Лазерный мир

Термин «фотоника» в настоящее время широко используется в научно-технической литературе, проникает в СМИ, он начал появляться и в правительственных документах. При этом, как показывает опыт, в это слово зачастую вкладывают очень разные смыслы. Согласия нет даже среди специалистов нашей лазерно-оптической отрасли. Предлагаемые трактовки варьируют от обобщен-ной оптики («фотоника – это наука о свете и его применениях») до одного из разделов электроники («фотоника – это оптоэлектроника»). Но вопрос о смысле слова «фотоника» имеет отнюдь не только академический интерес – в том плане, что, прежде чем что-то обсуждать, нужно договориться о терминах. Он весьма важен и с чисто практической точки зрения. Когда разрабатываются «дорожные карты» развития фотоники, когда ее упоминают в стратегиях и комплексных программах, направляемых на утверждение правительству – что имеют в виду, какие технологии и продукты? И, соответственно, какие лаборатории и производства полу-чат право ссылаться на эти документы, обращаясь за поддержкой своих НИОКР, своего участия в за-рубежных выставках и конференциях, своей деятельности в интересах импортозамещения и т.п.?
Одинаковое понимание и в сообществе, и во властных структурах того, что есть сегодняшняя фотоника, что она включает в себя и где исполь, по ее роли в различных отраслях экономики, а также опыт деятельности европейской и российской технологических платформ «Фотоника» позволяют вполне четко ответить на эти вопросы.

Создание лазера привело к появлению широкого класса новых технических устройств и технологий, использующих уникальные возможности лазерного излучения в части концентрации энергии – в узком частотном диапазоне, в пространстве, во времени – и передачи ее на большие рас-стояния с очень малыми потерями. Их использование существенно обогатило технические возможности современного общества. В результате спроса на эти новые технологии практически во всех сферах человеческой деятельности и, соответственно, совершенствования оборудования, реализующего такие технологии, в последние 15-20 лет сложилась быстро развивающаяся отрасль наукоемкой и высокотехнологичной индустрии, получившая название «фотоника» (по аналогии с электроникой). По данным экспертов Евросоюза и результатам аналитических исследований специалистов КНР эта отрасль является одним из главных локомотивов инновационного развития современной экономики.

