Знаменитый немецкий ученый Макс Планк, в честь которого названа фундаментальная физическая константа, заложившая основы совершенно нового понимания физики и света, однажды сказал, что фотоны ведут себя как разумные человеческие существа. А именно, при движении из всех возможных траекторий эти составляющие факторы каждого светового (электромагнитного) луча всегда выбирают тот, с которым они достигают цели в кратчайшие сроки.
С точки зрения этого свойства фотоны не эволюционировали. Они ведут себя одинаково с начала времени, то есть того, что мы считаем началом времени - с первого фотона, созданного созданием вселенной при Большом Взрыве, по крайней мере, в соответствии с тем, как мы сегодня предполагаем, что вселенная и все в ней возникло. Тем не менее, благодаря своей длинной истории, измеряемой миллиардами лет, обстоятельствам, в которых были обнаружены фотоны, и, прежде всего, тому, как они использовались, и как они развивались.
Огонь
Однако мы начнем рассказ о пути развития фотона - в масштабе вселенной - из его «недавней» истории. Единственные фотоны, которые человек знал до нескольких сотен тысяч лет назад, были те, что пришли с Солнца. Это были фотоны, которые он мог видеть или чувствовать - свет, необходимый для повседневной деятельности, а также тепло, необходимое для жизни. Все остальные, радиоволны, которые мы используем сегодня для передачи и получения информации, - ультрафиолетовое излучение, которое проникает к нам через озоновые дыры, затем X и гамма-лучи, которых мы часто боимся, были еще неизвестны. Для человека того времени все эти фотоны «жили в темноте», скрытые от его глаз и чувств.
Однако за сто тысяч лет до нас некий, любопытный и, прежде всего, настойчивый Макс Планк доисторических времен, согласно убеждениям современных антропологов и археологов, в темноте пещеры Вандерверк на территории современной Южной Африки, полностью изменил судьбу фотонов. А именно, первый контролируемый огонь был зажжен в этом месте, и там родился первый фотон, который был работой рук человека.
И будет свет. Овладев огнем, человек также овладел фотоном, не предвидя всех последствий навыка, который он приобрел в то время. Этот первый созданный фотон имел те же свойства, что и каждый из его предшественников, но также и его преемник - «разумно» выбрал свой путь в постоянной агонии своего рода «Гамлета» или, скорее, «фотонной» дилеммы, быть волной или быть частицей. Однако человек того времени не заботился об этом, потому что с этого момента фотон становится инструментом, который может заменить солнце в случае необходимости - чтобы осветить ночь, согреться, но также и инструментом, с помощью которого человек может защитить себя от врага или испугать его. Новинка в его повседневной жизни, готовить обед. Не поначалу, но в масштабах истории вселенной человек очень быстро видит еще одну полезную ценность своего изобретения - способность общаться световыми сигналами.
Через огонь к первым лампам
Прошли сотни тысяч лет, прежде чем человек сделал следующий эволюционный шаг в своих отношениях с фотоном, создав первые масляные лампы в 4500 году до нашей эры. Эти лампы использовали животный жир, давали слабый желтоватый свет и создавали много дыма. По имеющимся данным, первые свечи начали появляться за три тысячи лет до новой эры в Древнем Египте, но только древние римляне придумали использовать в них фитиль. Эти свечи также сделаны из животного жира, а пчелиный воск стал использоваться только в средние века. Одним из первых городов, улицы которого были освещены масляными лампами и свечами, был испанский город Кордова, около 1000 г. н.э.
В последующие годы фотоны не были в центре внимания человека, но индустриальный прогресс цивилизации неизбежно открыл дверь для дальнейшей эволюции фотонов. В 18 веке основное внимание уделялось паровым двигателям, но исследования в области газовых технологий также привели к созданию первой газовой лампы в 1792 году шотландским инженером и изобретателем Уильямом Мердоком, который в то время сотрудничал с Джеймсом Уаттом. Семь лет спустя он осветил свой дом в Корнуолле такими лампами, а в 1802 году он осветил весь завод в Бирмингеме, где он работал с Ваттом.
