

Результаты работы с ними планируется представить во время Всероссийской конференции по волоконной оптике в октябре 2021 года.

Новые фотонные материалы могут обеспечить сверхбыстрые вычисления на основе света

18 июня 2022 г.

Новый фотонный материал Университета Центральной Флориды преодолевает недостатки существующих топологических конструкций, которые обеспечивают меньше функций и контроля. Новый материал также позволяет значительно увеличить длину распространения информационных пакетов за счет минимизации потерь мощности.

Фотонные материалы разрабатываются исследователями для обеспечения мощных и эффективных вычислений на основе света на основе вычислений.

Уникальные материалы, называемые топологическими изоляторами, напоминают вывернутые наизнанку провода с изоляцией внутри и током, протекающим снаружи.

Чтобы избежать проблемы перегрева, с которой сталкиваются сегодняшние все более мелкие схемы, топологические изоляторы могут быть включены в конструкции схем, чтобы обеспечить размещение большей вычислительной мощности в заданной области без выделения тепла.

Последнее исследование исследователей, которое было опубликовано 28 апреля в журнале Nature Materials , представило совершенно новый процесс создания материалов, в которых используется уникальная решетчатая структура с цепочками. Связанный сотовый узор был выгравирован исследователями лазером на куске кремнезема, материала, который часто используется для создания фотонных цепей.

Узлы конструкции позволяют исследователям регулировать ток, не сгибая и не растягивая фотонные провода, что необходимо для направления потока света и, следовательно, информации в цепи.

В новом фотонном материале устранены недостатки современных топологических конструкций, которые предлагали меньше функций и возможностей управления, но при этом поддерживали гораздо большую длину распространения информационных пакетов за счет минимизации потерь мощности.

Исследователи предполагают, что новый подход к проектированию, представленный биморфными топологическими изоляторами, приведет к отходу от традиционных методов модуляции, приблизив технологию световых вычислений на один шаг к реальности.

Топологические изоляторы также могут однажды привести к квантовым вычислениям.

Выполнение вычислений с использованием квантово-механических явлений, таких как суперпозиция и запутанность.

» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>квантовые вычисления, поскольку их функции могут использоваться для защиты и использования хрупких битов квантовой информации , что обеспечивает вычислительную мощность в сотни миллионов раз выше, чем у современных обычных компьютеров.

Исследователи подтвердили свои выводы, используя передовые методы визуализации и численное моделирование.

«Биморфные топологические изоляторы представляют собой новый сдвиг парадигмы в разработке фотонных схем, обеспечивая безопасную передачу световых пакетов с минимальными потерями», — говорит Георгиос Пириалакос, научный сотрудник Колледжа оптики и фотоники UCF и ведущий автор исследования.

Следующие шаги исследования включают в себя включение в решетку нелинейных материалов, которые могли бы обеспечить активное управление топологическими областями, таким образом создавая специальные пути для световых пакетов, говорит Деметриос Христодулидес, профессор Колледжа оптики и фотоники UCF и исследование соавтор.

Исследование финансировалось Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны; Управление инициативы многодисциплинарного университета военно-морских исследований; Инициатива многопрофильного университета Управления научных исследований ВВС; Национальный научный фонд США; Подразделение математики и физических наук Фонда Саймонса; Фонд В. М. Кека; Двойной американо-израильский научный фонд; Исследовательская лаборатория ВВС США; Deutsche Forschungsgemein-schaft; и Фонд Альфрида Круппа фон Болена и Хальбаха.

Авторами исследования также были Джулиус Бек, Маттиас Хайнрих и Лукас Дж. Мачевски из Университета Ростока; Мерседе Хаджавихан из Университета Южной Калифорнии; и Александр Шамейт из Ростокского университета.

Христодулидес получил докторскую степень в области оптики и фотоники в Университете Джона Хопкинса и присоединился к UCF в 2002 г. Пириалакос получил докторскую степень в области оптики и фотоники в Университете Аристотеля в Салониках, Греция, и присоединился к UCF в 2020 г.

