ogranicza się tylko do styku elektroniki z optyką, lecz zajmuje się
wszystkim co ma związek z fotonami i przetwarzaniem informacji.
W szczególności, w obszarze fotoniki leży:
1. opracowywanie technik gromadzenia i przetwarzania obrazu
2. konstruowanie urządzeń pomiarowych wykorzystujących
promieniowanie
elektromagnetyczne
3. opracowywanie technik gromadzenia informacji z użyciem
promieniowania
elektromagnetycznego
4. badania nad optycznymi zamiennikami elementów
elektronicznych, które
docelowo mogą doprowadzić do budowy

komputera kwantowego

Obszar zainteresowań: lasery, światłowody, fotodiody, diody
elektroluminescencyjne,
ekrany elektroluminescencyjne, foto-ogniwa,
wskaźniki,
wyświetlacze

Jak działa telewizor

Istnieje szereg technologii
wyświetlaczy:

CRT – monitory kineskopowe

LCD – wyświetlacze ciekłokrystaliczne

Ekrany plazmowe

OLED/PLED – organiczne i polimerowe
diody

elektroluminescencyjne

Historia

Monitory kineskopowe

Najstarsza technologia monitorów
Pierwszy monitor został zaproponowany w 1908 przez Campbell’a Swinton’a
W 1926 roku Baird zademonstrował „televisor”, mechaniczną telewizję.

1928 – Farnworth demonstruje prasie monitor kineskopowy (San Francisco)
1936 – RCA denonstruje pierwszy elektroniczny telewizor o 343 liniach

Jak działa CRT ?

Każdy obraz na ekranie powstaje z punktów zwanych pixelami (pixel = picture elements).
W wyniku skanowania pixeli powstaje ruchomy obraz.
Ze wzrostem szybkości skanowania widzimy obraz dzięki bezwładności naszego oka.

Jak działa CRT ?

Ekran

Magnesy

Wiązka elektronów

W monitorze kineskopowym wytwarzana jest wiązka elektronów,
sterowana magnesami w odpowiedni punkt ekranu.
Kiedy wiązka uderza w ekran świeci substancja fosforyzująca. Im większa
energia wiązki, tym silniej substancja fosforyzująca emituje światło.

Jak działa CRT ?

Co z kolorem ?

Potrzebne są tylko trzy podstawowe kolory:

czerwony,

zielony

niebieski.

Żółty

obiekt absorbuje

światło niebieskie

ale odbija

zielone

czerwone

. Dlatego widzimy

przedmiot

żółty

Jak działa CRT ?

Ekran kolorowego telewizora ma trzy różne substancje fosforyzujące dla
każdego piksela
Które emitują światło

zielone

czerwone

niebieskie

Co to jest substancja fosforyzująca ?

Substancje fosforyzujące
emitują
światło po wzbudzeniu

Wyświetlacze plazmowe

Jedną z wad monitorów kineskopowych jest duże
zużycie mocy
co ogranicza ich wymiary.
Rozwiązanie stanowią wyświetlacze plazmowe.

Wyświetlacz plazmowy podzielony jest na piksele, podobnie

jak CRT, ale w tym wypadku każda celka jest wypełniona gazem
(neon, ksenon) pod niskim ciśnieniem. Z tyłu celki umieszczona jest

zielona

czerwona

lub

niebieska

substancja fosforyzująca.

1. Po wzbudzeniu gaz staje
się plazmą (1)

2. Plazma emituje
promieniowanie UV. UV
wzbudza
Substancję fosforyzującą
(2)

3.Na ekranie powstaje
obraz (3)

Co to jest plazma ?

Plazma określana jest często mianem czwartego stanu skupienia materii.

Plazma jest zbiorem cząstek obdarzonych ładunkiem zarówno dodatnim
jak i ujemnym (jony), elektronów oraz cząstek neutralnych (atomy,
cząsteczki). Wykazuje wiele cech gazu ale jednocześnie jest dobrym
przewodnikiem.