Параллельно с газовыми лампами стали появляться первые электрические. Алессандро Вольта сконструировал первую батарею в 1799 году, а в 1809 году Хамфри Дэви создал и публично продемонстрировал первую дуговую лампу, принцип работы которой основан на электрической дуге, которая создавалась во время электрического разряда между двумя углеродными электродами. Лампа Хамфри изгибалась примерно на 10 сантиметров и сияла примерно с той же интенсивностью, что и современные классические лампочки. Однако быстрый износ электродов во время электрического разряда также означал короткий срок службы такой лампы. Тем не менее, они начинают находить применение в кинематографии и в армии, учитывая, что они могут мгновенно осветить холст или цель высокоинтенсивным светом. К сожалению, такие лампы начинают неоправданно приписываться к целебным свойствам.
«Нельзя сказать, что мне это не удалось. Мне удалось найти десять тысяч решений, которые не работают ".
Фотоны, созданные классической лампой накаливания, ждали до конца 19-го века, чтобы увидеть свет. Автор упомянутой цитаты, американский инженер, изобретатель и предприниматель Томас Алва Эдисон, считается отцом современной классической лампочки, хотя несколько других ученых и инженеров изобрели подобные версии до него. Тем не менее, Эдисон был первым, кто коммерциализировал и интегрировал свое изобретение в более крупную систему, во многом благодаря тому, что ему приписывают конструкцию генератора постоянного тока. В гонке по поиску лампочки его крупнейшим конкурентом стал менее известный английский физик, химик и изобретатель сэр Джозеф Уилсон Свон. Они оба придумали одну и ту же идею - использовать в качестве источника света кусок провода (нити), нагретый потоком электричества. Формально, он выиграл эту гонку в феврале 1879 года,
Несколько месяцев спустя, в ноябре того же года, Эдисон запатентовал практически идентичное решение. Обе лампочки горели около десяти часов и имели одинаковый недостаток: они были недолговечными, то есть нить накала быстро сгороала из-за слабого вакуума; высокий ток потребовался для нагрева нити из-за низкого удельного сопротивления углерода; наконец, интенсивность тусклого света со временем уменьшалась из-за осаждения окиси углерода на внутренней стороне стекла колбы. Несмотря на небольшое отставание на старте, в итоге Томас Эдисон выходит победителем из этой гонки. А именно, Эдисон понял, что для нити накала необходимо использовать материал с более высоким удельным сопротивлением, который будет легче светиться потоком тока, и что необходимо улучшить вакуум в самой колбе, чтобы нить горела медленнее и, следовательно, сгорала медленнее. Уже в следующем 1880 году. Он запатентовал лампочку, которая горела в течение 16 часов при мощности 16 Вт. В современных лампах накаливания используется вольфрам, и первая такая лампа появилась на рынке в Венгрии в 1905 году от венгерской компании Tungsram. Хотя вольфрам в качестве материала был известен в то время, когда Эдисон запатентовал лампочку, технология обработки вольфрама не была доступна, поэтому Эдисон даже не задумывался о его использовании.
Лед
С того момента технология лампочек продвинулась и появились различные новые типы: неон, галоген, флуоресцентный свет. Однако, следующий фундаментальный поворотный момент на пути развития фотонов произошел в середине 20-го века, благодаря изобретению полупроводников. Хотя российский радиоинженер Олег Владимирович Лозер изучал влияние электролюминесценции на диоды, которые он использовал в 1920-х годах, Роберт Биард и Гари Питман, безуспешно пытаясь сконструировать лазер, в 1961 году запатентовали первую светодиодную лампу, излучающую свет в инфракрасном диапазоне. для человеческого глаза невидимая часть спектра.
Наконец, после того, как он укротил огонь и освоил первые фотоны, сотни тысяч лет спустя современный человек также освоил светодиоды. С этого момента и до сегодняшнего дня отношения между фотонами и людьми развивались со скоростью света. Светодиод и лазерный свет открывают невообразимый спектр применений тех же фотонов, с которыми человек работает с тех пор. Свет становится самым мощным средством передачи информации. Он соединяет мир, читает различные данные, хирургически работает на микрометровом уровне, точно и легко разрезает и обрабатывает некоторые из самых стойких материалов, и становится музыкальным инструментом, благодаря которому Жан-Мишель Жарр завоевал сердца зрителей. Фотоны становятся достаточно важными, чтобы посвятить себя целому новому направлению науки - фотонике.
Если игра слов из названия этого текста не останется просто хорошей языковой шуткой, фотоника позаботится об этом, что зашло так далеко и сумело остановить фотоны или, другими словами, заморозить свет. Путь к этим подвигам был непростым и включал в себя вклад большого числа ученых, инженеров, изобретателей. Чтобы полностью приручить свет, человек должен был полностью проникнуть в его природу.