В структуре фотоники к сегодняшнему дню отчетливо сформировались несколько основных секторов, или групп технологий, соответствую-щих функциям, реализуемым с помощью таких технологий и, соответственно, различным при-менениям фотоники.
Сектора (группы технологий) фотоники
1. Лазерная обработка материалов
1.1. Лазерная резка, в т.ч. газолазерная и абляционная резка
1.2. Лазерная сварка, в т.ч. точечная и шовная, а также лазерно-дуговая сварка
1.3. Лазерное сверление, в т.ч. глухих отверстий
1.4. Лазерная маркировка и гравировка
1.5. Лазерное модифицирование поверхностного слоя
1.5.1. Закалка поверхностного слоя
1.5.2. Наплавка
1.5.3. Поверхностное легирование
1.5.4. Отжиг, рекристаллизция и аморфизация поверхностного слоя
1.5.5. Проковка поверхностного слоя металла лазерными импульсами
1.5.6. Структурирование поверхности
1.6. Лазерная очистка поверхности
1.7. Лазерная пайка
1.8. Лазерная микрообработка
1.8.1. Микрофрезерование
1.8.2. Прошивка микроотверстий
1.8.3. Фотолитография
1.8.4. Полировка
1.8.5. Обработка прозрачных материалов лазерно-индуцированной микроплазмой
1.8.6. Подгонка параметров пленочных элементов микроэлектроники
1.8.7. Лазерное жидкостное травление (LIBWE)
1.9. Лазерные аддитивные технологии
1.9.1. Лазерная стереолитография (SLA)
1.9.2. Селективное лазерное сплавление и спекание (SLM)
1.9.3. Прямое лазерное осаждение (LMD)
1.10. Лазерная балансировка роторов (локальное удаление массы)
1.11. Лазерный синтез наночастиц, получение нанопорошков
1.12. Лазерные селективные технологии
1.12.1. Разделение изотопов
1.12.2. Стимулирование химических реакций
1.13. Лазерная декоративно-художественная обработка дерева, камня, пластика
1.14. Лазерная обработка технических жидкостей
2. Оптическая связь
2.1. Волоконно-оптическая связь, в т.ч. когерентная
2.2. Оптическая связь через открытое пространство
2.3. Радиофотоника
2.4. Квантовые коммуникации
2.5. Квантовая криптография
3. Фотонная информатика
3.1. Оптическая память и считывание информации (оптическая память)
3.1.1. Память на оптических дисках
3.1.2. Голографическая память
3.1.3. Магнитная память с лазерным подогревом (HAMR)
3.1.4. Считывание штрих-кодов
3.2. Оптическая обработка информации, в т.ч. с использованием интегральной фотоники
3.3. Оптические вычисления
4. Лазерные измерения и диагностика технических объектов
4.1. Прецизионные измерения линейных размеров изделий
4.2. Гониометрия
4.3. Лазерно-оптическая микроскопия
4.4. Измерение скоростей, ускорений, расходов
4.5. Диагностика вибраций и биений
4.6. Бесконтактная диагностика составов сплавов
4.7. Диагностика состава газовых смесей
4.7.1. Лидарные измерения в атмосфере
4.7.2. Внутрирезонаторная спектроскопия
4.8. Лазерная дальнометрия
4.9. Прецизионные измерения времени и частоты с использованием оптических стандартов частоты и оптических часов
4.10. Лазерная диагностика в физическом эксперименте
4.10.1. Измерения скоростей быстропротекающих процессов
4.10.2. Реализация и диагностика экстремальных состояний вещества
5. Лазерные информационно-управленческие технологии
5.1. Техническое (машинное) зрение
5.1.1. Распознавание образов
5.1.2. Скрининг окружающей обстановки
5.1.3. Контроль дорожного движения
5.1.4. Ночное и подводное видение
5.2. Лазерная навигация
5.2.1. Контроль ориентации объектов
5.2.2. Организация движения объекта по лазерному лучу
5.2.3. Оптико-электронная авионика (управление движением летательных аппаратов)
5.2.4. Беспилотное управление движением наземных транспортных средств
5.3. Целеуказание и наведение
5.4. Дистанционный контроль состояния объектов и сооружений с использованием оптоволоконной сенсорики
5.5. Обнаружение опасных веществ, антитеррор
5.5.1. Спектроскопический мониторинг паров взрывчатки, отравляющих веществ, наркотиков и т.п. на транспорте
5.5.2. Интроскопия с использованием ТГц-излучения
5.5.3. Анализ выдыхаемого воздуха на предмет содержания паров алкоголя и/или наркоти- ков у персонала, допускаемого к работам секторов, или групп технологий, соответствую-щих функциям, реализуемым с помощью таких технологий и, соответственно, различным при-менениям фотоники.
Сектора (группы технологий) фотоники
1. Лазерная обработка материалов
1.1. Лазерная резка, в т.ч. газолазерная и абляционная резка
1.2. Лазерная сварка, в т.ч. точечная и шовная, а также лазерно-дуговая сварка
1.3. Лазерное сверление, в т.ч. глухих отверстий
1.4. Лазерная маркировка и гравировка
1.5. Лазерное модифицирование поверхностного слоя
1.5.1. Закалка поверхностного слоя
1.5.2. Наплавка
1.5.3. Поверхностное легирование
1.5.4. Отжиг, рекристаллизция и аморфизация поверхностного слоя
1.5.5. Проковка поверхностного слоя металла лазерными импульсами
1.5.6. Структурирование поверхности
1.6. Лазерная очистка поверхности
1.7. Лазерная пайка
1.8. Лазерная микрообработка
1.8.1. Микрофрезерование
1.8.2. Прошивка микроотверстий
1.8.3. Фотолитография
1.8.4. Полировка
1.8.5. Обработка прозрачных материалов лазерно-индуцированной микроплазмой
1.8.6. Подгонка параметров пленочных элементов микроэлектроники
1.8.7. Лазерное жидкостное травление (LIBWE)
1.9. Лазерные аддитивные технологии
1.9.1. Лазерная стереолитография (SLA)
1.9.2. Селективное лазерное сплавление и спекание (SLM)
1.9.3. Прямое лазерное осаждение (LMD)
1.10. Лазерная балансировка роторов (локальное удаление массы)
1.11. Лазерный синтез наночастиц, получение нанопорошков
1.12. Лазерные селективные технологии
1.12.1. Разделение изотопов
1.12.2. Стимулирование химических реакций
1.13. Лазерная декоративно-художественная обработка дерева, камня, пластика
1.14. Лазерная обработка технических жидкостей
2. Оптическая связь
2.1. Волоконно-оптическая связь, в т.ч. когерентная
2.2. Оптическая связь через открытое пространство
2.3. Радиофотоника
2.4. Квантовые коммуникации
2.5. Квантовая криптография
3. Фотонная информатика
3.1. Оптическая память и считывание информации (оптическая память)
3.1.1. Память на оптических дисках
3.1.2. Голографическая память
3.1.3. Магнитная память с лазерным подогревом (HAMR)
3.1.4. Считывание штрих-кодов
3.2. Оптическая обработка информации, в т.ч. с использованием интегральной фотоники
3.3. Оптические вычисления
4. Лазерные измерения и диагностика технических объектов
4.1. Прецизионные измерения линейных размеров изделий
4.2. Гониометрия
4.3. Лазерно-оптическая микроскопия
4.4. Измерение скоростей, ускорений, расходов
4.5. Диагностика вибраций и биений
4.6. Бесконтактная диагностика составов сплавов
4.7. Диагностика состава газовых смесей
4.7.1. Лидарные измерения в атмосфере
4.7.2. Внутрирезонаторная спектроскопия
4.8. Лазерная дальнометрия
4.9. Прецизионные измерения времени и частоты с использованием оптических стандартов частоты и оптических часов
4.10. Лазерная диагностика в физическом эксперименте
4.10.1. Измерения скоростей быстропротекающих процессов
4.10.2. Реализация и диагностика экстремальных состояний вещества
5. Лазерные информационно-управленческие технологии
5.1. Техническое (машинное) зрение
5.1.1. Распознавание образов
5.1.2. Скрининг окружающей обстановки
5.1.3. Контроль дорожного движения
5.1.4. Ночное и подводное видение
5.2. Лазерная навигация
5.2.1. Контроль ориентации объектов
5.2.2. Организация движения объекта по лазерному лучу
5.2.3. Оптико-электронная авионика (управление движением летательных аппаратов)
5.2.4. Беспилотное управление движением наземных транспортных средств
5.3. Целеуказание и наведение
5.4. Дистанционный контроль состояния объектов и сооружений с использованием оптоволоконной сенсорики
5.5. Обнаружение опасных веществ, антитеррор
5.5.1. Спектроскопический мониторинг паров взрывчатки, отравляющих веществ, наркотиков и т.п. на транспорте
5.5.2. Интроскопия с использованием ТГц-излучения
5.5.3. Анализ выдыхаемого воздуха на предмет содержания паров алкоголя и/или наркотиков у персонала, допускаемого к работам

