Podstawy fotoniki (2 h wykładu + 1 h laboratorium )

1. Podstawy fotoniki (2 h wykładu + 1 h laboratorium ) optoelectronics Michał Malinowski Zakład Optoelektroniki IMiO pokój 123 GR tel. 234 7783 m.malinowski@elka.pw.edu.pl

2. Podstawy fotoniki regulamin przedmiotu optoelectronics 1. Przedmiot składa się z wykładu i laboratorium 2. Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest uzyskanie pozytywnej oceny zarówno z wykładu jak i laboratorium. 3. Wykład zaliczany jest na podstawie dwóch kolokwiów; pierwszego w połowie, drugiego pod koniec semestru. Warunkiem zaliczenia jest uzyskanie pozytywnej oceny z każdego z kolokwiów. Studentowi przysługuje jeden termin poprawkowy każdego z kolokwiów. Ocena końcowa jest średnią z wszystkich ocen cząstkowych. 4. Ocena końcowa z laboratorium jest średnią ocen z poszczególnych ćwiczeń. 5. Ocenianie odbywa się w skali od 0 do 5. Osoby które wykazały rażące nieprzygotowanie bądź nie przystąpiły do sprawdzianu lub laboratorium otrzymują ocenę zero. 6. Tablica informacyjna przed wejściem do Zakładu Optoelektroniki IMiO, na 1 piętrze Gmachu Radiotechniki jest właściwym miejscem uzyskania informacji o przedmiocie. 7. Wszelkie wątpliwości i sytuacje nie objęte niniejszym regulaminem chętnie wyjaśni prowadzący wykład.

3. Podstawy fotoniki optoelectronics Schemat systemu komunikacji światłowodowej przetwarzanie i modulacja źródło generacja propagacja detekcja

4. Podstawy fotoniki optoelectronics Wykład dotyczy całokształtu zjawisk fizycznych leżących u podstaw działania urządzeń optoelektronicznych związanych z wytwarzaniem, propagacją, przetwarzaniem i detekcją promieniowania elektromagnetycznego z zakresu optycznego. Omawiane zjawiska ilustrowane są konkretnymi zastosowaniami i rozwiązaniami technicznymi. Wykład ma charakter podstawowy, stanowi również wstęp do przedmiotów z obszaru optoelektroniki laserowej, techniki światłowodowej, przetwarzania obrazu i układów optoelektronicznych rozwijanych w ramach specjalności EIK. Jednym z zasadniczych celów jest zwrócenie uwagi na właściwości i specyfikę światła jako nośnika informacji (szczególnie dla potrzeb telekomunikacji i techniki cyfrowej) oraz na aplikacje wynikające z oddziaływania promieniowania z materią. -wstęp; relacje pomiędzy optyką geometryczną, falową, elektromagnetyczną i kwantową -generacja i otrzymywanie promieniowania, -propagacjaświatła, -przetwarzanie i modulacja, -detekcja promieniowania. Wykład traktuje osobno zagadnienia związane z współczesnymi aplikacjami i perspektywami rozwoju systemów optoelektronicznych w telekomunikacji i informatyce. Inna grupa zagadnień związanych z wykorzystaniem oddziaływania promieniowania z materią zostanie przedstawiona na przykładzie zastosowań laserów w procesie produkcji półprzewodnikowych układów scalonych oraz zastosowań laserów w medycynie.

5. Podstawy fotoniki optoelectronics Literatura H. Haken „Światło - fale, fotony, atomy” C. Kittel „Wstęp do fizyki ciała stałego” J. Petykiewicz „Optyka falowa” J. Petykiewicz „Podstawy fizyczne optyki scalonej” I.W. Sawiliew „Wykłady z fizyki 3” J. Helsztyński „Modulacja światła spójnego” F. Kaczmarek „Wstęp do fizyki laserów” K. Gniadek „Optyczne przetwarzanie informacji” K. Shimoda „Wstęp do fizyki laserów” J.I. Pankove „Zjawiska optyczne w półprzewodnikach” R. Feynman „Wykłady z fizyki T1/2” M. Bertolotti „Masery i lasery” A. Kujawski, P. Szczepański „Lasery - podstawy fizyczne” M. Malinowski „Lasery światłowodowe” B. Salech „Fundamentals of photonics”