На первый взгляд может показаться, что это не так, но современный мир движет светом. Каждое электронное письмо, телефонный звонок с наших мобильных устройств, набираемый на клавиатуре или экране телефона для поиска в Интернете, преобразуется в пакеты данных, которые преобразуются в свет, отправляемый по оптическим волокнам, с максимально возможной скоростью во вселенной, если это необходимо, с одного конца света на другой. Иногда за пределами нашей планеты, к космическим станциям или далеким звездам, в надежде на какой-то разумный ответ из дальних уголков космоса. Использование света полностью превзошло основную потребность в освещении темноты, свет стал незаменимым инструментом современного, технологически ориентированного человека, и это справедливо, потому что, если мы спросим себя, каков природный ресурс, который у нас в изобилии, мы скоро поймем, что это просто свет.
Свет, конечно, прежде всего, ответственен за жизнь на планете. Человек всегда восхвалял свет, учился им пользоваться, но также пытался его понять. Первое фундаментальное понимание света восходит к 17 веку и сэру Исааку Ньютону, который с помощью простой стеклянной призмы показал, что видимый свет - это набор цветов - спектр, который изменяется от красного, через желтый и зеленый, до синего и фиолетового. Также как радуга, которую мы иногда видим через капли дождя, которые играют роль призм Ньютона в этом естественном процессе, разлагая свет на составляющие цвета. В последующие годы свет, как его видимая, так и невидимая часть спектра, оказался под пристальным вниманием великих имен мировой науки.
В начале 20-го века сначала Макс Планк, а затем Альберт Эйнштейн показали, что природа света может быть, по меньшей мере, странной - свет действует как волна, но также как частица и, по крайней мере, выделил только один фотон, строительный блок света. Он будет проявлять волновые свойства в ситуациях, когда это необходимо, как если бы у него была целая компания его фотонных друзей. Позже Хайнценберг делает еще один шаг, объясняя через принцип неопределенности, что мы никогда не сможем узнать точно все об фотонах. Другими словами, мы никогда не сможем узнать их точное положение и скорость одновременно. Хотя эти теории противоречивы на бумаге, они нашли свою экспериментальную основу и осветили путь к науке под названием фотоники.
Фотоника
Термин фотоника появился в 1960-х годах с изобретением лазера, которым мы обязаны американскому инженеру Теодору Мейману. Сегодня лазеры широко используются в нашей повседневной жизни: в сканерах штрих-кодов, DVD-ридерах они являются неотъемлемой частью современных телекоммуникационных сетей, они очень помогают врачам, когда необходимо выполнить микроточные хирургические вмешательства, или рабочим на фабрике, когда им нужна точно такая же точность в разрезке массивных и твердых материалов, такие как дерево, сталь. Они используются в армии в качестве радаров и датчиков, они также используются в индустрии развлечений, и диапазон их применения неуклонно расширяется.
Что такое лазер и почему лазерный свет так важен и широко применяется? Лазерный свет не обычный свет. В обычном свете фотоны имеют разные энергии, направления и направления их путей слегка расходятся, а их волновые колебания не синхронизированы или, с профессиональной точки зрения, они не когерентны. Однако в лазерном свете фотоны, похоже, понимают, что рецепт великих дел - это единство и взаимная синергия, и они согласовывают свою энергию и направление движения а так же синхронизируют свои колебания.
И так волшебство создано.
Для их больших дел становится неважным, создаются ли фотоны газовыми лазерами (которые генерируют фотоны с использованием газов, таких как диоксид углерода, гелий, неон, аргон), так называемыми твердотельными лазерами (которые используют специальные кристаллы, из которых они получают фотоны), или с другой стороны, современные лазеры (которые «вытягивают» фотоны из квантовых ям, проводов, линий или точек, упакованных в полупроводники) настолько малы, что их можно интегрировать в один чип.
