20فناوری فوتونیکی برتر سال 2020 به‌انتخاب سایت laserfocusworld (قسمت اول)

۲۵ بهمن ۱۳۹۹/دانستنی‌های لیزر/دیدگاه‌ها بسته هستند

20فناوری فوتونیکی برتر سال 2020 به‌انتخاب سایت laserfocusworld (قسمت اول)

سایتLaser Focus World طبقه‎بندی اختصاصی فناوری‌های تحت پوشش خود را با عنوان “فناوری‌های مرتبط با فوتون‎” منتشر کرد. در این طبقه‌بندی برخی پیش‌نیازها، از جمله مفید بودن، اصالت و سطح فنی و منطقی بالابه انتخاب 20 فناوری برتر از دستاوردهای فنی سال گذشته در زمینه فوتونیک منجر شد. البته این تعداد، فقط نمونه‌ای از بازارها و فناوری‌های تحت پوشش این حوزه است و کمابیش در دسته‌های اختیاری طبقه‌بندی شده‌اند و هیچگونه برتری در مهارت و ابتکار میان آنها نیست. در این قسمت به‌بررسی اجمالی ده فناوری نخست که Laser Focus World مورد توجه قرار داده می‌پردازیم و در قسمت آینده مابقی فناوری‌ها را معرفی خواهیم کرد.

پیشرفت در فیبر نوری

1-فیبرهای نوری میان‌تهی با استفاده از پدیده‌ای مانند شکاف انرژی فوتونیک یا ضد تشدید، از طریق یک هسته پر از هوا، نور را انتقال ‌می‏دهند. با گذشت سالها تحقیق، افت نوری در این نوع فیبرها بسیار کاهش یافته است. یکی از مزایای بزرگ این فیبرها سرعت انتقال داده بالاتر است، زیرا نور از هوا نسبت به شیشه بسیار سریع‎تر عبور ‌می‏کند. در سال2020، شرکت OFS به‌صورت تجاری یک فیبر میان‌تهی دارای شکاف انرژی فوتونیکی را ارائه داد. هدف این محصول بازاری است که منحصراً انتقال با سرعت بالا و معاملات فرکانس بالا را ارزش‌گذاری می‌کند. معاملات فرکانس بالا معاملاتی هستند که در آن حجم زیادی از معاملات در کسری از ثانیه توسط برنامه‌های کامپیوتری قدرتمند انجام می‌شود (شکل 1 را ببینید). فیبر OFS ‌می‏تواند انتقال مایکروویو را در اتصال “آخرین مایل” (مرحله آخر زنجیره تامین) بین برج مایکروویو و مرکز داده جایگزین کند. مزیت سرعت آن نسبت به فیبر شیشه‎ای، این است که میلی‌ثانیه‎های باارزش را در زمان بین معاملات تجاری اصلاح ‌می‏کند و سود معامله‌گران را افزایش ‌می‏دهد. برای مطالعه این مقاله می‎توانید به لینک مقاله در پانوشت مراجعه کنید[i]

شکل 1. سطح مقطع فیبر کریستال فوتونیک میان تهی، که هسته، ساختار شبکه و شنت‌ها را نشان می‌دهد.

2-نور لیزر با قدرت بالا را ‌می‏توان به‌راحتی از طریق فیبر نوری به نقطه کاربرد خود هدایت کرد. با این حال،فیبرهای شیشه‎ای کلکوژناید[1] هسته جامد موجود، در کاربردهایی از مادون قرمز میانه (mid-IR)مانند جراحی و برخی از انواع پردازش مواد، مقداری از نور را جذب ‌می‏کنند و ممکن است بیش از حد گرم شده و حتی خراب ‌‏شوند. فیبر نوری میان‌تهی نسخه IR میانه ضد تشدید تولید شده در مرکز تحقیقات اپتوالکترونیک، دانشگاه ساوت‌همپتون انگلیس[2] و مرکز مواد و فناوری‎های نانو دانشگاه پاردوبایس جمهوری چک این مشکل را حل کرده‌است. سطح خارجی فیبر برای افزایش دوام و محافظت از فیبر در برابر رطوبت، با پلیمر اتیلن پروپیلن فلوئوردار [3](FEP) پوشانده شده‌است. مواد سازنده فیبر شیشه‎ای تلوریت از پایداری حرارتی بالایی برخوردار است و ‌می‏تواند با محیط اطراف هم دما شود. این فیبر هنگام استفاده تقریبا تک‌مد است. (لینک این مقاله در پانوشت ،شماره ژوئن 2020)[ii]

3-در حال حاضر در دنیای پردازش مواد لیزرهای فوق سریع، لیزرهای فیبری پیکو و فمتوثانیه بسیار با اهمیت هستند. برای این لیزرها، خواص فیبر فعال، خود محدودیتی برای داشتن پالس با انرژی بالاتر است. به‌طور معمول، قطر فیبر را افزایش می‎دهند تا انرژی پالس بیشتری را فراهم کند، اما کیفیت پرتو این فیبرها به‌هرگونه خم شدن فیبر بسیار حساس است. اکنون، تقویت‌کننده‎های فیبر مخروطی با پوسته دولایه[4] چشم‌اندازی برای دستیابی به قدرت بالا با ویژگی‎های پرتو عالی را ارائه ‌می‏دهند. فیبر نوری مخروطی با پوسته دو لایه، یک فیبر نوری با دو روکش است که با استفاده از فرایند کشش فیبر تولید می‌شود و مخروطی را در طول فیبر تشکیل ‌می‏دهد. این فیبر در پروژه PULSE اروپا در دانشگاه‌ تامپر وآمپلیکونیکس اوی[5] در فنلاند ساخته شده‌است. هسته و پوسته هر دو مخروطی است. و نتیجه تغییر پارامترهای فیبر، ایجاد زنجیره‌ای از تقویت‌کننده‌های فیبری است که همواره با قطر هسته در حال افزایش است. این فیبر ترکیبی از ویژگی‎های فیبرهای تک‌مد با قطر کوچک با دو پوسته با فیبرهای چند مد با قطر بزرگ‌تر و دو پوسته است،که برای تقویت با قدرت بالا استفاده ‌می‏شوند. برای مطالعه این مقاله می‎توانید به لینک زیر مراجعه کنید[iii] (شماره مه 2020) ؛