Plazmę można generować przez jonizację gazu stosując promieniowanie
(światło), wiązkę
elektronów, wyładowania elektryczne lub ogrzanie gazu.

błyskawice

płomień

materia gwiazd (słońca)

zorza polarna

PLAZMA

Rozróżniane są dwa rodzaje
plazmy:

Gorąca – jony, elektrony i cząstki
neutralne mają w
przybliżeniu
tę samą temperaturę, od
około
1000 K (plazma w
plomieniu)
do 1.000.000 K (wnętrze
gwiazd)

Zimna – jony i cząstki neutralne
mają w
przybliżeniu temperaturę
pokojową. Elektrony mją
temperaturę rzędu
100.000 K.

Ekrany ciekłokrystaliczne (LCD)

Kolejna droga do obniżenia zużycia energii to stosowanie ekranów ciekłokrystalicznych

Ekrany ciekłokrystaliczne wykorzystują tę samą metodę percepcji
koloru co ekrany
plazmowe i monitory kineskopowe.

Ekran tworzą

zielone

niebieskie

czerwone

piksele. Są jednak bardziej

przyjazne
ludzkiemu oku.

Ekrany ciekłokrystaliczne (LCD)

W monitorach kineskopowych i ekranach plazmowych substancja
fosforyzująca ulega wzbudzeniu, tworząc obraz. Po wzbudzeniu,
intensywność emitowanego światła gwałtownie spada.

W ekranach ciekłokrystalicznych nie ma substancji fosforyzujących.
Ekran jest zawsze oświetlony. Obraz powstaje w wyniku sterowania
impulsami elektrycznymi orientacji cząstek ciekłego kryształu.

Co to jest związek ciekłokrystaliczny ?

Jest to związek (polimer) o właściwościach fizycznych pośrednich między
cieczą a ciałem
stałym. Podobnie jak plazma określany jest często jako kolejny (4 lub 5)
stan skupienia.

W krystalicznym ciele stałym mamy do czynienia z uporządkowaniem
położenia i kierunku
o dalekim zasięgu.

W wypadku ciekłych kryształów (niskocząsteczkowych) ich cząsteczki
cechuje
anizotropia kształtu (np. sztywne cząstki o kształcie pręta). W wypadku
przedstawionej fazy (nematycznej) cząsteczki zachowują orientację
kierunku ale brak uporządkowania pozycji. Mogą przemieszczać i płynąć
jak ciecz.

Przykłady podstawowych struktur

Pierwszym ciekłym kryształem był opisany przez
austriackiego botanika
Friedricha Reinitzera (1888), benzoesan cholesterylu, -
produkt naturalny.

benzoesan
cholesterylu

Fluorowane
tolany

Bananowy ciekły kryształ

Pochodna
cyjanobifenylu

p-
azoksyanizol

Ciekły kryształ a pole elektryczne

W 1963 roku w firmie RCA stwierdzono, że droga światła w ciekłym
krysztale może być modulowana polem elektrycznym.
Jeżeli materiał ciekłokrystaliczny umieszczony jest między dwoma
płytkami, zarysowanymi pionowo i poziomo, cząsteczki w kolejnych
warstwach ulegają skręceniu tak, aby warstwy zewnętrzne były
zorientowane wzdłuż linii zarysowań.

Podstawy konstrukcji wyświetlaczy ciekłokrystalicznych

Zasada jest prosta. Najprostszy piksel, to materiał ciekłokrystaliczny
umieszczony między dwoma polaryzatorami, z których jeden spełnia rolę
analizatora.

Polaryzator (analizator) umożliwia przejście światła o określonej polaryzacji
(w płaszczyźnie rysunku).

Podstawy konstrukcji wyświetlaczy ciekłokrystalicznych

E = 0 E > 0

Jeżeli

E = 0

cząsteczki

ciekłego
kryształu są skręcone i
umożliwiają przejście
spolaryzowanej wiązki
światła przez piksel.

Po przyłączeniu napięcia

> 0

cząsteczki porządkują

się zgodnie z przyłożonym
polem elektrycznym i
płaszczyzna polaryzacji
światła nie ulega
skręceniu. Światło nie
przechodzi przez piksel.

Kalkulatory (LCD)

Aby cyfra ukazała się w ekranie kalkulatora włącza się napięcie do niezbędnych
elementów, tworzących obraz, cząsteczki ciekłego kryształu tracą skręt i światło nie
przechodzi przez wybrane komórki.

