مقدمه

واژه فوتونیک (photonics) از فوتون به‌عنوان جزء تشکیل‌دهنده‌ی یک پرتوی نوری برگرفته شده است. همان طور که در علم الکترونیک، الکترون ذره ایفاکننده غالب فرایند‌هاست. در فوتونیک نیز برهم‌کنش فوتون‌ها با مواد و یا انتشار آن‌ها موردبررسی قرار می‌گیرد. تا چندی پیش علم فوتونیک در چهارچوب علم فیزیک طبقه‌بندی می‌شد؛ اما در سال‌های اخیر با گسترش کاربرد آن در بسیار از عرصه‌های فناوری، این علم به‌صورت یک گرایش شاخص و یا حتی یک شاخه مستقل طبقه بندی می‌شود.

فناوری فوتونیک علمی است که در آن به تولید و استفاده از نور و کنترل انرژی‌های تابشی در واحد کوانتومی یعنی فوتون‌ها می‌پردازد.

در کشور ما نیز بیش از یک دهه است که برخی دانشگاه‌ها به‌عنوان یک کد رشته مستقل در این رشته دانشجو می‌پذیرند. شاید امروزه کمتر شاخه‌ای از فناوری را بتوان یافت که هیچ کاربردی از اپتیک، فوتونیک و لیزر را در آن نتوان برشمرد.
این گستردگی کاربرد، نتیجه ویژگی‌های منحصربه‌فرد فوتون است. که شاید در کمتر ذره دیگری بتوان یافت. علاوه بر این، پارامترهای متعددی که فوتون‌ها را از یکدیگر متمایز می‌کند موجب می‌شود بتوان به‌راحتی آن‌ها را هدایت، تفکیک، آشکارسازی و کنترل کرد.
این ویژگی‌ها قادر است چنان ظرفیت‌هایی جهت ساخت قطعات کاربردی ایجاد کند، که حتی از لحاظ کارایی علم الکترونیک را نیز به‌راحتی پشت سر گذارد.
سرعت‌بالای فوتون‌ها شاید اولین پارامتری باشد که به ذهن می‌رسد . به همین واسطه، امروزه مخابرات نوری نقش انکارناپذیری در صنعت ارتباطات ایفا می‌کند که به‌هیچ‌عنوان بدون توسعه علم فوتونیک محقق نمی‌شد.
از سوی دیگر، امکان کنترل بر روی طول‌موج و البته بسیار کوچک بودن آن در ناحیه مرئی مبنای طراحی و ساخت بسیاری از حسگرها، سوییچ‌ها و مدولاتور‌های بسیار دقیق است.
ویژگی دیگر فوتون‌ها که عبارت است از عدم برهم‌کنش آن‌ها با یکدیگر در خلاء و محیط‌های غیرجاذب (در شدت‌های پایین‌تر از آستانه اثرات غیرخطی خلأ) باعث می‌شود، بتوانیم تعداد نامحدودی از آن‌ها را در حجمی بسیار کوچک داشته باشیم . که این یعنی انرژی نامحدود در حجمی بسیار ناچیز است.
به کمک این تجمع انرژی می‌توان کاربرد‌های بی‌شماری در صنعت (نظیر برش‌کاری، سوراخ‌کاری‎های میکرونی، سخت‌کاری، عملیات حرارتی، لایه‌برداری سطحی و جوشکاری) را با چنین موجود ظریفی و البته به مدد توسعه دانش و فناوری لیزر انجام داد. مجموعه این عوامل فوتونیک را تبدیل به یک دانش استراتژیک کرده است. که در حوزه‌های اساسی و مورد توجه بشر امروز نظیر انرژی، امنیت و سلامت نقش کلیدی و تأثیرگذاری ایفا می‌کند. این تأثیر نیز با سرعت سرسام‌آوری در حال گسترش و توسعه است.
شاید اوج تجلی علم فوتونیک را بتوان در تحقق سامانه‌ها و مدارات مجتمع نوری در مقیاس گسترده دانست. پیش‌بینی می‌شود که در سال‌های نه‌چندان دور پردازنده‌ها نیز به سمت نوری شدن و حتی تمام نوری شدن حرکت کنند.
در این صورت، با توجه به نوری بودن بخش عمده شبکه جهانی ارتباطات، به یکپارچگی در فرایند انتقال و پردازش می‌رسیم. که با سرعت و ظرفیت به‌مراتب بیشتری نسبت به الکترونیک قادر است، نیاز بشر را به توسعه فناوری ارتباطات و پردازش اطلاعات برطرف کند.
سیستم های تصویربرداری نوری از زمینه های گسترده و پرکاربرد این روز های علم فوتونیک است.