6. optoelectronics Ludzkość uczy się kształtować właściwości materii: czas Ostatnie osiągnięcia optyczne elektryczne mechaniczne • Pinceta laserowa • Optyczne schładzanie • Stany kwantowe splątane • Czujniki światłowodowe • Optyczne Mikro-Elektro- Mechaniczne Systemy

7. Podstawy fotoniki optoelectronics silne oddziaływanie elektron-elektron słabe oddziaływanie foton-foton ELEKTRONIKA FOTONIKA

8. optoelectronics Nanoelektronika Nanofotonika Czas Kryształy fotonowe PBG (~ 2000) Elektronika molekularna (~ 2000) Zintegrowane układy optyczne OIC Układy VLSI (1980-90) Światłowody planarne Optyka światłowodowa Układy scalone (1958) Laser (1960) Tranzystory (1947) Lampy (1904) ELEKTRONIKA FOTONIKA Rozmiar

9. optoelectronics Historia, geneza • Nowe osiągnięcia: • laser • włókna światłowodowe • półprzewodnikowe urządzenia optyczne • Nowedziedziny: • optoelektronika • zagadnienia związane z wzajemną konwersją promieniowania świetlnego i sygnału elektrycznego • elektro-optyka • elektronika kwantowa • optyka kwantowa • technika światłowodowa fotonika

10. optoelectronics Historia Teoria falowa (Fresnel) Empiryczne prawa załamania (Snell) “...and the foot of it of brass, of the looking glasses of the women assembling,” (Exodus 38:8) Światło i ciśnienie fali (Descartes) Fala poprzeczna, polaryzacja , interferencja (Young) Prostoliniowa propagacja (Euclid) Zasada najkrótszego czasu (Fermat) Światło i magnetyzm (Faraday) Najkrótsza droga (Prawie prawda!) (Hero of Alexandria) v<c, i dwa rodzaje światła (Huygens) Teoria EM (Maxwell) Płaszczyzna padania Zwierciadła wklęsłe (Al Hazen) Odrzucenie eteru, wczesna MQ (Poincare, Einstein) Korpuskuły, eter (Newton) -1000 0 1000 1600 1700 1800 1900 2000

11. optoelectronics SM włókno (Hicks) Historia współczesna http://www.sff.net/people/Jeff.Hecht/chron.html Laser (Maiman) Teleskop Hubblea http://members.aol.com/WSRNet/D1/hist.htm folie Polaroid (Land) Kontrast fazowy (Zernicke) EDFA Włókno optyczne (Lamm) HeNe (Javan) Maser optyczny (Schalow, Townes) GaAs Mechanika Kwantowa FEL (Madey) Prędkośc/Światło (Michaelson) CO2 (Patel) Holografia (Gabor) Komercyjne łącze światłowodowe (Chicago) Emisja Spontaniczna (Einstein) Inne lasery 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

12. Kroki milowe optoelektroniki optoelectronics Javan invents He-Ne laser Maiman pierwszy LASER (rubinowy) Townes pierwszy MASER Schawlow and Townes propose LASER Spectra -laser szafir-tytan pierwszy system komunikacji optycznej (Chicago) Alferov buduje laser heterozłączowy IBM - pierwsza drukarka laserowa Hall buduje laser półprzewodnikowy Einstein przewiduje emisję wymuszoną odtwarzacz CD nanowire laser UCB Nakamura niebieska dioda laserowa Faist builds quantum cascade laser Chapin, Fuller Pearson ogniwo słoneczne 1910 1970 1980 1990 2000 1920 1930 1940 1950 1960

13. optoelectronics czytniki kodów paskowych Optoelektronika w życiu codziennym fotografia cyfrowa odtwarzacze CD, DVD drukarki laserowe Wyświetlacze obrazu, monitory ...