Ссылка: «Биморфные топологические изоляторы Флоке» Георгиоса Г. Пириалакоса, Юлиуса Бека, Матиаса Генриха, Лукаса Дж. Мачевски, Николаоса В. Кантарциса, Мерседе Хаджавихан, Александра Шамейта и Деметриоса Н. Христодулидеса, 28 апреля 2022 г., Природа Материалы.
DOI: 10.1038/s41563-022-01238-w

Следующая волна инноваций в фотонике

Статья (10 страниц)

Эйнштейн заложил основы лазерной технологии в своей новаторской статье «Квантовая теория излучения», опубликованной в 1917 году. от науки к хирургии. С тех пор уникальная способность лазеров создавать узкий сфокусированный пучок света позволила использовать его во многих других случаях, включая сканирование штрих-кодов, секвенирование ДНК и производство полупроводниковых чипов. В одном из самых новых приложений, марсоход НАСА Curiosity использовал лазерное оборудование для взрыва камней на Марсе, что позволило ученым проанализировать химические вещества в образующихся парах.

Хотя рынок лазеров неуклонно растет с 1970-х годов, рост инноваций и доходов за последнее десятилетие замедлился. Многие недорогие компании вышли на рынок по мере развития базовой технологии. Это оказало давление на среднюю цену продажи лазеров, используемых в крупносерийных конечных продуктах, в том числе связанных с передачей данных в телекоммуникациях, маркировкой и гравировкой, а также биодатчиками. Но сейчас этот сектор может оказаться на пороге новой эры инноваций, когда лазеры все чаще объединяются с оптикой и датчиками, что позволяет использовать еще более сложные приложения. Эти интегрированные устройства, многие из которых все еще находятся в разработке в ряде отраслей, могут не только вернуть рынок лазеров на траекторию быстрого роста, но и стать основным источником стоимости.

Чтобы помочь заинтересованным сторонам фотонной отрасли оценить предстоящие возможности, мы провели анализ последних событий на рынках конечного лазерного оборудования. Затем мы подробно изучили секторы оптики и датчиков, сосредоточив внимание на уникальных возможностях, которые такие технологии могут предоставить в сочетании с лазерами. Заинтересованные стороны отрасли, включая владельцев, операторов и членов правления, осознали эти преимущества и быстро переходят к расширению технологических возможностей своих компаний посредством слияний, поглощений и стратегического партнерства. Инвесторы тоже прислушиваются.

Развивающийся и захватывающий рынок

Что важнее? Шесть приоритетов для руководителей в неспокойные времена
Женщины на рабочем месте 2022
Десять правил роста
Даже в метавселенной женщины остаются заблокированными на руководящих должностях.
Возможности чистого водорода для богатых углеводородами стран

Несмотря на то, что лазерная технология постоянно развивалась с момента ее появления, выделяются две эпохи инноваций. В 1970-х и 1980-х годах исследователи сделали важные открытия в физике основных лазеров, которые продвинули технологию, хотя многие приложения были ограничены научными, лабораторными и научно-исследовательскими установками. И за последние три десятилетия лазерные устройства действительно перешли из лабораторий в коммерческую сферу, поскольку они были усовершенствованы для повышения производительности, надежности и надежности. В это время появилось много новых применений лазеров, таких как хирургия, литография и сварка, что позволило совершить прорыв в самых разных отраслях, от здравоохранения до электроники и промышленного производства. Благодаря этим инновациям к 2020 году рынок лазерных устройств достиг 17 миллиардов долларов США9.0003

Несмотря на технологические достижения отрасли и высокие доходы, некоторые последние показатели вызывают обеспокоенность. Оцените темпы инноваций, измеряемые количеством зарегистрированных патентов. С 2001 по 2010 год исследователи подали в США более 29 000 заявок на патенты, связанные с лазерами, что более чем в два раза больше, чем за предыдущее десятилетие (Иллюстрация 1). Однако за период с 2011 по 2020 год было подано всего около 24 000 заявок. Это падение было аберрацией в отрасли, где число патентных заявок традиционно удваивалось каждое десятилетие.

