1 2 HMY 333 Φωτονική Διάλεξη 01 - Εισαγωγή Εργασίες = 10% Αξιολόγηση Σταύρος Ιεζεκιήλ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών iezekiel@ucy.ac.cy Green Park 111 Ενδιάμεση εξέταση = 30% Τελική εξέταση = 60% HMY 333 Lecture 01 Spring Semester 2015 3 Στο μάθημα αυτό θα εξετάσουμε το μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος μεταξύ περίπου 3 THz και 300 THz, που καλύπτει τον τομέα της οπτικής και φωτονικής: 1 km Wavelength (m) 1 cm 10 4 10 3 10 2 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 1 mm 1 µm 1 nm 4 Η φωτονική αφορά κυρίως τη μελέτη του φωτός την χρήση του. Ο στόχος του μαθήματος είναι να ενισχύσει την κατανόηση των οπτικών φαινομένων, οπτικά υλικά και οπτικών συσκευών και να δούμε πώς εφαρμόζονται. Τα βασικά ερωτήματα είναι - Longwave Medium wave Shortwave Ultrashortwave Extremely ultrashortwave Microwave Mm-wave Sub-Mm-wave Far-infrared Mid-infrared Visible Ultraviolet X-ray 1. Τι είναι το φως; 2. Πώς μπορούμε να μοντελοποιήσουμε το φως; Electronic techniques Optics 3. Πώς αλληλεπιδρά το φως με οπτικά υλικά; Microwaves THz Gap Photonics 30 khz 30 MHz 3 GHz 30 GHz 3 THz 3 PHz Frequency
5 6 Εφαρμογές της φωτονικής Η φωτονική είναι πλέον ένα σημαντικό μέρος της παγκόσμιας οικονομίας, με πολλαπλές εφαρμογές, όπως: Αποθήκευση δεδοµένων Πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το φως; Displays and lighting 7 Βιοφωτονική 8
9 Τηλεπικοινωνίες Ίσως η μεγαλύτερη εφαρμογή της φωτονικής είναι οι τηλεπικοινωνίες, και πιο συγκεκριμένα το διαδίκτυο, το οποίο δεν θα ήταν δυνατό χωρίς την τεχνολογία των οπτικών ινών: 10 Ενέργεια: φωτοβολταϊκά Κατασκευή: συγκόλληση με λέιζερ, τρισδιάστατο πυροσυσσωμάτωση 11 12
13 14 IT departments in financial capital markets are facing huge growth in the volume of market data, while they are also under pressure to improve trade execution times. In these environments, one extra millisecond of trade execution latency can mean as much as $100 million in lost trades per year. [Source: Mellanox.] Facebook invests in 55-terabit/s intra-asia submarine cable system Facebook has joined a consortium that will build by far the fastest intra-asia submarine fiber optic network, the Asia Pacific Gateway (APG). When the cable goes online in 2014, it will use 40Gbps channels, for a total capacity of 55 terabits per second, or a transfer speed of 6.9 terabytes (138 Blu-ray discs) per second. 15 http://www.arthitectural.com/wp-content/uploads/2013/04/02-table-of-opticks-sir-isaac-newton-1704.jpg Τι είναι η οπτική; 16 Η οπτική είναι ένα από τους πρώτους κλάδους της επιστήµης. Αφορά την παραγωγή, τη διάδοση, και την ανίχνευση του φωτός. Ανάκλαση (γεωμετρική οπτική) Περίθλαση (κυματική οπτική) Πόλωση (ηλεκτρομαγνητική οπτική)
17 Μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα, το θεωρητικό έργο του Maxwell και τα πειράματα του Hertz είχαν ως αποτέλεσμα την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του φωτός. Αυτό σημαίνει ότι το φως αποτελείται από συζευγμένα χρονομετάβλητα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που ικανοποιούν την εξίσωση κύματος (που η ίδια προέρχεται από τις εξισώσεις του Maxwell): 18 Όμως, η ανάπτυξη της σύγχρονης φυσικής (και ειδικά το έργο του Planck και Einstein) οδήγησε στο μοντέλο του φωτονίου c = speed of light = 2.998 10-8 ms -1 in vacuo c = fλ Solution is a travelling-wave: 2π k = λ ω = 2π T Energy of a photon: hc E = hf = λ h = Planck s constant = 6.626 10-34 J s 19 Το φως ως φωτόνια: Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο 20 Το φως ως φωτόνια: Το Φαινόμενο Compton Κάλιο Για το κάλιο, το κόκκινο φως δεν θα προκαλέσει την εκποµπή ηλεκτρονίων, ανεξάρτητα από την ένταση. Explained by Planck relationship: hc E = hf = λ Ένα εισερχόμενο φωτόνιο δίνει μέρος της ενέργειας του προς το ηλεκτρόνιο. Το διασκορπιζόμενο φωτόνιο έχει λιγότερη ενέργεια, η οποία σύμφωνα με την σχέση του Planck σημαίνει ότι θα έχει χαμηλότερη συχνότητα (δηλαδή μεγαλύτερο μήκος κύματος)
21