Podstawy fotoniki

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

FOT

2

Wykład dotyczy całokształtu zjawisk fizycznych leżących u podstaw działania urządzeń optoelektronicznych związanych z wytwarzaniem (generacją), 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.
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 materii.

Wykład dotyczy całokształtu zjawisk fizycznych leżących u podstaw działania urządzeń optoelektronicznych związanych z wytwarzaniem (generacją), 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.
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 materii.


Treść wykładu
Wstęp; relacje pomiędzy optyką geometryczną, falową, elektromagnetyczną i kwantową. (2h)
Generacja i otrzymywanie promieniowania; wychodząc z założeń techniki kwantowej (kwantowanie pól we wnęce, oddziaływanie promieniowania z materią, statystyka fotonów i szumu), przedstawienie źródeł promieniowania niespójnego (ciała doskonale czarnego) i promieniowania spójnego (emisji wymuszonej). Porównanie właściwości promieniowania spójnego i niespójnego. Porównanie i omówienie zasady działania i właściwości wybranych źródeł promieniowania; źródła żarowego, luminescencyjnego, lasera półprzewodnikowego i lasera jonowego (6h).
Propagacja światła; omówienie propagacji promieniowania w wolnej przestrzeni i w strukturach ograniczonych (równania pola elektromagnetycznego, podkreślenie odmiennych warunków brzegowych dla różnych zakresów częstotliwości).Propagacja wiązki gaussowskiej powstającej w rezonatorze laserowym oraz jej transformacja w układach optycznych. Światłowody planarne i włókniste jako linie przemysłowe sygnałów optycznych i optoelektroniczne elementy czynne (wzmacniacze i generatory promieniowania). Urządzenia półprzewodnikowe w zintegrowanych układach otoelektronicznych. Parametry torów światłowodowych, zastosowania, przykłady (6h).
Przetwarzanie i modulacja; specyfikacja zakresu optycznego. Omówienie modulacji amplitudy, fazy, częstotliwości i polaryzacji promieniowania. Przedstawienie w opisie falowym i fotonowym zjawisk nieliniowych (efekt Pockelsa i Kerra, mieszanie częstotliwości i efekty wielofotonowe) i ich wykorzystania w optycznych układach telekomunikacyjnych i informatycznych. Elementy bistabilne, tranzystory optyczne, nieliniowe bramki optyczne, sprzęgacze świetlne i inne. Podstawy holografii i optyki fourierowskiej. Przedstawienie możliwości miniaturyzacji, sprawności, szybkości działania i żywotności tych urządzeń (6h).
Detekcja promieniowania oraz detekcja i przetwarzanie obrazu; zjawiska fotoelektryczne, fotowoltaiczne, fototermiczne. Podstawy fotometrii. Podstawowe parametry detektorów; pasmo, szumy, detekcyjność, czułośc spektralna. Techniki pomiarowe; korelacyjne i zliczania fotonów. Przetwarzanie obrazu. Omówienie wybranych detektorów promieniowania: fotorezystor, fotodioda, fotopowielacz. Liczniki kwantowe (scyntylacyjne) jako przykłady optoelektronicznych detektorów promieniowania podczerwonego i przenikliwego (6h).
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 (4h).


Zakres laboratorium
Celem laboratorium jest demonstracja, przybliżenie i poszerzenie przedstawionych na wykładzie zagadnień. Proponuje się zestaw ćwiczeń dotyczących następujących zagadnień:

1. źródła promieniowania i badanie właściwości ich promieniowania;(zasada działania, kostrukcje, parametry źródła żarowego, luminescencyjnego, diody półprzewodnikowej i lasera ciała stałego oraz koherencja czasowa i przestrzenna, geometria wiązki, parametry spektralne i energetyczne wytwarzanego przez nie promieniowania, oddziaływanie promieniowania z materią,
2. budowa i parametry pracy wybranych urządzeń laserowych; laser ciała stałego, laser półprzewodnikowy, laser gazowy,
3. detekcja promieniowania i obrazu; (zasada działania, konstrukcje, parametry), fotorezystor, fotodioda, fotopowielacz wzmacniacz obrazu oraz techniki pomiarowe sygnałów świetlnych,
4. cyfrowe przetwarzanie obrazu,
5. optyka światłowodowa i optyczna technika cyfrowa; parametry światłowodów, czujników światłowodowych, sprzęgaczy, optoelektroniczny zapis i odczyt informacji, układy optoelektroniki zintegrowanej.

1. J.R. Meyer-Arendt, Wstęp do optyki, PWN, Warszawa 1979.
2. R.I. Solouchin, Optyka i fizyka atomowa, PWN, Warszawa 1982.
3. J. Petykiewicz, Optyka falowa, PWN, Warszawa, 1986.
4. J.A. Baltrop i J.D. Coyle, Fotochemia - podstawy, PWN, Warszawa 1987.
5. P.A. Lindsay, Podstawy fizyczne elektroniki kwantowej, WNT, Warszawa 1979.
6. F. Kaczmarek, Wstęp do fizyki laserów, PWN, Warszawa 1979.
7. B.E.A. Salech i M.C. Teich, Fundamentals of photonics, Wiley N.Y. 1991.
8. H. Nishinara i inni, Optical integrated circuits, McGraw-Hill N.Y. 1989.
9. K. Gniadek, Optyka fourierowska, skrypt PW 1987.
10. W. Demtroder, Spektroskopia laserowa, PWN 1993.

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki