ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ PHOTONICS

Λέξεις που ακούτε συχνά και θα ακούτε ακόμη συχνότερα στο μέλλον… ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ / ΝΑΝΟΕΠΙΣΤΗΜΗ OPTRONICS PHOTONICS NANO-PHOTONICS NANO-ELECTRONICS MOLECULAR ELECTRONCICS

Εφαρμογές Οπτοηλεκτρονικής Βιολογία - Ιατρική Διάγνωση παθολογίας ιστών Θεραπευτικές τεχνικές Επεξεργασία Υλικών κοπή, συγκόλληση κα. Λιθογραφία επιφανειακές επιστρώσεις μικρο/νανο δομές – * νανοτεχνολογία Τηλεπικοινωνίες οπτικές ίνες οπτική αποθήκευση οπτικοί διακόπτες Περιβάλλον Ανίχνευση ρύπων Τηλεπισκόπηση (Τεχνικές Lidar) Πολιτισμική Κληρονομιά Ανάλυση σύσταση Διάγνωση Αλλοιώσεις Καθαρισμός Φυσική - Χημεία * Αλληλεπίδραση ΗΜ ακτινοβολίας με ύλη * Γρήγορα φαινόμενα * femtochemistry Εφαρμογές Οπτοηλεκτρονικής

Διαγνωστικές Τεχνικές Φωτεινές πηγές (LED, Lasers) Ανιχνευτές (Sensors, Detectors) Οθόνες (Displays) Τεχνικές Απεικόνισης (Imaging) Περιβάλλον Βιο-ιατρική Πολιτισμική Κληρονομιά

Επεμβατικές Τεχνικές Κατεργασία Υλικών με Λέιζερ Ανάπτυξη νέων υλικών (Thin films growth, Σύνθετα Υλικά) Ιατρικές εφαρμογές (Tissue growth, Cell engineering)

Στρατηγικές προτεραιότητες για το μέλλον: Κοινωνία της Πληροφορίας – Επικοινωνίες Οπτικές επικοινωνίες: * Οπτικές Ίνες * Δίκτυα (Αποθήκευση Δεδομένων) * Επεξεργασία Οπτικών Δεδομένων (Κβαντική πληροφορία, Κβαντική κρυπτογραφία)

Βιομηχανική Παραγωγή – Ποιοτικός Έλεγχος Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας με υλικά. Επεξεργασία υλικών με λέιζερ: Μακρο-μίκρο και νανο- επεξεργασία. Προηγμένες πηγές λέιζερ και ρομποτικά συστήματα. Συστήματα διάγνωσης, ποιοτικού ελέγχου και όρασης μηχανής.

Ιατρική και Βιολογία Κατανόηση μηχανισμών βιολογικών διεργασιών σε μοριακό και κυτταρικό επίπεδο (π.χ. μηχανισμός όρασης, δράσης φαρμάκων). Προηγμένες διαγνωστικές τεχνικές: In-vivo παθολογία ιστών και κυτταρική διάγνωση. Βιοαισθητήρες και biochips. Μικροσκοπική τομογραφία Μη-επεμβατικές θεραπείες Προηγμένα βιο-υλικά, ανάπτυξη ιστών (tissue engineering).

Φωτεινές Πηγές και Οθόνες Πηγές πλάσματος. LED (Light Emitting Diodes) και OLED (Organic LED). Πηγές Λέιζερ. Επίπεδες οθόνες (OLED, LCD, 3D). Εύκαμπτες οθόνες (e-paper)

Τα φώτα της Γης τη νύχτα

Laser Synchrotron THz

Αισθητήρες, Μετρολογία, Ασφάλεια Αισθητήρες υψηλής ευαισθησίας (νυχτερινή όραση). Αισθητήρες στις μεταφορές (laser scanner). Θερμικοί ανιχνευτές (Bionimics). Απεικόνιση THz.

