פוטוניקה

פוטוניקה (באנגלית: Photonics) הוא תחום מדעי וטכנולוגי המשותף להנדסת חשמל ופיזיקה ושורשיו מאלקטרואופטיקה והאופטיקה, העוסק ביצירה, הגברה, העברה, גילוי, אפנון ועיבוד של חלקיקי אור - פוטונים. התחום מכסה את כל היישומים הטכנולוגיים של האור לכל אורך התחום הספקטרלי החל מאולטרה סגול דרך האור הנראה ועד לתת אדום הרחוק. המונח פוטוניקה התפתח בשנות השישים והשבעים עם המצאת דיודת הלייזר והסיבים האופטים. זהו תחום רחב מאוד של טכנולוגיות ויישומים במגוון תחומים החל מתקשורת אופטית, רפואה, צבא ועוד. מסורתית עיקר היישומים בתחום הנראה ותת אדום אולם לאחרונה התווספו חדשים כמו טרה-הרץ פוטוניקה ומיקרוגל פוטוניקה.

 תחומי מחקר 
תחומי המחקר שבהם עוסקת פוטוניקה הם מקורות אור, שידור, הגברה, גילוי ואפנון אור.

 מקורות אור 
מקורות האור הנמצאים בשימוש בפוטוניקה הם מורכבים למדי יחסית לנורה חשמלית פשוטה. מקורות האור הנפוצים ביותר הם רכיבים מוליכים למחצה כגון דיודות פולטות אור (LED), ולייזרים. גם נעשה שימוש במקורות אור כגון נורה פלואורסצנטית, שק"ק, צג פלזמה, OLED ו-LCD שנזקק לאור רקע מסוג קתודה קרה לשם פעולתו.

 תווכי העברה 
אור מסוגל לעבור דרך כל חומר שקוף ואף לאחרונה דרך שכבות מתכתיות מסוג פלסמון משטחי (Surface plasmon). 
סיבים אופטיים העשויים מזכוכית או פלסטיק משמשים להעברת האור לאורך התוואי הרצוי. בתקשורת אופטית ניתן לשדר לאורך מרחק של 100 ק"מ ללא הגברה כתלות בקצב ובשיטת האפנון. נושא מתקדם הוא מבנים מיוחדים וחומרים בעלי תכונות אופטיות מהונדסות כגון גבישים פוטוניים, סיבי גביש פוטונים ומטא-חומרים.

 הגברה אופטית 
מגברים אופטים משמשים להגברת אותות אופטיים. נושא מתקדם מאוד בהגברה אופטית הם מגברים אופטיים מבוססי נקודות קוונטיות.
ממוזער|שמאל|240px|לייזרים רבי עוצמה כדוגמת נאוטילוס

 גלאים אופטיים 
פוטודיודה היא פוטו גלאי או גלאי אופטי קלאסי. קיימים גלאים אופטיים מהירים מאוד המשמשים לתקשורת, גלאים מהירים פחות כגון CCD למצלמות דיגיטליות, וגלאים איטיים כמו תאים סולריים או תאי שמש המשמשים להפקת אנרגיה מאור השמש. קיימים גם פוטו-גלאים תרמיים, כימיים, קוונטים ותאים פוטואלקטריים.

 אפנון 
באפנון אופטי מקודד אות המידע על גבי מקור אור בצורה ישירה או חיצונית על ידי אפנן אופטי כדוגמת אינטרפרומטר מאך זנדר . דוגמה לאפנון ישיר של אור הוא פנס המשדר קוד מורס.

 יישומים  
יישומי פוטוניקה הם כמעט בכל תחום החל מיישומים הנוגעים לחיי היום יום ועד למדעים המתקדמים ביותר. הם כוללים הנדסת מערכות תקשורת, עיבוד מידע, מטרולוגיה, ספקטרוסקופיה, הולוגרפיה, רפואה, תיקון ראייה, אנדוסקופיה, טכנולוגיה צבאית, לייזר לעיבוד חומר, אמנות חזותית, ביו-פוטוניקה, חקלאות, רובוטיקה ועוד. 

כשם שיישומי האלקטרוניקה הורחבו באופן משמעותי מאז המצאת הטרנזיסטור בשנת 1948, הייחודיות של יישומים פוטונים ממשיכה להתפתח ולהתרחב כפי שנחזה בשנות ה - 80. טכנולוגיית המחשבים, האינטרנט, המוליכים למחצה וההתפתחות הכלכלית דחפו קדימה את התעשייה הפוטונית והולידו צרכים ואתגרים חדשים. פיתוח וייצור של רכיבי תקשורת אופטית, סיבים אופטיים, מדפסות לייזר, צגים, כונני אחסון אופטי בכמויות גדולות האיצו את התעשייה הפוטונית קדימה. הפוטנציאל של יישומים פוטונים הוא כמעט בלתי מוגבל וכולל גם סינתזה כימית, אבחון רפואי, תקשורת נתונים על גבי שבב יחיד, לייזר ליישומים ביטחוניים, כמו התקני מכ"ם המסוגלים לראות דרך קירות ועוד רבים.
ממוזער|שמאל|240px|רובוט לייזר

 אלקטרוניקה ביתית: ברקוד, סורק, מדפסת, CD, DVD.
 תקשורת: סיב אופטי, תקשורת אופטית, מגבר אופטי
 רפואה, ביו-פוטוניקה: ניתוח לייזר, ניתוח לתיקון הראייה בלייזר, אנדוסקופיה, הסרת קעקועים.
 תעשייה וייצור: שימוש בלייזרים ל, קידוח, חיתוך ועיבוד משטחי. 
 בנייה: יישור לייזר, מד טווח לייזר, בית חכם.
 תעופה: גירוסקופ פוטוני ללא מרכיבים מכניים כגון גירוסקופ סיב אופטי.
 צבא וביטחון: גלאי תת אדום, שליטה ובקרה, ניווט, חיפוש וחילוץ, הנחה וגילוי מוקשים, מיקרוגל פוטוניקה.
 בידור: מופעי לייזר, אפקטי אלומות, אמנות הולוגרפית.
 תורת האינפורמציה, עיבוד מידע
 מטרולוגיה:מדידות זמן ותדר, מד טווח.
 מחשוב פוטוני: ביזור שעון ותקשורת בין מחשבים, מעגלים מודפסים, מעגל משולב אופטי ובעתיד מחשב קוונטי.

 ראו גם 
 אופטיקה
 אלקטרואופטיקה
 הולוגרפיה
 גביש פוטוני
 תא פוטו-וולטאי
 ננופוטוניקה
 לכידות אוכלוסייה קוהרנטית

 לקריאה נוספת 
 Saleh B.E.A.,Teich M.C.Fundamentals of Photonics Wiley, 2ed, 2007

 קישורים חיצוניים 

 איגוד להנדסה אופטית
 מגזין פוטוניקס ספקטרה
 הרצאת מיכל ליפסון על פוטוניקה סיליקונית

*
קטגוריה:אופטיקה