Barwa i kontrast

Kontrast można kontrolować wartością napięcia sterującego. Im wyższe
napięcie tym mniej światła przechodzi przez piksel.

Barwa – każdy piksel jest kombinacją

niebieskiej

zielonej

czerwonej

komórki. Dzięki przyłożonej wartości napięcia każdej komórki barwy mogą
być włączane bądź wyłączane.

Przyszłość – ekrany OLED (Organic Light Emitting Diods) Diody

Elektroluminescencyjne

1990 – Holmes i Friend, Uniwersytet Cambridge

Polimer lub związek organiczny (metaloorganiczny) pod wpływem przyłożonego napięcia
emituje światło.

OLED

Przykładem stosowanego polimeru jest PPV – poli(p-fenylelenowinylen). Ogólnie jako
teriał organiczny stosowane są układy sprzężone, umożliwiające delokalizację elektronów.

OLED

Każdy piksel jest podzielony, podobnie jak monitorach kineskopowych i
ciekłokrystalicznych na celki

niebieską

zieloną

czerwoną.

Zalety wyświetlaczy OLED w porównaniu z LCD

Wyświetlacze OLED zużywają mniej mocy niż wyświetlacze LCD

nie potrzebują podświetlenia
wymagane napięcie to 2-10 V

2. Są jaśniejsze od LCD

Mają krótszy czas odpowiedzi

Są lżejsze od LCD i CRT oraz wyświetlaczy plazmowych

Mają szerszy zakres temperatury pracy

Szerszy kąt widzenia

Mogą być bardzo cienkie ( < 500 nm)

Falowa natura światła

Augustin Jean Fresnel (1788-1827) był francuskim
fizykiem i inzynierem rządu francuskiego. Był jednym z
głównych teoretyków falowej teorii światła. Opracował
podstawy matematyczne teorii falowej.

„Fizycy wykorzystują teorię falową w poniedziałki, środy
i piątki a teorię korpuskularną we wtorki, czwartki i
soboty” – Sir William Henry Bragg

Falową naturę światła potwierdzają takie zjawiska jak interferencja i
dyfrakcja. Możemy traktować światło jako falę elektromagnetyczną ze
zmiennymi w czasie polami: elektrycznym E

i magnetycznym B

, które

propagują w przestrzeni w taki sposób, że prostopadłe do siebie i do
kierunku propagacji.

Kilka pożytecznych definicji

Matematyczny opis fali rozchodzącej się w kierunku z:

= E

cos(ωt – kz + Φ

)

– pole elektryczne w położeniu z

k – stała propagacji lub liczba falowa (2π/λ, gdzie λ jest długością fali)

ω – szybkość kątowa

– amplituda fali

Φ – stała fazowa umożliwiająca przesunięcie wartości E

(w czasie t = 0 i z =

0, E

może

być równa 0 lub różna od 0).

Kilka pożytecznych definicji

Płaska fala elektromagnetyczna rozchodząca się w kierunku z ma tę samą
wartość E

(lub B

) w dowolnym punkcie wybranej płaszczyzny xy. Płaszczyzna jest

określana mianem czoła fali.

Fale rozbieżne

Idealna fala płaska Idealna fala kulista Fala
rozbieżna

Idealna

fala płaska

ma wartość amplitudy (E

, niezależną od i x i y.

Ponadto taka fala z
założenia ma nieskończoną energię i rozchodzi się w nieskończoność - w
praktyce jest
to niemożliwe, gdyż zakłada nieskończoną moc źródła.

Fala kulista

posiada czoło w postaci powierzchni kuli, fala ta jest falą

rozbieżną gdyż powierzchnia czoła staje się coraz większa.

Rozbieżność optyczna

to kątowe rozchodzenie się wektorów fali na

powierzchni czoła.
Te dwa ekstrema - fala płaska i kulista – pochodzą od dwóch
ekstremalnych źródeł, nieskończenie wielkiego źródła (fala płaska) i
źródła punktowego (fala kulista).
W rzeczywistości źródło skończony rozmiar i moc.

Wiązka świetlna Gaussa

Realne wiązki światła (np. laserowa) to wiązki Gaussa. Wiązka taka jest
rozbieżna jako efekt skończonych rozmiarów źródła, przy czym kąt 2θ to

rozbieżność wiązki.