Экспонат 1

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему веб-сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Пожалуйста, напишите нам по адресу: [email protected]

Наряду с уменьшением числа патентных заявок фокус технологий смещается в сторону некоторых из наиболее важных лазерных технологий — волоконных, диодных, твердотельных, углекислотных (CO ₂ ), эксимерный и квантовый каскад. (Эти категории кратко описаны во врезке «Обзор лазерной технологии».)

Волокно, крупнейшая категория лазеров, в настоящее время составляет более 45 процентов всех зарегистрированных патентов. Волокно увеличило свою долю отчасти потому, что оно может сфокусировать размер луча до микроуровня и генерировать больше энергии в меньшем корпусе, чем CO ₂. Таким образом, он обеспечивает оптимальную скорость и точность для резки металла и сварки, среди прочего. Волокно также позволило использовать новые медицинские приложения, особенно для дерматологических процедур.

Хотя квантово-каскадные лазеры столкнулись со значительными трудностями при разработке за последние 20 лет, их эффективность и диапазон длин волн открыли новые возможности в медицинской диагностике, оптических коммуникациях и мониторинге промышленных процессов. В последнее время эта категория растет быстрее, чем волокна. На его долю приходилось 19 процентов патентов за последнее десятилетие, по сравнению с 7 процентами с 2001 по 2010 год.

В целом количество патентных заявок на лазеры сокращается, потому что эти устройства, как правило, сохраняют свою эффективность после того, как закрепятся в отрасли. Инновационные лазерные технологии традиционно требуют десятилетий исследований и разработок и сотен миллионов инвестиций, прежде чем они будут готовы к выпуску на рынок, поэтому компании вряд ли будут искать альтернативы, как только они найдут работоспособное решение для своего приложения. Это, в свою очередь, означает, что доля категорий для всех основных лазерных технологий существенно не изменится в ближайшие несколько лет (Иллюстрация 2). Диод, оптоволокно, твердотельный и CO ₂ Технологии, на долю которых в настоящее время приходится 90 процентов доходов от лазеров, продолжат доминировать на рынке. Прогнозируется, что волоконная технология получит наибольший рост, в первую очередь из-за ее простой конструкции и стоимостного преимущества по сравнению с другими типами лазеров.

Экспонат 2

Хотите узнать больше о нашей передовой практике в области электроники?

Как и в прошлом, в большинстве отраслей промышленности будет использоваться более одного типа лазера, поскольку их приложения имеют разные потребности. Например, промышленные компании могут использовать волоконные лазеры для резки металла, но полагаются на лазеры CO ₂ для пластмасс, стекла и дерева, учитывая различные длины волн излучения и требования к производительности в зависимости от типа материала.

Даже при снижении количества патентных заявок рынок лазерных устройств должен испытать относительно сильный 10-процентный рост до 2025 года, достигнув стоимости около 28 миллиардов долларов (Иллюстрация 3). Аэрокосмический и оборонный сектор имеет хорошие возможности для достижения самого высокого роста в год (24 процента), учитывая более широкое использование высокопроизводительных и дорогостоящих лазеров для обнаружения, отслеживания и противодействия. Некоторые приложения, такие как хранение данных и печать, скорее всего, сократятся, поскольку технологии следующего поколения отойдут от лазера.

Экспонат 3

Отрасли, в которых наблюдается наибольший рост, все больше зависят от приложений, сочетающих лазеры с достижениями в других технологиях:

оптика, включая ряд активных и пассивных материалов, которые могут направлять, фильтровать или изменять определенные части света
Фотонные датчики (которые обнаруживают точное излучение света или энергии в фотонном спектре), включая некоторые длины волн УФ и ИК, которые обрабатываются в информацию об окружающей среде или приложении, в котором работает датчик

Тщательная координация оптических, лазерных и сенсорных технологий, особенно в отношении мощности, длины волны и оптического дизайна, имеет решающее значение для их успеха.

В дополнение к расширению числа потенциальных приложений, оптика и датчики также могут поднять производительность лазера на новый уровень. Например, интегрированные устройства уже имеют решающее значение для оптической когерентной томографии, неинвазивной процедуры получения двухмерных и трехмерных изображений ткани сетчатки. Чтобы определить весь потенциал интегрированных лазерных систем, мы сначала изучили секторы точной оптики и фотонных датчиков, изучив основные технологии, недавний рост и перспективные внедрения. Мы обнаружили, что оба рынка в настоящее время процветают и что рост числа встроенных лазерных устройств может еще больше увеличить их стоимость.