А возможность упаковки одного лазера на крошечный чип открывает двери для фотоники, и в последствии стать электроникой 21-го века, и для фотонов, чтобы заменить электроны и заменить электричество. Для того чтобы это произошло, лазеры являются необходимым, но не достаточным условием. Хотя они служат источниками, то есть генераторами сигналов, генерируемый свет должен сначала транспортироваться. В области больших систем транспорт лазерного света обеспечивается оптическими волокнами, и сегодня они связывают весь мир, проходя даже через недоступные ландшафты, такие как дно океана. По простому принципу закона полного внутреннего отражения, элементарный физический закон, который изучается уже в начальной школе, оптическое волокно, этот простой кусок стекла, сохраняет в себе свет, ведя его к желаемому месту назначения. Однако из-за таких эффектов, как дисперсия Керра, Бриллюэна, комбинационная нелинейность, внесла свои проблемы.
Чтобы решить эту проблему, фотоника должна была создать новые сложные устройства, такие как оптические усилители, способные усиливать свет непосредственно в оптической области, модуляторы и ремодуляторы, которые могут изменять форму оптического сигнала, различные типы оптических фильтров и т. д. Удивительно, но фотоника также научилась упаковывать эти элементы в один крошечный чип. Вместо волокон света на чипе направляется так называемыми волноводами, структурами, которые направляют и транспортируют светоподобные каналы - при необходимости, с помощью оптических ответвителей и делителей, они соединяют и разделяют световые сигналы и даже сохраняют свет с помощью кольцевых резонаторов. Человек регистрирует свет с помощью глаза, по крайней мере, той видимой части света. Он регистрирует некоторые другие «невидимые» части спектра с другими чувствами - инфракрасная часть спектра ощущается как тепло, ультрафиолетовая часть спектра, X , гамма-лучи и т. д. В фотонике «глаза» для света - это фотоприемники. В современных технологиях они сделаны на основе полупроводников и сконструированы таким образом, чтобы они могли чувствовать те части спектра, которые человеческий глаз не может воспринимать. Фотоника освоила упомянутые компоненты генерации, транспорта, обработки и обнаружения света.
Конечно, путь к полностью оптическому чипу еще не закончен. На этом пути ученые и инженеры в области фотоники сталкиваются с еще многими проблемами: полупроводниковые материалы, из которых сделаны лучшие волноводы, трудно комбинировать с полупроводниковыми материалами, из которых сделаны лучшие лазеры. Кроме того, сложные методы обработки световых сигналов по-прежнему невозможно выполнять в строго оптической области, но необходимо преобразовать в электрическую область, что снижает скорость работы и так далее. Фотоника интенсивно работает над этими проблемами, и научные статьи в престижных журналах, таких как Nature Photonics, раскрывают новые революционные открытия каждый месяц.
Освещая будущее
Футуристический и дальновидный, как возможность замены электронных чипов на легкие и создание в ближайшем будущем оптического компьютера на их основе, который будет функционировать на невообразимо высоких скоростях, фотоника представляет собой гораздо больше, чем упомянутые устройства и смелые видения. Фотоника - это также почти научно-фантастический метаматериал, искусственное фотонное творение, которое может повернуть свет таким образом, чтобы объект в их крыле стал невидимым! Звучит невероятно или нет, но такие «плащи-невидимки» были сделаны в микро- и нанометровом масштабе, и фотоника в будущем должна их расширять и улучшать. Фотоники - это тоже экзотические частотные расчески, световые сигналы напоминают обычные расчески - они состоят из большого количества сильных, узких, равноотстоящие световых линий и, как таковые, представляют собой своего рода эталон частоты, как, например, линейка с равноотстоящими надрезами, измеряющими миллиметры, будет эталоном длины. Тем не менее, частотные гребенки также имеют степень свободы, благодаря которой расстояние между их линиями можно регулировать в соответствии с потребностями, и, таким образом, они становятся мощными датчиками для невероятных применений. В конце концов, это не случайно, что они также несут ответственность за получение Нобелевской премии по физике в 2005 году. Фотоники - это также «оптические пинцеты», высоко сфокусированный лазерный свет, который, как настоящие пинцеты, могут манипулировать объектами на атомном и субатомном уровне: бактериальными клетками, вирусами, наночастицами, молекулами ДНК… Частотные гребни также имеют степень свободы, благодаря которой расстояние между их линиями можно регулировать в соответствии с потребностями, и, таким образом, они становятся мощными датчиками невероятных применений.
Несколько тысяч слов в этой статье мало, чтобы передать широту и привлекательность фотоники. Научившись даже останавливать фотон и, таким образом, «замораживать» свет, эта наука освоила фотоны и открыла путь к новым вызовам для будущих поколений ученых и инженеров.