Światło padające, przechodzące (załamane) i odbite

n = c / v – współczynnik załamania światła
c – szybkość światła w próżni (3 10

m/s)

v – szybkość światła w danym ośrodku

Dany ośrodek może mieć tę samą wartość współczynnika światła we
wszystkich kierunkach – jest wówczas optycznie izotropowy (ciała stałe
szkliste, płyny, kryształy o sześciennej sieci krystalicznej.

Całkowite wewnętrzne odbicie

Jeżeli kąt θ

osiąga 90

to odpowiadający mu kąt padania zwany jest

kątem krytycznym θ

występuje zjawisko całkowitego wewnętrznego

odbicia.

Światło pada z ośrodka o większym współczynniku załamania na ośrodek o mniejszym
współczynniku załamania. W zależności od kąta padania światło może ulegać odbiciu i
załamaniu (a) lub całkowitemu odbiciu (b) (c). Jeżeli θ

jest większy od θ

to transport

energii zachodzi jednie w postaci tzw. fali zanikającej. W drugim ośrodku istnieje pole
elektromagnetyczne, które zanika na odległości rzędu długości fali. Zjawisk
wewnętrznego odbicia jest wykorzystywane w optyce – pryzmaty do odwracania obrazu.

Polaryzacja światła

Jeżeli drgania pola elektrycznego (a tym samym magnetycznego) fali mają

miejsce tylko w jednym kierunku to taka fala jest spolaryzowana
liniowo.

Metody polaryzacji:

1. Zastosowanie płytki polaryzacyjnej (polaryzatora) – uporządkowanego

polimeru

2. Kryształy dwójłomne (kalcyt, turmalin, mika) dają dwa promienie
(zwyczajny i nadzwyczajny) liniowo spolaryzowane

Polaryzacja światła

3. Odbicie światła. Jeżeli światło przechodzi z ośrodka o mniejszej
gęstości do ośrodka o większej gęstości to przy kącie padania równym
tzw. kątowi Brewstera, gdy kąt między promieniem załamanym i odbitym
wynosi 90

, uzyskuje się polaryzację promienia odbitego.

Wykorzystanie polaryzacji

Pomiary skręcalności

Polaryzacja światła

Filtry polaryzacyjne

Wykorzystane w okularach przeciwsłonecznych, fotografice

Wyświetlacze (display’e) ciekłokrystaliczne

Powłoki przeciw-odbiciowe w ogniwach słonecznych

(solar cells)

Częściowe odbicie światła jest czynnikiem szkodliwym w wypadku ogniw
słonecznych. Współczynnik załamania światła powietrza n

=1 a krzemu

(półprzewodnika) n

= 3.5. W takim wypadku 31% światła ulega odbiciu i

stracie.

Aby wygasić odbicie przez nałożenie fal odbitych A i B w przeciwnych fazach
należy zastosować powłokę o pośrednim współczynniku załamania światła
(Si

) o n

= 1.9.

Grubość warstwy przeciw-odbiciowej wyznacza się z zależności d = m(λ/4n

gdzie m = 1,3,5….Na przykład, gdy długość światła wynosi 700 nm
d = (700nm)/[4(1.9)]=92.1 nm lub nieparzyste wielokrotności d.

Lustra dielektryczne (technika laserowa)

Składają się one z zbioru warstw dielektryków, takich ,ze n

< n

, przy czym grubość każdej

warstwy jest równy ¼ długości fali w danej warstwie. Wówczas różnica faz A i B wynosi 2π
i następuje konstruktywna interferencja.

Dyfrakcja (ugięcie)

Ważną cechą fal jest uleganie zjawisku dyfrakcji. Wiązka światła może
odchylać się w kontakcie z przeszkodą, na przykład gdy równoległa wiązka
światła przechodzi przez otwór w nieprzejrzystym ekranie. Wiązka staje się
rozbieżna i na ekranie powstają ciemne i jasne pierścienie, zwane
pierścieniami Airy’ego.