نور دارای خواص موج و ذره است که شدت آن بر اساس تعداد ذرات یا فوتون ها متفاوت است. نور هنگام تماس با آب، هوا یا مواد دیگر، جایی که جذب، بازتاب یا پراکنده می شود، به روش های مختلفی رفتار می کند.

فوتونیک

فوتونیک مطالعه نور و انواع دیگر انرژی تابشی است که واحد کوانتومی آن فوتون است. این شامل تولید، هدایت، دستکاری، تقویت و تشخیص نور است.  این پشت بسیاری از نوآوری هایی است که شیوه زندگی ما را در چند سال گذشته تغییر داده است.

به نظر می رسد که کلمه “فتونیک” اولین بار در سال ۱۹۶۷ یا ۱۹۷۳، بسته به منبع، در مقاله ای توسط فیزیکدان فرانسوی پیر آیگرن، با عنوان “la photonique” ظاهر شد. این اصطلاح در دهه ۱۹۸۰ شروع به استفاده منظم انگلیسی در بیانیه‌های مطبوعاتی، گزارش‌ها و نشریات داخلی آزمایشگاه‌های بل و شرکت هواپیماسازی هیوز و در مطبوعات عمومی کرد.

لیزر ها، فیبرهای نوری، دوربین‌ها و صفحه‌نمایش‌های تلفن‌های ما، موچین‌های نوری، روشنایی در اتومبیل‌ها، خانه‌ها، صفحه‌نمایش‌های کامپیوتر و تلویزیون‌های ما تنها چند نمونه از فوتونیک هستند. با توجه به چشم انداز کنونی و پتانسیلی که فوتونیک برای افزایش نوآوری در چندین صنعت دارد، به عنوان یکی از فناوری های کلیدی توانمندسازی اروپا (KETs) در قرن بیست و یکم شناخته شده است.

فوتونیک و زندگی روزمره

فوتونیک نقش مهمی در هدایت نوآوری در تعداد فزاینده ای از زمینه ها ایفا می کند. کاربرد فوتونیک در چندین بخش، از ارتباطات داده های نوری گرفته تا تصویربرداری، نورپردازی و نمایشگرها، تا بخش تولید، علوم زیستی، مراقبت های بهداشتی، امنیت و ایمنی گسترش می یابد.

فتونیک راه حل های جدید و منحصر به فردی را ارائه می دهد که در آن فناوری های مرسوم امروزی از نظر سرعت، ظرفیت و دقت به محدودیت های خود نزدیک می شوند. تاثیر فوتونیک در زندگی روزمره ما قابل توجه است.

سلامتی

فوتونیک به دلیل توانایی نور در تشخیص و اندازه گیری بیماری ها به روشی سریع، حساس و دقیق، پتانسیل ایجاد انقلابی در مراقبت های بهداشتی را دارد.

بیوفتونیک استفاده از فناوری های مبتنی بر نور در علوم زیستی و پزشکی است. این می تواند به طور موثر برای تشخیص زودهنگام بیماری ها، با تکنیک های تصویربرداری غیر تهاجمی یا برنامه های کاربردی نقطه مراقبت استفاده شود.

بیوفتونیک همچنین برای تجزیه و تحلیل فرآیندها در سطح مولکولی مفید است، و درک بیشتری از منشاء بیماری ها ارائه می دهد. از این رو امکان پیشگیری و درمان های جدید را فراهم می کند. فن‌آوری‌های فوتونیک همچنین نقش عمده‌ای در رفع نیازهای جامعه سالخورده ما از ضربان‌سازها گرفته تا استخوان‌های مصنوعی و آندوسکوپ‌ها و دوربین‌های ریز مورد استفاده در فرآیندهای in-vivo ایفا می‌کنند.

روشنایی و صرفه جویی در انرژی

فوتونیک همچنین در فناوری نورپردازی پیشرفته، مانند روشنایی حالت جامد (SSL) برای کاربردهای روشنایی عمومی استفاده می شود. SSL بر اساس دیودهای ساطع نور (LED) و دیودهای ساطع نور آلی (OLED) است.