Рынок оптики

Рынок оптики общей стоимостью 33 миллиарда долларов включает в себя компоненты, которые могут повысить точность и производительность лазерных систем, такие как:

фильтры, обычно состоящие из стекла или пластика с покрытием, которые избирательно пропускают определенные длины волн света, блокируя или отражая другие
линзы, классифицируемые по типу и степени кривизны, которые фокусируют или рассеивают свет
зеркала, избирательно отражающие свет, как правило, для направления или складывания лучей
светоделители, которые разделяют свет (обычно по длине волны или направлению) и часто используются в устройствах, включающих как лазеры, так и датчики
призмы, обычно изготовленные из стекла, которые рассеивают свет на его составляющие по длине волны
адаптивная оптика, которая обычно объединяет несколько оптических компонентов и регулирует их свойства посредством механической или электрической артикуляции и управления

Прецизионная оптика, оцениваемая в 20 миллиардов долларов, представляет около двух третей стоимости всего рынка оптических компонентов, и до 2025 года ожидается сильный рост на уровне 8 процентов (Иллюстрация 4). Потребительские приложения, такие как биозондирование, безопасность и LiDAR для портативных устройств, вероятно, будут стимулировать большую часть спроса. На автомобильный, полупроводниковый и космический секторы также будет приходиться значительная часть доходов от высокоточной оптики.

Экспонат 4

Чтобы понять растущее влияние прецизионной оптики на производительность лазерных устройств, рассмотрим проточную цитометрию. В этом процессе лазер проецируется через биологический образец для оценки физических и химических характеристик отдельных клеток или частиц, в том числе в крови. В системах проточной цитометрии используются полосовые и дихроичные фильтры для ограничения длины волны света, проходящего к детекторам, что позволяет ученым идентифицировать определенные клетки или частицы в каждом образце (Иллюстрация 5).

Экспонат 5

В последние годы исследователи усовершенствовали фильтры для проточной цитометрии, чтобы повысить их точность и прецизионность, а также сделать возможным одновременное определение нескольких компонентов в одном образце. Эти обновления раздвинули границы проектирования и производства. Важность передовых полосовых и дихроичных фильтров отражается в том факте, что на них может приходиться в среднем от 10 до 20 процентов общих затрат на систему проточного цитометра.

Другие новаторы улучшили проточную цитометрию, заменив традиционную оптику, включая зеркала и фильтры, дисперсионным оптическим спектрометром. Помимо повышения точности этих устройств, такие новшества значительно ускорили пропускную способность образцов.

Следующая волна слияний и поглощений в передовых отраслях: вы готовы?

Рынок датчиков

фотонных датчика стоят 29 долларов.миллиардный рынок — около 16 процентов от более широкого рынка датчиков стоимостью 180 миллиардов долларов. Прогнозируется, что в этом сегменте будет наблюдаться устойчивый рост на уровне 9 процентов в год до 2025 года, достигнув в этом году выручки в размере 44 миллиардов долларов (Иллюстрация 6). Выделяются несколько областей применения:

Ожидается, что в автомобилестроении спрос будет расти на 21 процент в год, поскольку передовые системы помощи водителю и системы автономного вождения требуют датчиков с высокой точностью и разрешением.
В инфраструктуре спрос на датчики вырастет примерно на 14 процентов, поскольку новаторы разрабатывают более интегрированные лазерные устройства для измерения физических характеристик зданий, включая деформацию и вибрации.
Энергетический сектор может расти на 15 процентов в год, поскольку технология волоконно-оптических датчиков используется в приложениях для мониторинга и измерений, некоторые из которых могут помочь сократить количество отходов и загрязнения.
Ожидается, что ежегодный рост в аэрокосмической и оборонной отраслях достигнет 8 процентов, поскольку автоматизированные приложения, более широкое использование воздушных лидаров и новые инструменты дистанционного зондирования стимулируют спрос.

