Mokslo sritis tyrinėjanti šviesą ir kurianti šviesa grįstas technologijas yra vadinama fotonika. Deja retas kuris išgirdęs šį žodį žino ką nors daugiau. O žinoti daugiau yra verta, nes fotonika jau dabar visiškai pakeitė mūsų gyvenimą. 20-asis amžius gali būti vadinimas elektrono amžiumi dėl proveržių elektronikoje, tačiau 21-asis amžius tikriausiai bus vadinimas fotono amžiumi. Kodėl?
2010-aisias Europos Komisija paskelbė fotoniką kaip vieną iš pagrindinių sričių leidžiančių kurti naujas inovacijas (‘key enabling technology’), kas reiškia dideles investicijas šioje srityje [1]. Neilgai trukus JAV pasekė Europos pavyzdžiu. Be to, pats prestižiškiausias mokslo žurnalas ‘Nature’ 2007-aisiais pradėjo leisti atskirą žurnalą ‘Nature Photonics’ skirtą vien tik šiai sričiai. Fotonikos svarbą tai pat puikiai iliustruoja daugybė Nobelio premijų vien tik 21-ąjame amžiuje.
Garsiai nuskambėjusi Nobelio premija šiais metais už mėlyna spalva šviečiančius diodus atiteko Japonų mokslininkams [2]. Šie diodai yra ypatingai svarbus išradimas leidžiantis žymiai našiau sukurti baltos šviesos apšvietimą. Turint omenyje, jog ketvirtadalis elektros energijos išnaudojama apšvietimui, tai yra labai svarbus išradimas. Taip pat dar svarbu paminėti, jog mėlynieji šviestukai yra vieni iš būtinųjų komponentų moderniuose ekranuose.
Vėlyvojoje 20-ojo amžiaus dalyje įvyko perversmas telekomunikacijų srityje. Lazerinių diodų ir optinių kabelių išradimai paklojo pamatus šiuolaikiniam informacijos pasauliui. Šiuo metu šviesolaidžiais yra išraizgyti netik žemynai, bet ir vandenynų dugnai. Įprastas bendraašis kabelis gali elektriniais signalais perduoti iki 650 MBit/s informacijos. O vienu šviesolaidžiu yra pavykę pasiekti net iki 255 TBit/s duomenų srautą ir tai ne riba [3].
Už proveržius šviesolaidžių tyrimuose 2009-aisiais buvo atiduota pusė Nobelio premijos. Kita pusė nukeliavo už CCD (liet. krūvio sąsajos įtaisas) jutiklio atradimą [4]. CCD jutiklis – tai skaitmeninė akis leidžianti matyti pasaulį ne vien tik mūsų akiai įprastame elektromagnetinių bangų diapazone. CCD (ar labai panašūs prietaisai) yra naudojami skaitmeninėse kamerose ir būtent šis išradimas yra atsakingas už nepaprastai augantį duomenų srautą su kuriuo vos spėja susidoroti mokslininkai tobulinantys optinių kabelių technologijas.
Šviesa yra pagrindinis įrankis tyrinėjant organizmus, ląsteles. Tačiau net ir pats brangiausias mikroskopas negali įžvelgti mažesnių nei keli šimtai nanometrų objektų. Tai yra vadinama difrakcijos riba, teigianti, jog negalime matyti mažesnių objektų nei pusė bangos ilgio tos šviesos kurią naudojame (jei naudojame matomą šviesą ši riba būtų apie 0,2 mikrometro). Pasirodo yra įmanoma apeiti šią teorinę ribą. Nesenai buvo sukurti metodai leidžiantys stebėti objekus mažesnius nei difrakcijos riba. Tai yra vadinama super-rezoliucijos mikroskopija, kurios pradininkai šiais metais pasidalijo Nobelio premija [5]. Taigi, antroji premija per vienerius metu iškeliavo fotonikos atstovams.
Biofotonikoje neretas įrankis yra optinis pincetas. Tai yra labai stipriai sufokusuota lazerio šviesa kuri leidžia įkalinti ląsteles ar įvairias daleles lazerinio spindulio fokuse bei jomis manipuliuoti lyg jos būtų pagriebtos pincetu [6]. Fotodinaminė terapija yra vienas iš metodų gydyti odos vėžį. Tai vyksta paprastai specialiame kambaryje, kuriame oda yra apšviečiama tam tikra šviesa. Tačiau organinių diodų tyrimai leido sukurti specialius šviečiančius pleistrus, kurie klijuojami ant odos [7]. Ta pati organinių diodų technologija gali būti taikoma siekiant sukurt lanksčius monitorius arba saulės energiją surenkančius paviršius [8].