SSL روشنایی با کیفیت بالاتری ارائه می دهد، و به صرفه جویی قابل توجهی در انرژی کمک می کند. هدف از تولید و فعالیت های تحقیقاتی فشرده بهبود بیشتر عملکرد SSL، به ویژه بهره وری و کیفیت انرژی، و در نتیجه کاهش هزینه ها است.

به عنوان بخشی از قرارداد سبز اروپا، اتحادیه اروپا متعهد شد که انتشار خالص گازهای گلخانه ای را تا سال ۲۰۵۰ به صفر برساند. روشنایی حدود ۱۹ درصد از مصرف برق در سراسر جهان را به خود اختصاص می دهد، بنابراین روشنایی کارآمدتر باعث صرفه جویی عظیم انرژی می شود.

به عنوان مثال، جایگزینی لامپ‌های رشته‌ای با فناوری SSL می‌تواند تا ۷۰ درصد انرژی مصرفی امروز در روشنایی را ذخیره کند. و SSL دارای ویژگی های منحصر به فرد برجسته ای از جمله استحکام، طول عمر بیشتر، تیرگی و تنظیم رنگ است. این ویژگی‌ها فرصت‌های بی‌سابقه‌ای را برای شکل‌دهی و تنظیم محیط روشنایی برای برآوردن نیازهای فردی ارائه می‌دهند.

اینترنت پهن باند

نیاز به شبکه‌های پهنای باند سریع‌تر، شفاف‌تر، پویا و سبزتر، سیاست‌های تحقیقاتی اتحادیه اروپا در زمینه ارتباطات داده‌های نوری را هدایت می‌کند. تحقیقات در این زمینه به افزایش چشمگیر مصرف برق در وب، در مراکز داده و سرورها می پردازد. هدف این است که امکان رشد ترافیک، تغییرات سریع شبکه و تقاضاهای مختلف ترافیک را فراهم کند و در عین حال ارتباطات داده را سریع‌تر، ارزان‌تر و کارآمدتر کند.

ایمنی و امنیت

فوتونیک یک عامل کلیدی برای افزایش ایمنی و امنیت افراد، کالاها و محیط زیست است. امکان ساخت حسگرهای بدون تماس و کاربردهای بصری را به ارمغان می آورد. که در محدوده های مختلف طیف نور از اشعه ایکس تا تراهرتز کار می کنند. چنین حسگرهایی به اندازه کافی حساس و دقیق هستند تا خطرات احتمالی یا موقعیت های خطرناک را به طور قابل اعتماد تشخیص دهند. فن آوری های فوتونیک چندین کاربرد عملی در ایمنی و امنیت دارند. سنسورهای فیبر برای تشخیص عیوب ساختاری در بخش ساختمان، جلوگیری از آلودگی محیطی و توسعه سیستم‌های کمک راننده استفاده می‌شوند.

کاربردهای امنیتی همچنین به فناوری‌های فوتونیک متکی هستند، به عنوان مثال در سیستم‌های بیومتریک و امنیت مرزی، سیستم‌های نظارت تصویری و تجهیزات برای شناسایی کالاهای خطرناک یا غیرقانونی.

تولید با کیفیت بالا

لیزرها پرتوهای خطی نور بسیار متمرکز و متمرکزی تولید می‌کنند، و یک فناوری توانمند برای لیدار، پروژکشن دیجیتال، فناوری‌های تصویربرداری، اسکنر بارکد، ذخیره‌سازی داده‌ها و غیره هستند. اندازه لیزرها از سنکروترون های عظیم که می تواند چندین مایل را در بر می گیرد تا VCSEL های کوچک با طول چند نانومتر متغیر است. لیزر به ابزاری همه کاره تبدیل شده است. پردازش لیزری برای تولید با حجم بالا، کم هزینه و دقیق ضروری شده است. فناوری های جدید مبتنی بر لیزر، فرآیندهای تولید جدید را با کیفیت فوق العاده بالا تحریک می کنند. این امکان سفارشی‌سازی انبوه و تولید بسیار انعطاف‌پذیر در صورت تقاضا، تولید سریع، تمیز و کارآمد با منابع و تولید بدون خطا را فراهم می‌کند.

اروپا پیشرو در فناوری لیزر صنعتی است. این دستگاه لیزر و سیستم های لیزری را توسعه، تامین و اعمال می کند. فناوری‌های لیزر صنعتی در صنعت خودروسازی، برای تصفیه پلاستیک، ساخت سلول‌های فتوولتائیک، نیمه هادی‌ها و اجزای کوچک مورد استفاده در فناوری پزشکی و غیره استفاده می‌شوند.