История

Что же такое фотоника?

Термин «фотоника» в научную литературу ввел А. Н. Теренин в предисловии к своей книге «Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений» (1967 г.). Так он назвал «область науки, изучающую совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов, происходящих при поглощении света веществом». Вещество — любое, это могут быть и газы, и жидкости, и твердые тела, и смеси, растворы… Процессы — тоже любые с одним только ограничением: они есть следствие возбуждения вещества квантом света (или квантами, при многофотонном возбуждении).

Выделение этих процессов в самостоятельный раздел науки имеет смысл в первую очередь по той причине, что именно они привели к зарождению, развитию и поддержанию жизни на Земле. То есть они являются основной производящей силой в нашем мире. Все остальные области наук как бы вторичны, они направлены на развитие и совершенствование не самой жизни, а удобств нашего существования в ней, технологических процессов создания материалов и устройств, делающих эту жизнь более комфортной.

Роль солнечного света и фотовозбуждения под его воздействием ясна хотя бы из того, что все живые системы термодинамически неравновесны и при отмирании разлагаются с выделением запасенной энергии. Мы не задумываемся над этим, разжигая костер или печь, но в этом немудреном процессе мы получаем тепло за счет энергии Солнца, запасенной в химических соединениях. Средняя энергия возбуждения частиц при нормальной температуре — 0,0125 эВ на каждую степень свободы, а энергия квантов видимого излучения — 1,7-3 эВ. Это и позволяет фотосинтезировать энергоемкие соединения, из которых мы состоим.

Природа научилась проводить фотосинтез с очень высоким КПД[1]. Чем это достигнуто? Не разрушит ли необдуманная человеческая деятельность эти биологические цепочки и можно ли повторить их в чисто утилитарных целях? По сути, это и есть основные вопросы, которые призвана решать фотоника.

Но в нашей жизни свет, кроме энергетической, играет крайне важную информационную роль. На свет реагируют и растения, и одноклеточные. А зрение — одно из основных чувств всего животного мира. Наш глаз способен воспринять и обработать излучение только довольно узкого спектрального диапазона, но делает это очень эффективно! Динамический диапазон восприятия глаза составляет 10-12 порядков[2], что не доступно никаким современным устройствам регистрации.

Спектральный диапазон зрения ограничен с одной (длинноволновой) стороны энергией квантов, которой должно быть достаточно для инициализации процессов преобразования и передачи информации. С другой, коротковолновой стороны — границей солнечного спектра, достигающего поверхности Земли. Излучение с длинами волн короче 380-400 нм поглощается в озоновом слое. Но в природе имеются и «устройства», реагирующие на более длинноволновое излучение, — тепловые рецепторы хладнокровных. Каким образом они выделяют полезный сигнал на фоне тепловых шумов, пока не очень ясно. Но очень важно в этом вопросе разобраться.

Хороший пример необходимости разработки проблем фотоники — проблема озоновых дыр. Наличие дыр угрожает жизни на Земле, а для предотвращения их развития необходимо изучить процессы, происходящие в озоновом слое. Все они инициируются солнечным излучением и в конце концов приводят к химическим превращениям, образованию и (или) распаду озона. Так что весь этот комплекс проблем полностью соответствуют теренинскому определению фотоники.

Сюда же попадает и такой раздел науки (и техники) как фотокатализ, — та часть фотохимии, в которой предполагается наличие третьего тела, катализатора, являющегося как бы посредником в цепи превращений энергии квантов света в химическую энергию. Первую часть этой цепи, поглощение кванта и создание химически активного возбужденного центра, традиционно относят к физическим процессам. Заключительную часть — скорее, к химическим (правда, в гетерогенном катализе продукт реакции должен еще десорбироваться с поверхности, что тоже есть физический процесс).

Отчасти проблематику фотокатализа можно отнести и к чисто техническим, обеспечивающим не само существование жизни, а создание некоторых удобств, технологий производства нужных продуктов. Но все же свет в первую очередь — основной источник энергии на Земле и он может и должен быть использован для поддержания жизни. Пример такого технического использования — фотокаталитические обои (сделаны в Японии), которые на свету очищают воздух в помещении, «сжигая» сложные органические молекулы. Подобные процессы могут быть использованы (и уже используются) для очистки воды от органических загрязнений. Исследование фотокаталитических процессов на поверхности оксидов металлов привело к созданию устройств «идеальной» очистки, которые за короткое время могут сделать питьевой воду из любой лужи или болота (работы группы Басова Л. Л.).

Фундаментальные исследования на нашей кафедре не дали пока большого количества новых технологий. Кроме очистки воды, в этом смысле мы можем похвастаться только методикой измерения распределения давлений по поверхности макета, обдуваемого в аэродинамической трубе (см. страницу Лялина Г. Н.). В предложенном методе используется зависимость путей внутримолекулярной конверсии энергии от давления кислорода над ней (от частоты соударений молекул кислорода с поверхностью).

Но и это — не технология производства, а, скорее, метод исследования. Правда, в своей области (аэродинамике) он явился существенным шагом вперед, стал «прорывным». Ранее для изучения этого распределения приходилось сверлить на обдуваемой поверхности бесчисленное количество отверстий, в каждое из них вставлять манометр и собирать огромный объем информации. А предложенная методика требует лишь фотографирования объекта и последующего анализа распределения интенсивности люминесценции по его поверхности.