14. optoelectronics Światło promień, fala czy cząstka? • cząstka - Isaac Newton (1642-1727) • fala - Huygens (1629-1695) • dualizm- korpuskularno-falowy De Broglie (1924)

15. optoelectronics Fale elektromagnetyczne

16. optoelectronics Dlaczego używamy światło? - Pasmo!' The rate at which you can transmit information is limited to a fraction of the frequency of the 'carrier wave' FaleNazwaCzęstotliwość MF Radio 1MHz, 1000,000Hz HF Radio 10MHz, 10,000,000Hz VHF Radio 100MHz 100,000,000Hz Microwaves 10GHz 10,000,000,000Hz Infrared Light 200THz 200,000,000,000,000Hz! • Dlatego dla multi-GHz transmisji musimy używać światło!

17. optoelectronics Fale elektromagnetyczne

18. optoelectronics = f 1015Hz Światło widzialne

19. Światło widzialne optoelectronics od 360 do 720 nm 400 nm 450 nm 500 nm długość fali 550 nm 60 0 nm 650 nm 70 0 nm

20. Światło widzialne optoelectronics od 360 do 720 nm

21. Światło widzialne optoelectronics od 360 do 720 nm Komunikacja optyczna

22. optoelectronics OPTYKA KWANTOWA TEORIA POLA EM OPTYKA FALOWA OPTYKA GEOMETRYCZNA czas

23. optoelectronics Fale Cząstki • Zlokalizowane w przestrzeni. • Tor prostoliniowy. • Mają zdefiniowany pęd. • Nie mogą się nawzajem przenikać. • Rozciągłe w przestrzeni. • Mogą zakrzywiać swój bieg. • Charakteryzują się zakresem pędu. • Mogą się sumować (interferować) konstruktywnie bądź destruktywnie.

24. optoelectronics Podstawy fotoniki wykład 1 „Optyka geometryczna”

25. optoelectronics B r ò = Droga Optyczna = DO n ( r ) ds A Optyka geometryczna • Podstawowe pojęcia i postulaty • Światło rozprzestrzenia się w postaci promieni • Ośrodek optyczny jest scharakteryzowany współczynnikiem załamania n: • Czas potrzebny na przebycie drogi d: t = d/c = nd/c0droga optyczna: nd • Ośrodek optycznie niejednorodny: n(r) r=(x,y,z)czas jaki jest potrzebny by światło pokonało drogę od punktu A do B jest proporcjonalny do drogi optycznej c = n 0 c

26. Współczynnik załamania prędkość światła w próżni optoelectronics =  1 n prędkość światła w ośrodku c0= 2.998 x 108 m/s (niezależnie od ruchu obserwatora) sekunda jest definiowana przy pomocy zegarów atomowych jako 9.192631770 x 109 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu pomiędzy poziomami atomu Cezu 133 w 0 K, metr to dystans jaki pokonuje światło w próżni w czasie 1/(2.99792458 x 108) s 1 rok świetlny = (3.00×105 km/sec) × (3.16×107 sec) = 9.42×1012 km (odległość do najbliższej gwiazdy (Proxima Centauri) wynosi około 4.2 lat świetlnych)

27. optoelectronics Dlaczego światło zwalnia w czasie propagacji przez ośrodek? • w zasadzie prędkość światła się nie zmniejsza, • wydaje się, że tak się dzieje ponieważ światło jest wielokrotnie absorbowane i reemitowane (po pewnym czasie) przez atomy, molekuły ośrodka.