Ευκαιρίες στον Ευρωπαϊκό χώρο Εκπαίδευση. Έρευνα. Παραγωγή.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΦΩΤΕΙΝΕΣ ΠΗΓΕΣ 1.1 ΣΥΜΒΑΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ: Θερμικές, Πηγές πλάσματος, LED 1.2 ΛΕΙΖΕΡ - Αρχές λειτουργίας, Οπτικές Κοιλότητες - Τεχνολογία και Τύποι λέιζερ (Λέιζερ Ημιαγωγών, CO2, Nd:Yag, Excimer, Χρωστικών, Ti:Sap.) - Τεχνικές διαμόρφωσης ακτινοβολίας λέιζερ (Φασματική, Χρονική και Χωρική Διαμόρφωση) ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ - Θερμικοί ανιχνευτές - Φωτοδίοδοι, Ανιχνευτές ημιαγωγών - Φωτοπολλαπλασιαστές - Πλακίδια διαύλων, Συστοιχίες διόδων, CCD (Χωρική απεικόνιση) - Ειδικά συστήματα απεικόνισης (π.χ. Συστήματα νυχτερινής όρασης (Ι2))

ΟΠΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ: ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ - Στοιχεία Οπτικής - Στοιχεία Οπτικής - Οπτικά Συστήματα (π.χ. Μονοχρωμάτορας Συμβολλόμετρα) - Οπτικοί Κυματοδηγοί, Οπτικές ίνες, Αισθητήρες οπτικών ινών - Στοιχεία Οπτοηλεκτρονικών Διατάξεων ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ - Φασματοσκοπικές διαγνωστικές τεχνικές (Ανίχνευση ρύπων, ιχνοστοιχείων κ.α.) - Βιομηχανικές εφαρμογές (Κατεργασία υλικών, Φωτολιθογραφία, Βιομηχανικός έλεγχος κ.α.) - Ιατρικές εφαρμογές (Διάγνωση παθολογίας ιστών, θεραπευτικές τεχνικές) - Ολογραφικές εφαρμογές – Καταγραφή και επεξεργασία οπτικών πληροφοριών - Τηλεπικοινωνίες (Διαμόρφωση και κωδικοποίηση οπτικών σημάτων).

361. Εισαγωγή στην Οπτοηλεκτρονική (ΟΗ) Βιβλιογραφία «Ακτίνες Laser-Οπτοηλεκτρονικής», Σ. Κουρής, εκδ. ΕΑΠ (2005). «Οπτοηλεκτρονική: μια εισαγωγή» J. Wilson and J.F.B. Hawkins, Μετάφραση: Α.Α. Σεραφετινίδης, Μ. Μακροπούλου, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Ε.Μ.Π. (2007). «Photonics Essentials», J.P. Pearsall, publ. Mc Graw Hill (2003). «Photonics», R. Menzel, publ. Springer (2001). «Laser Fundamentals», W.J. Silfast, publ. Cambridge Univ. Press (1996).

Λέιζερ: Διατάξεις ενίσχυσης φωτός Μεγάλη ποικιλία διατάξεων Λέιζερ Λέιζερ: Διατάξεις ενίσχυσης φωτός Η λειτουργία τους βασίζεται στις ίδιες γενικές αρχές

Το φως του Λέιζερ  Έντονο  Μονοχρωματικό  Κατευθυνόμενο  Έντονο  Μονοχρωματικό  Κατευθυνόμενο Παλμικό ή Συνεχές

Λέιζερ και Συστήματα Λέιζερ ΛΕΙΖΕΡ ROBOTICS ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗ ΚΙΝΗΣΗ ΔΕΣΜΗΣ (CAM) ΛΕΙΖΕΡ ΣΤΑΘΜΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΟΠΤΙΚΗ ΙΝΑ ΔΙΑΓΝΩΣΗ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ π.χ. με CCD ΒΑΣΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ: ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ-ΥΛΗΣ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΕΡΕΥΝΑ: ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ, ΙΑΤΡΙΚΗ, ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Κ.Α. *ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ: ΜΕΓΑΛΗ ΠΡΟΣΤΙΘΕΜΕΝΗ ΑΞΙΑ!!!