Одно из направлений фотоники — исследование процессов фотоионизации вещества. В газообразной или конденсированной фазе. Эти исследования, проведенные на нашей кафедре (см. страницу Акопяна М. Е.), привели к возникновению нового раздела науки, фотоэлектронной спектроскопии, которую иногда называют «экспериментальной квантовой химией». Оказалось, что процесс фотоионизации дает информацию об энергетической структуре вещества, позволяет определить энергии связи всех (если энергия квантов достаточно велика) электронов в молекулах. Эта задача была абсолютно неразрешима до появления статьи Ф. И. Вилесова, Б. Л. Курбатова, А. Н. Теренина. (ДАН СССР 1961, т.138. с.1329), а с тех пор уже более десятка фирм выпускают промышленные фотоэлектронные спектрометры, предназначенные для этих исследований.

Почти одновременно с появлением теренинской формулировки самого понятия «фотоника», в связи с бурным развитием оптоэлектроники этот термин стал использоваться в несколько ином смысле. Отчасти — расширенном, отчасти — суженном.

Сейчас в мире этот термин трактуют кто как хочет и потому всем приходится уточнять, что именно они понимают под ним. В основном, акцент делается на чисто практическом аспекте, на получении или измерении световых потоков, причем в основном — в интересах обмена информацией. В этом смысле термин «фотоника» впервые прозвучал на 9-ом Международном конгрессе по скоростной фотографии (Denver, USA, 1970).

Можно привести несколько определений, заимствованных из наиболее авторитетных изданий последнего времени:

Photonics the science of generating, controlling, and detecting photons, particularly in the visible and near infra-red spectrum, but also extending to the ultraviolet (0.2–0.35µm wavelength), long-wave infrared (8–12 µm wavelength), and far-infrared/THz portion of the spectrum (e.g., 2-4 THz corresponding to 75-150 µm wavelength) where today quantum cascade lasers are being actively developed. (Wikipedia)

Здесь интересно и то, что определены даже области спектра, которые относятся к фотонике. Так что процессы образования озонового слоя — не фотоника, они происходят 0,185 мкм.

Определение, приведенное в словаре терминов, составленном Laurin Publishing Company, основавшей в 1967 г. журнал «OpticalSpectra Сейчас издается под названием «Photonics Spectra», с тиражом порядка 100000 экземпляров: фотоника — «The technology of generating and harnessing light and other forms of radiant energy whose quantum unit is the photon. The science includes light emission, transmission, deflection, amplification and detection by optical components and instruments, lasers and other light sources, fiber optics, electro-optical instrumentation, related hardware and electronics, and sophisticated systems».

Здесь не ограничен спектральный диапазон, но подчеркнута чисто технологическая ориентация той части фотоники, которая интересна авторам, — процессы получения и трансформации излучения.

Примерно так же этот термин понимается и на кафедре фотоники и оптоинформатики ИТМО: «Фотоника — область науки и техники, связанная с использованием светового излучения (или потока фотонов) в системах, в которых генерируются, усиливаются, моделируются, распространяются и детектируются оптические сигналы».

Это определение отличается от предыдущих только тем, что оно ограничено проблемами этой кафедры — «оптоинформатикой».

Общее во всех этих определениях то, что здесь, во-первых, процессы генерации и усиления света (излучения) внесены, как основные. В теренинском определении они тоже не исключены, но лишь как этап превращения энергии поглощенного фотона. А в светодиодах и лазерах свет генерируется в результате электровозбуждения.

Но, во-вторых, почти все имеющиеся определения исключают из рассмотрения фотохимические процессы, практически не существенные в оптоэлектронике. В этом смысл термина сужен.

Все работы, проводимые на нашей кафедре, рассматривают комплекс проблем, полностью определяемых теренинской формулировкой, — процессы, являющиеся следствием фотовозбуждения и, возможно, сопровождающиеся химическими превращениями.

Получается, что и работы, опубликованные в изданиях с названием «Photonics», далеко не обязательно соответствуют нашей тематике, и наши работы могут не подходить для публикации в них. Конечно, каждый вправе называть свою науку как хочет. Проблема только в том, поймут ли тебя читатели. Но здесь больших проблем не предвидится. Все таки эти определения различаются в деталях, и, например, в нашей академии наук, в центре фотохимии «фотонику» понимают по Теренину.

И не только здесь. Так, в описании монографии «Biophotonics / Optical Science and Engineering for the 21st Century», вышедшей в 2005-м г. в издательстве Springer Verlag, сказано: «It is now well established that all living systems emit a weak but permanent photon flux in the visible and ultraviolet range. This biophoton emission is correlated with many, if not all, biological and physiological functions. There are indications of a hitherto-overlooked information channel within the living system. Biophotons may trigger chemical reactivity in cells, growth control, differentiation and intercellular communication, i.e. biological rhythms. The basic experimental and theoretical framework as well as the technical problems and the wide field of applications in the biotechnical, biomedical engineering, engineering, medicine, pharmacology, environmental science and basic science fields are presented in this book.»

Все отличия от теренинского определения здесь сводятся только к ограничению биологическими аспектами, что и внесено в сам термин, биофотоника.

Технический смысл термина «фотоника» сейчас, пожалуй, более распространен. Даже российский образовательный сайт photonica.ru определяет предмет своих интересов как: «оптика, лазеры, оптоэлектроника, системы видения, волоконная оптика». И в перечне центров, занимающихся фотоникой, приведено 13 адресов (см), но нет нашего.


[1] КПД составляет до 50% на первом этапе, этапе поглощения и запасения энергии. Доля энергии, запасенной в конечных биоструктурах, естественно, меньше и зависит, в том числе, от погодных условий. Например, в сахарном тростнике в нормальных климатических условиях запасается до 2% поглощенной энергии Солнца.

[2] Мнения специалистов на этот счет существенно расходятся. Во всяком случае, в безоблачный день солнце создаёт освещённость примерно 100 000 лк. Звёздный свет в безлунную ночь создаёт освещённость 5×10−5 лк. Чувствительность глаза перекрывает этот диапазон.