Влияние нанотехнологий на оптические и фотонные технологии

За прошедшие годы многие электронные устройства были уменьшены до гораздо меньших размеров, чем их первоначальные предшественники. Для многих электронных устройств миниатюризации электронных компонентов (батарей, схем и т. Д.) До микрона, а затем до наноуровня было достаточно, чтобы уменьшить общий размер устройства при сохранении его высокой эффективности.

Однако устройства, в которых используются оптические компоненты, по своей природе сложнее миниатюризировать и улучшать, потому что используемые в них материалы должны быть очень высокого качества, а сами устройства должны быть невероятно точными. За последнее десятилетие или около того использование наноматериалов в оптических и фотонных устройствах значительно расширилось, и теперь они присутствуют во всем, от оптических покрытий на линзах до фотодетекторов, поляризаторов света и многого другого.

Подходящие свойства наноматериалов

Многие различные свойства наноматериалов позволяют им поглощать, отражать свет и управлять им для достижения желаемого эффекта. Они используются для ряда оптических и фотонных устройств (а также для устройств, в которых используются оптические компоненты).

Присущий наноматериалам небольшой размер позволяет компонентам и устройствам, в которых они используются, быть меньше, чем более громоздкие аналоги. В дополнение к небольшому размеру, большая активная площадь поверхности многих наноматериалов может использоваться для управления и изменения свойств света. Поскольку многие оптические компоненты используются в электронных устройствах, те, которые выполняют как оптические, так и электронные функции, такие как оптоэлектронные устройства, также требуют материалов с высокой проводимостью. Многие наноматериалы обладают очень высокой электропроводностью, которую можно использовать. Также полезны стойкость к истиранию и ударная вязкость многих наноматериалов. Это помогает предотвратить повреждение хрупких оптических компонентов, что, в свою очередь, изменяет оптическую эффективность компонентов.

Еще одним важным аспектом наноматериалов в оптических и фотонных технологиях является то, что они демонстрируют сильные взаимодействия света и вещества, гарантируя, что оптические компоненты эффективно взаимодействуют со светом. Многие наноматериалы также демонстрируют широкий оптический отклик и быстрое время релаксации, а некоторые из них достаточно эффективны для использования в терагерцовых технологиях. Даже когда оптические компоненты остаются наноразмерными, то есть они используются как отдельные нанокомпоненты, а не как часть более крупного компонента, их можно легко интегрировать с другими более громоздкими оптическими компонентами.

Оптические технологии

Наноматериалы в оптических компонентах варьируются от законченных устройств, функционирование которых зависит от их оптических свойств, до компонентов, которые используются в неоптических устройствах, и до оптических покрытий, используемых как для защиты, так и для улучшения оптических свойств устройства.

Линзы используются во многих электронных устройствах и крупномасштабных технологиях. Линзы обычно слишком велики, чтобы быть полностью изготовленными из наноматериалов. Однако наноструктуры из разных материалов могут быть включены в разные линзы для улучшения оптических характеристик и прочности линзы. Одним из наиболее распространенных вариантов линз является использование покрытий на основе наноматериалов (или специальных тонких пленок для высокотехнологичных применений), которые также улучшают характеристики и сопротивление истиранию / прочность линзы, без необходимости прямого включения наноматериала в линзу. линза. Этот подход менее затратный, поскольку можно использовать стандартные линзы, которые имеют гораздо более низкую стоимость (небольшие количества покрытия часто не слишком дороги). Более того, использование покрытий может придать линзе специфические эффекты, например антибликовые свойства.

Хотя для базовых линз обычно не требуются наноматериалы, использование наноструктур в линзах - и покрытий / тонких пленок - может, помимо основных характеристик и повышения оптической прозрачности, кардинально изменить свойства линз. Один из наиболее распространенных способов - превратить линзу в высокоэффективный оптический фильтр или оптический поляризатор, которые используются в различных технологиях.

Несколько других конкретных применений наноматериалов включают оптические резонаторы, насыщаемые поглотители и оптические переключатели для сверхбыстрых лазеров, а также в дополнительных датчиках металл-оксид-полупроводник (CMOS), оптических биосенсорах для обнаружения различных биомолекул и носимых оптических технологиях.

Фотонные технологии

Многие области оптики и фотоники пересекаются, потому что обе имеют дело со светом, хотя есть некоторые конкретные области, где наноматериалы используются только в фотонных приложениях (например, при обработке и восприятии света, а не при манипуляции светом, что касается многие оптические компоненты).

Инженеры-конструкторы также могут встраивать фотонные наноструктуры в различные линзы. Как и многие оптические линзы с улучшенными наноматериалами, фотонные наноструктуры улучшают характеристики микроскопов. Еще одна большая область нанофотоники - это фотодетекторы, потому что свойства электромагнитного поглощения многих наноматериалов приводят к созданию высокоэффективных фотодетекторов, которые используются во многих технологиях, включая компьютеры. Более того, поскольку многие наноматериалы имеют широкий спектр поглощения, эти фотодетекторы могут обнаруживать ультрафиолет (УФ), инфракрасное (ИК) и фотоны видимого света.

Наноматериалы использовались для создания ряда компонентов волоконно-оптических кабелей. К ним относятся оптические фильтры и решетки Брэгга, которые используются либо сами по себе в оптоволоконных кабелях, либо для создания других компонентов, таких как оптоволоконные анемометры. Многие наноматериалы используются для создания различных частей оптоволоконных кабелей, поскольку они сильно взаимодействуют с распространяющимся светом. Другие области, где наноматериалы используются для создания устройств на основе фотоники, включают волоконно-оптические выпрямители для преобразования электромагнитных волн в электрический ток, более совершенные устройства магнитной записи и способы повышения интенсивности света в спектроскопии и технологиях солнечных элементов, и это лишь некоторые из них.

Заключение

В последнее время развиваются оптические и фотонные технологии, но потребность в высокоточных компонентах делает их улучшение более сложным, чем многие другие технологии. Однако в последние годы был использован широкий спектр наноматериалов из-за их сильного взаимодействия со светом и их способности манипулировать свойствами света. Таким образом, разрабатывается гораздо больше технологий, в которых используются высокотехнологичная оптика из наноматериалов и фотонные компоненты.