Αλληλεπίδραση Ακτινοβολίας με Υλικά Fo FΔιαπερ. FΑπορ. FΣκεδ.

Αλληλεπίδραση Ακτινοβολίας - Ύλης Εάν F0 η ένταση προσπίπτουσας ακτινοβολίας, F0 = FΑπορρόφηση + FΣκέδαση + FΔιαπερατότητα FΑπορρόφηση = FΘερμική + FΧημική + FΕκπομπή   Εκπομπή Φθορισμός Φωσφορισμός Σκέδαση: Raman, Rayleigh, Mie (εξαρτάται από το μέγεθος των σκεδαστών) Κρίσιμοι Παράμετροι: Μήκος κύματος λέιζερ Χρόνος Ζωής Διεγερμένης στάθμης Διάρκεια παλμού λέιζερ

Full Width Half Maximum Φωτεινές Πηγές Σημαντικά χαρακτηριστικά: 1. Φάσμα Εκπομπής I = f (λ) I = Ένταση ακτινοβολίας (W/cm2) λ = μήκος κύματος Συνεχής φασματική εκπομπή Γραμμικά φάσματα Ι λ (nm) Ι λ (nm)  FWHM Full Width Half Maximum (Διαπλάτυνση)

 Βαθμός Συμφωνίας Φάσεων (Coherence) 2. Χρονική Εξέλιξη Εκπομπής I = f (t) t = διάρκεια εκπομπής Συνεχής λειτουργία (cw) Παλμική λειτουργία 10-3 10-15 s ms μs ns ps fs Ι t Ι t td tr tr = χρόνος ανόδου td = χρόνος απόσβεσης  Βαθμός Συμφωνίας Φάσεων (Coherence)

Συμφωνία (Coherence) Φάσης lc Διεύθυνση Διάδοσης Κύματος C A D B Μέτωπα φάσης

Χρονική και Χωρική Συμφωνία Σταθερή σχέση φάσης στα σημεία Α και Β lc ≡ μήκος συμφωνίας lc = cτc Δ = 1/τc : Φασματική Διαπλάτυνση Σύμφωνες συμβατικές πηγές : τc~10ns Lasers: τc>1ms lc ≡ μέσο μήκος μετάδοσης κυμάτων χωρίς μεταβολή φάσης Μέτρο σχέσης φάσεων του μετώπου κύματος κάθετα προς τη διεύθυνση μετάδοσης: Σημεία C και D Πειραματικές Μετρήσεις Χρονική Συμφωνία: Συμβολόμετρο Michelson για κύματα προερχόμενα από Α και Β Χωρική Συμφωνία: Παρατήρηση κροσσών συμβολής εάν τοποθετηθούν οπές στα σημεία C και D.  Δ Μετασχημ. Fourier FWHM

Συμβατικές Φωτεινές Πηγές 1. Πηγές συνεχούς φασματικής κατανομής Συνεχής: λειτουργία χρονικά Φάσμα εκπομπής της πηγής Ι λ Ένταση Ι t Παλμική λειτουργία Ι t Χρόνος Μήκος κύματος

1α. Θερμικές πηγές: π.χ. Λυχνίες πυρακτώσεως Λυχνίες Globar (IR-FIR) Συνεχής διάρκεια λειτουργίας Εκπομπή σε μεγάλα μήκη κύματος κυρίως * Σημασία υλικού νήματος: W, Tα 1β. Πηγές πλάσματος Πλάσμα ηλεκτρικής εκκένωσης (D.C. ή παλμικής) - D.C.: Εκκένωση τόξου ή Διατήρηση πλάσματος σε κοιλότητα μικροκυμάτων (εκκένωση RF) - Παλμική εκκένωση Λυχνίες flash