Отметим при этом, что имеется еще один вариант представления структуры фотоники, часто используемый на практике – это группировка ее продукции по областям применений, а именно: аппаратура оптической связи и информатики, лазерное производственное оборудование, оборонная фотоника и т.п. Такой подход более нагляден при обсуждении роли фотоники в экономике, но менее строг,
т.к. одни и те же по своей физической сущности технологии и изделия фотоники могут использоваться в самых разных областях и отраслях.
Приведенные перечни позволяют следующим образом сформулировать ответ на вопрос о том, что такое фотоника.

Фотоника – область науки и техники, охватывающая технологии, для которых базовым процессом является передача энергии или информации пучком оптического излучения (как правило – лазерного) и одновременно – отрасль наукоемкой промышленности, продукцией которой является оборудование для реализации технологий фотоники, включая компоненты такого оборудования.

При этом приведем определения еще нескольких терминов, часто встречающихся сегодня при обсуждении структуры и возможностей фотоники:

▪ Оптическое излучение – электромагнитные волны, длины которых заключены в диапазоне с условными границами 1 нм и 1мм. К оптическому излучению помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения относят также инфракрасное (ИК) и ультрафиолетовое (УФ) излучение.
▪ Фотон – квант электромагнитного излучения.
Ведет себя одновременно как частица и как волна
(корпускулярно-волновой дуализм), поэтому характеризуется не только энергией и направлением движения, но и частотой, длиной волны, поляризацией.
▪ Лазер – устройство, преобразующее за счет вынужденного излучения или вынужденного рассеяния энергию накачки (электрическую, световую,
тепловую, химическую и др.) в энергию пучка оптического излучения.
▪ Оптика (в переводе с греческого – «наука о зрительных восприятиях») – раздел физики, в котором изучается оптическое излучение (ЭМ волны
видимого, ИК- и УФ-диапазонов спектра) его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии такого излучения и вещества.
▪ Светотехника – область техники, связанная с
созданием источников и устройств пространственного перераспределения оптического излучения для осветительной, облучательной и сигнальной аппаратуры
▪ Оптоэлектроника – область техники «на стыке»
фотоники и электроники, охватывающая устройства и системы обработки, хранения и передачи информации, использующие световое излучение в ка-
честве носителя информации и взаимное преобразование электрических и оптических сигналов
▪ Радиофотоника – раздел фотоники, в котором взаимодействие между оптическими и радиочастотными электромагнитными полями в различных нелинейных средах и устройствах используется для создания новых методов генерации,
управления, передачи, приема и анализа СВЧ –
сигналов средствами фотоники
▪ Технология – совокупность методов и инструментов для достижения желаемого результата; в широком смысле – применение научного знания для решения практических задач

Подчеркнем в заключение, что фотоника не является частью оптики – так же, как информационные технологии, реализуемые с помощью компьютеров, не являются частью электротехники, хотя компьютеры используют электрический ток, и оптика не стала частью фотоники – как механика не
стала частью машиностроения.

Автор будет признателен за предложения по
улучшению предлагаемого описания фотоники.

Выражаю благодарность В.Ю.Венедиктову,
А.А.Мармалюку, В.П.Минаеву, О.Е.Нанию за плодотворное обсуждение представленной классификации технологий.

И.Б.Ковш, президент ЛАС
Источник: Лазер-Информ N 11-12 (674-675), июнь 2020