Zjawisko dyfrakcji wyjaśnia teoria Huygens’sa-Fresnel’a, dotycząca
interferencji wielokrotnych fal generowanych przez przeszkodę. Zgodnie z tą
teorią każdy punkt frontu fali w dowolnym wybranym czasie służy jako
źródło drugorzędowych fal kulistych o tej samej częstotliwości co fala
pierwotna a jej amplituda jest efektem nałożenia się (interferencji) tych fal.

Ilustracja zasady Huygens’a-Fresnela

Kąt ugięcia wyraża
zależność :

sin θ = 1,22 λ / D

Dyfrakcja

Rysunek ilustruje dyfrakcję przez prostokątny otwór, gdy następuje
nakładanie dwóch funkcji ugięcia – (a) w osi horyzontalnej i (b) w osi
pionowej.

Dlaczego prążki dyfrakcyjne są szersze w osi horyzontalnej?

Siatki dyfrakcyjne

Siatka dyfrakcyjna w swym najprostszym wydaniu to element optyczny
posiadający serię szczelin w materiale nieprzezroczystym.

Oczywiście fale z takich źródeł interferują ze wzmocnieniem, gdy d sin θ =
m λ

Siatki dyfrakcyjne

Inne rodzaje siatek to siatka transmisyjna (np. szkło z cienkimi
wyżłobieniami) oraz siatka odbiciowa, gdy wiązka padająca i odbite
znajdują się po tej samej stronie siatki (np. folia metalowa z równoległymi
zarysowaniami.

OLEDs – Organic Light-Emitting Diodes

Ogólnie materiały stosowane jako elektroluminofory można podzielić na dwie grupy:
sprzężone polimery i kompleksy metaloorganiczne służące jako emitery lub dodatki
(dopants)

Badania nad elektroluminoforami do kolorowych

wyświetlaczy LED

Wyświetlacze (ekrany) takie jak przedstawiony tu prototyp Kodak-
Sanyo można
skonstruować stosując trzy rozwiązania.

LED. Sub-piksele, (celki) z trzema elektroluminoforami

Jest to pierwsza i najprostsza metoda, gdy trzy podstawowe barwy są
emitowane oddzielnie przez trzy różne luminofory. Takie rozwiązanie
stosowane jest gdy piksele mogą być stosunkowo duże, staje się jednak
mało praktyczne w mikro-wyświetlaczach, gdzie sub-piksele mogą mieć
wymiary rzędu kilku mikronów.

LED. Białe światło

W drugim rozwiązaniu emiter jest źródłem białego światła, które przechodzi
potem przez trzy filtry funkcjonujące na zasadzie sub-pikseli. Filtry takie
drukuje się na oddzielnej płytce i nakłada na emiter białego światła. Jest to
prosta metoda, której wadą jest utrata światła na filtrach, ponieważ na
każdym sub-pikselu traci się około 2/3 energii.

LED. Substancja zmieniająca barwę (CCM)

Jest to najlepsza metoda uzyskiwania barwy z wykorzystaniem
fluorescencyjnej substancji zmieniającej barwę padającego światła. Stosuje
się emiter niebieskiego światła, które następnie jest przekształcane w
zielone i czerwone za pomocą CCM (colour changing media). Mniej światła
ulega absorpcji w porównaniu ze stosowaniem filtrów, pod warunkiem, że
CCM ma wysoką efektywność. Niektóre z CCM mają efektywność rzędu
50-80%.

Stosowane barwniki fluorescencyjne absorbują światło przy określonej
częstotliwości i emitują je przy niższej (o dłuższej fali).
Stosowane grupy związków:
Światło niebieskie – pochodne stilbenu
Światło zielone - pochodne kumaryny
Światło czerwone – cyjanowe pochodne piranu, pirydyny

Sterowanie barwą

Duże znaczenie posiada określenie wpływu ligandów
elektroluminescencyjnych
związków metaloorganicznych na długość promieniowania emisyjnego. Ma to
zasadnicze znaczenie w tzw. dostosowaniu barwy (colour tuning).

Grupy elektrono-donorowe EDG (electron donor groups) lub elektrono-
akceptorowe EWG (electron withdrawing groups) wprowadzone do, np.
liganda hydroksychinolinowego w takim elektro-luminoforze jak AlQ

powodują zmianę właściwości elektronowych ligandów wpływających na
emisję światła.