Экспонат 6

Технологии фотонных датчиков включают кремниевые фотодиоды, которые широко используются в приложениях, где требуется большое количество детекторов. Например, кремниевые фотоумножители используются в LiDAR (который использует свет в виде импульсных лазеров для измерения расстояния) и в сценариях использования времени пролета (которые включают определение расстояния или глубины между источником и другим объектом).

Поскольку OEM-производители все чаще обращаются к системам фотоники для удовлетворения потребностей клиентов, границы между поставщиками компонентов, поставщиками подсистем и интеграторами устройств, вероятно, будут продолжать стираться.

Точно так же датчики с зарядовой связью (ПЗС) и дополнительные датчики металл-оксид-полупроводник, оба из которых используют кремниевые фотодиоды, находят широкое применение в спектроскопии, машинном зрении и оборонных приложениях.

Другой пример: промышленные режущие лазеры, используемые в производстве, начинают приобретать новые возможности за счет интеграции прецизионной оптики и датчиков. Сначала операторы станка задавали параметры, и лазер выполнял рез точно в соответствии с заказом, без каких-либо корректировок в процессе. Более современные устройства включают датчики, которые определяют такие параметры, как чистота поверхности, плотность, глубина резания и термическая нагрузка на материалы. Такие устройства не только обеспечивают корректировку в реальном времени, но также содержат прецизионную оптику, часто светоделительные фильтры, позволяющие выполнять как лазерную резку, так и лазерные измерения на одном и том же оптическом пути (Иллюстрация 7).

Экспонат 7

Следующие шаги для компаний в секторе фотоники

По мере того, как заинтересованные стороны в отрасли изучают возможности фотоники и интегрированных устройств, слияния и поглощения заслуживают повышенного внимания. Несмотря на недавнюю волну сделок, индустрия лазерных устройств остается раздробленной, и многие мелкие игроки с доходом менее 250 миллионов долларов сосредоточены на специализированных нишах. Эта фрагментация предполагает, что операторы, члены совета директоров и инвесторы могут найти множество возможностей для синергетического объединения или партнерства.

Некоторые производители лазеров и конечные потребители уже заключают такие сделки , чтобы облегчить создание устройств, объединяющих прецизионную оптику, датчики и лазеры. Например, крупный поставщик литографических систем недавно приобрел компанию, производящую прецизионную оптику, чтобы получить дополнительные возможности для продуктов с экстремальным и глубоким ультрафиолетовым излучением. Другая ведущая компания, занимающаяся промышленными приложениями, приобрела миноритарные доли в некоторых фирмах, занимающихся лазерными технологиями, чтобы расширить свои возможности в области обработки материалов. Он также приобрел компанию, которая производит многие компоненты и продукты фотоники, используемые в датчиках для автономного вождения, смартфонах и цифровой передаче данных.

Поскольку интеграция лазеров, датчиков и оптики становится все более важной для создания ценности в системах следующего поколения, операторы и члены совета директоров должны переосмыслить свои стратегии в отношении продуктов и изменить свою позицию в цепочке создания стоимости. Например, потребность в эффективной интеграции и мониторинге в реальном времени, вероятно, повысит важность программного обеспечения в этой отрасли, традиционно ориентированной на аппаратное обеспечение. Новые требования к удобству обслуживания, такие как удаленная диагностика, регулировка и калибровка, также могут создать дополнительные возможности для предоставления услуг в течение всего срока службы каждой системы. И поскольку OEM-производители во всех сегментах рынка все чаще обращаются к системам фотоники для удовлетворения потребностей клиентов, границы между поставщиками компонентов, поставщиками подсистем и интеграторами устройств, вероятно, будут продолжать стираться.

Как и любой сектор высоких технологий, фотоника должна внедрять инновации, чтобы выжить. Хотя скорость инноваций в лазерных технологиях снижается, создание интегрированных устройств, сочетающих лазеры, датчики и оптику, может открыть новую эру возможностей. Компании, разрабатывающие такие устройства, теперь могут иметь преимущество первопроходца, поскольку конечные клиенты, скорее всего, будут искать стратегические партнерские отношения для изучения новых приложений и создания продуктовых предложений.