28. Dyspersja n = n(l) prędkość światła w próżni optoelectronics =  1 n prędkość światła w ośrodku Dyspersja n = n(l)

29. Dyspersja n = n(l) optoelectronics Tęcza

30. Odbicie światła optoelectronics

31. Załamanie światła optoelectronics Prawo Snella W 1621 r, Duński fizyk Willebrord Snell (1591-1626), odkrył zależność pomiędzy kątami padania i załamania światła przy jego przechodzeniu przez granicę różnych ośrodków:

32. Załamanie światła optoelectronics

33. Całkowite wewnętrzne odbicie optoelectronics Całkowite wewnętrzne odbicie dla  >c dla qc:

34. Droga optyczna optoelectronics • Najlepsza droga? • Vbiegu = 2Vpływania ocean ląd

35. Droga optyczna; DO optoelectronics tr = czas na uratowanie pływaka d d 1 2 t = + r v v 1 2 OCEAN (0, Y) 1 / 2 [ ] 2 ( ) 2 d = X - X + Y 1 1 1 d2 1 / 2 [ ] 2 2 d = X + Y d1 2 o (X,0) v = prędkość na lądzie 1 v = (X1, Y1) prędkość w wodzie LAND 2

36. Zasada najkrótszego czasu optoelectronics w 1657 r.– Pierre Fermat zaproponował zasadę najkrótszego czasu • Promienie optyczne biegną od punktu A do B po trajektoriach dla których droga optyczna posiada ekstremum- minimum • = czas na przebycie drogi jest najmniejszy • W ośrodku jednorodnym: n=const światło porusza się po liniach prostych (1601-1665) rachunek wariacyjny:

37. Droga optyczna; DO optoelectronics å = DO n s i i = i 1 P ò = DO n ( s ) ds S P c ò = ds v S m • Czas przejścia od A do B

38. Droga optyczna; DO optoelectronics Czas dt niezbędny na przebycie drogi od x do x+dx wynosi: B Szukamy drogi która zminimalizuje n(r) r=(x,y,z) A Rozwiązaniem jest równanie Eulera

39. optoelectronics Ośrodek niejednorodny Łatwo pokazać, że rozwiązanie jest równoważne prawu Snellazakładając bieg światła w serii warstw o różnej wartości współczynnika załamania.

40. Odbicie światła optoelectronics

41. Odbicie światła optoelectronics

42. Załamanie światła optoelectronics

43. Ośrodekniejednorodny optoelectronics

44. Ośrodek niejednorodny optoelectronics Ziemia Słońce Refrakcja atmosferyczna, czyli pozorne przesunięcia lub deformacje obiektów obserwowanych poprzez grube warstwy powietrza, np. gwiazd, tarczy słonecznej lub odległych budowli oraz wzniesień widocznych na horyzoncie. Na skutek refrakcji atmosfery obserwujemy opóźnione, eliptyczne zachody słońca Atmosfera

45. Miraże optoelectronics Chłodne powietrze Gorące powietrze Powierzchnia wody? Gorące powietrze Chłodne powietrze

46. optoelectronics Miraże górne Rysunek ukazuje jak w atmosferze ziemskiej zakrzywia się kierunek światła słonecznego odbitego od oazy na pustyni. Jeśli podczas bezwietrznej pogody obserwator znajdzie się tam, gdzie do chodzi światło odbite od oazy, to na przedłużeniu promieni wpadających do jego oka zobaczy on obraz prosty tej oazy nad horyzontem na tle nieba- to właśnie będzie miraż. Sama oaza ukryta jest przed obserwatorem za wypukłością powierzchni ziemi.

47. optoelectronics

48. optoelectronics

49. Równanie eikonału optoelectronics Promienie świetlne mogą być charakteryzowane przez powierzchnie do których są prostopadłe. Niech S(r) będzie funkcją skalarną taką, że powierzchnie o stałej wartości S (ekwipotencjalne) S(r) = const. są w każdym punkcie  do promieni. S(r) = const Jeżeli znamy S(r) to łatwo wyznaczyć bieg promieni gdyż normalna do powierzchni w punkcie r jest określona przez gradient wektora

50. Równanie eikonału optoelectronics gradient wektora Funkcję S(r) nazywamy EIKONAŁEM Eikonał jest analogiem do funkcji potencjału V(r) w elektrostatyce, w której rolę promieni świetlnych spełniają linie sił pola elektrycznego E = -V. Aby spełniać zasadę Fermata (główny postulat optyki geometrycznej) eikonał S(r) musi spełniać cząstkowe równanie różniczkowe zwane równaniem eikonału