Nieko dabar nebe nustebinsi, jog lazeriniai skalpeliai yra naudojami medicinoje. Visi taip pat žino, jog su lazeriais galime koreguoti ragenos formą, kas leidžia koreguoti patį regėjimą. Tie patys mikro-apdirbimo principai veikia ir pramonėje, kur lazeriais yra paruošiami medžiagų paviršiai, medžiagos yra pjaustomos, gręžiamos bei virinamos. Lazeriai yra naudojami ne tik geresniems kuro purkštukams gaminti, tačiau gali būti jog kai kuriuose automobiliuose kuro įžiebimui naudojamos elektros iškrovos žvakės bus pakeistos į lazerines žvakes [11]. Saulės elementų našumas išauga jų paviršių teisingai apšaudžius lazerio impulsais. Šie elementai yra pirmasis sprendimas energetikos krizei įveikti. Tačiau taip pat vyksta tyrimai siekiant įžiebti kontroliuojamą saulę pačioje Žemėje. Tai yra vadinama termobranduoline reakcija, kuri galėtų būti mūsų švarios energijos šaltinis. Viena iš galimybių įžiebti prijaukintą saulę yra būtent naudojant daugybę itin galingų lazerių.
Nauji fotoniniai kristalai ir metamedžiagos leidžia manipuliuoti šviesa taip, kaip negalime su įprastomis medžiagomis. Nematomumas galėtų būti vienas iš šių medžiagų panaudojimo būdų. Mokslininkams yra pavykę padaryti objektus nematomais, tačiau tik viename bangos ilgyje [9]. Kita karšta sritis yra nanofotonika. Čia yra siekiama sukurti nepaprastai mažus lazerius bei įvairius ypatingai jautrius detektorius. Pavyzdžiui, yra kuriami matuokliai kurie paėmę vos tik lašelį kraujo galėtų akimirksniu diagnozuoti pavojingas ligas pačiose pirmosiose stadijose [10].
Nuotolinis medžiagų aptikimas yra dar viena fotonikos sritis. Šviesa išskleista iš lazerio ir ten pat surinktas jos atspindys leidžia sužinoti apie paviršiaus būseną, stebėti pasėlius bei orus milžiniškais atstumais. Tai yra vadinama LIDAR technologija [12]. Galbūt mašinų autopilotas veiks naudojantis šia nuotolinio jutimo sistema. Su LIDAR ar panašia technologija buvo pademonstruota jog galima tikrinti oro cheminę sudėtį ir taip patikimai įvertinti oro taršą realiu laiku, bei aptikti sprogmenis net ir per didelį atstumą [13].
Lazerių šviesa yra naudojama litografijoje kuriant mikroschemas, kurios leidžia sutalpinti didžiulę skaičiuojamąją galią kiekvieno mūsų kišenėje. Tačiau tikriausiai viena iš karščiausių temų yra integruotoji fotonika, kur yra siekiama sukurti mikroschemas kuriose keliautų nebe elektronai, bet patys fotonai. Dėl fotonų greičio šios mikroschemos greičiau bus naudojamos informacijos magistralėse tarp mikroprocesorių [14]. Galbūt ateityje tai prives ir prie pačio optinio kompiuterio, o gal tai bus pagrindas net ir kvantiniam kompiuteriui.
Fotonika atranda vietą ir prie fundamentaliųjų mokslų. 2005-aisiais Nobelio premija iškeliavo už optinių šukų atradimą. Optinės šukos tai lyg milijonas stabilių lazerių kurių kiekvienas šviečia truputį kitokiu dažniu. Tai sukėlė revoliuciją laiko ir dažnio metrologijoje. Šiuo metu šių optinių šukų dėka galime mesti iššūkį pamatinėms teorijoms, tikrinti ar fundamentalios konstantos iš tiesų yra konstantos ir išmatuoti laiko greičio skirtumą tarp mūsų kojų ir galvos dėl Žemės gravitacijos poveikio (kaip nuspėja Einšteino Bendroji Reliatyvumo Teorija) [15]. Ne gana to, optinių šukų tyrimai leido sukurti lazerius kurių impulsų trukmė yra atosekundžių eilės, tai yra milijardinė milijardinės sekundės dalies dalis. Šioje laiko skalėje vyksta elektronų judėjimas aplink branduolį. Su tokiais itin trumpais lazerių impulsais pagaliau galime pažvelgti į neištyrinėtas fizikos sritis. Be to, lazeriniai impulsai gali būti sukuriami tokie galingi, jog jų maksimali galia yra didesnę nei milžiniškos atominė elektrinė galia. Šiuo metu statomas vienas iš galingiausias pasaulyje lazerių kompleksas ELI [16] leis pažvelgti kas vyksta kai lazerinių impulsų galia pasidaro pakankama, jog net ir vakuumas yra jonizuojamas.
Fotonika yra viena iš moderniųjų krypčių, kur persipina įvairūs mokslai ir inžinerijos. Ši mokslo ir technologijų sritis padeda tyrinėti kosmosą, žemę, žmogų, molekules bei ieško atsakymų į pačius fundamentaliausius klausimus. Neabejoju, jog 21-asis amžius pateiks daugybę stulbinančių atradimų šioje srityje, kurie ir toliau keis mūsų kasdienį gyvenimą.
Smith, David R. (25 July 2014). “A cloaking coating for murky media”. Science 345: 384. doi:10.1126/science.1256753
Hyungsoon Im et al., Label-free detection and molecular profiling of exosomes with a nano-plasmonic sensor, Nature Biotechnology 32, 490–495 (2014) doi:10.1038/nbt.2886