Φάσμα ΗΜ Ακτινοβολίας Table 1.3 Wavelength and frequency regimes of the electromagnetic spectrum Regime λ (m or as indicated)  (Hz) Radiowave Microwave Infrared Visible Ultraviolet X-ray -Ray 3 x 109 to 0.3 30 cm to 3 mm 3 mm to 780 nm 780-390 nm 390-3 nm 3 x 10-9 to 3 x 10-12 <3 x 10-12 ~1-109 109-1012 1012 to 4 x 1014 4 x 1014 to 8 x 1014 8 x 1014 to 1017 1017 – 1020 >1020

Κατανομή Boltzmann Εάν Ν1 και Ν2 οι πληθυσμοί (αριθμός ατόμων/m3) ατόμων με ηλεκτρόνια σε ενεργειακές καταστάσεις Ε1 και Ε2 όπου Ε2>Ε1 τότε σε κατάσταση ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ (Σε κλειστό σύστημα όλες οι μάζες έχουν ίδια θερμοκρασία). ΔΕ21 = Ε2 – Ε1 k = σταθερά Boltzman T = Θερμοκρασία g1, g2 = στατιστικά βάρη Για πυκνά υλικά (π.χ. στερεά) χαρακτηριζόμενα από συνεχή κατανομή ενεργειακών σταθμών Κατανομή Boltzmann

Παράδειγμα ~ 10-2 – 10-3 δηλ. N700nm = 9.5 x 1026 άτομα/cm3 Για στερεό με Ν1 = 5 x 1028 άτομα/m3 για να γίνει θερμική εκπομπή ακτινοβολίας στα 700 nm (1.7 eV) θα πρέπει η θερμοκρασία να αυξηθεί στους ~5000 k ώστε: ~ 10-2 – 10-3 δηλ. N700nm = 9.5 x 1026 άτομα/cm3 kΤ300 ~ 0.026 eV kT5000 ~ 0.43 eV

Χρονική Εξέλιξη Εκπομπής Θερμικές Πηγές Φασματική Κατανομή 600 nm  IR (Υπέρυθρο) Χρονική Εξέλιξη Εκπομπής Συνεχής

Λυχνίες τύπου Globar Κατάλληλες: IR - FIR

Φωτεινές Πηγές Πλασμάτος

Μηχανισμοί Διέγερσης Ατόμων - Μορίων Απορρόφηση Κρούσεις με e π.χ. Ηλεκτρικές εκκενώσεις * Ιονισμός και Επανασύνδεση * Κρούσεις με ιόντα ή ΧΗΜΙΦΩΤΑΥΓΕΙΑ *

Λυχνίες flash – (παλμικές)

Διαπλάτυνση Φασματικών Γραμμών ΜΟΡΦΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣ Διαπλάτυνση Φασματικών Γραμμών 3 κύριοι μηχανισμοί διαπλάτυνσης: α) Φυσική Διαπλάτυνση (Δ Δt ~ 1) β) Διαπλάτυνση Doppler (Εξάρτηση από Τ½) γ) Διαπλάτυνση Lorenz (κρουστική) (Εξάρτηση από P δηλ. κρούσεις) Συνάρτηση σχήματος φασματικής γραμμής (line shape)  Ι  Φυσική  Doppler  Lorenz Για Lorenz:

Για θερμοκρασία δωματίου Τ ~ 300k, kT~1/40 eV Φυσική Διαπλάτυνση Χρόνος ζωής Διαπλάτυνση Doppler Μάζα ατόμου Για θερμοκρασία δωματίου Τ ~ 300k, kT~1/40 eV Ατομική αριθμοί

Για μεγάλες ή βλ. πλάσμα μεγάλης πίεσης Μάζα ατόμου Κρουστική Για μεγάλες ή βλ. πλάσμα μεγάλης πίεσης ΟΛΙΚΗ ΔΙΑΠΛΑΤΥΝΣΗ