ابزارهایی که توانایی دیدن را افزایش ‌می‏دهند

4-تصویربرداری افت‌و‌خیز نوری با وضوح فوق‌بالا [6] که توسط محققان آزمایشگاه اپتیک پزشکی در لوزان سوئیس ایجاد شده‌است، یک روش میکروسکوپی جدید برای زیستشناسی است که برخلاف سایر تکنیک‎های فلورسانس چندرنگ، ارتباط بین کانال‎های طیفی مختلف میکروسکوپ را افزایش ‌می‏دهد. و اجازه ‌می‏دهد تا تجزیه و تحلیل آماری انجام شود و کانال‎های طیفی “مجازی” اضافی ایجاد ‌می‏کند. الگوریتم نرم‌افزار از نظر آماری تجزیه و تحلیل آماری مراتب بالاتر از یک سری زمانی از فلوروفورهای[7] چشمک زن را انجام ‌می‏دهد و در نتیجه به ایزوله کردن فلوروفورهای منتشر شده مجزا احتیاج ندارد. این تکنیک به‌ظاهر پیچیده در واقع انتخاب فلوروفور و آزمایشات را ساده ‌می‏کند. برای مطالعه این مقاله می‎توانید به لینک زیر مراجعه کنید[iv].( شماره ژوئیه 2020 )

5- میکروسکوپ فلورسانس ورق نوری [8]صفحه‌ای از یک نمونه را روشن ‌می‏کند، و اجازه ‌می‏دهد یک بخش دوبعدی از نمونه، تصویر‌برداری شود. میکروسکوپ فلورسانس ورق نوری، توسط گروهی در دانشگاه هنگ کنگ ارتقا یافت. این روش به‌نام میکروسکوپ آرایه‏ای با ورق نوری کدگذاری شده [9]شناخته می‌شود و امکان ضبط داده‏ها از چندین صفحه نوری را به‌طور همزمان فراهم ‌می‏کند. به‌این ترتیب به اسکن زمان‎بر یک صفحه نوری از طریق نمونه برای گرفتن تصویر سه‌بعدی نیاز ندارد. نور از یک منبع بین دو آینه بارتاب می‎شود تا چندین منبع نور ایجاد شود، اختلاف طول مسیر باعث ایجاد ناهمدوسی بین منابع ‌می‏شود (شکل 2 را ببینید). یک کد منحصربه‌فرد از طریق یک شبکه چرخان به هر منبع داده ‌می‏شود که فرکانس مدولاسیون متفاوتی را بر روی هر پرتو قرار ‌می‏دهد. سپس یک عدسی استوانه‏ای مجموعه‎ای از صفحات نوری را ایجاد ‌می‏کند. تا 40 ورق نوری همزمان با این روش نشان داده‌شده‌است. (لینک مقاله[v] در پانوشت شماره ژوئن 2020 )

شکل 2. میکروسکوپ آرایه‌ای با ورق نوری کدگذاری شده (CLAM) مجموعه‌ای از منابع مجازی ناهمدوس را با انعکاس یک پرتوی لیزر بین دو آینه تخت تقریباً موازی ایجاد ‌می‏کند. منابع مجازی صفحات موازی نوری را ایجاد ‌می‏کنند که همزمان حجم کامل نمونه بیولوژیکی را روشن ‌می‏کنند.

6-تداخل‌سنجی نور سفید یک روش اثبات‌شده برای اندازه‌گیری فوق‌العاده دقیق سطوح سه‌بعدی است. با این‌حال، اطلاعاتی که ارائه ‌می‏دهد ‌می‏تواند بهبود یابد. مجموعه KLA Instruments یک پروفایلر نوری تداخل‌سنجی سه‌بعدی ساخته‌است که تصاویر رنگی یک ناحیه نقشه‌برداری شده را با داده‎های تداخل‌سنجی حاصل از به‌کارگیری تکنیک جوش دادن سنسور، ترکیب ‌می‏کند و یک نقشه دقیق سطح سه‌بعدی رنگی ارائه ‌می‏دهد. علاوه‌بر این، داده‎های حسگرهای دیگر را نیز ‌می‏توان به آن اضافه کرد. مانند تداخل‌سنجی نور سفید[10]، تداخل‌سنجی تغییر فاز[11]، تصویربرداری با رنگ واقعی[12] و بخیه زدن به معنای ترکیب میدانهای تصویر متعدد و مجاور برای ایجاد یک میدان وسیع‌تر در یک پروفایلر نوری با هدف ایجاد دستگاه‎های الکترونیکی انعطاف‌پذیر و با کاربرد بیشتر از این نمونه‌ها هستند. یک روش ترکیبی تداخل‌سنجی نور سفید و تداخل‌سنجی تغییر فاز وضوح عمودی بالاتر از 10 برابر نسبت به تداخل‌سنجی نور سفید را فراهم ‌می‏کند و برای بررسی سطوح صاف نیز مفید است، در حالی که قابلیت افزایش رنگ نیز در آن وجود دارد. برای مطالعه این مقاله می‎توانید به لینک زیر مراجعه کنید[vi].( شماره سپتامبر 2020)

‌7-میکروسکوپ تک‌مولکولی به‌طور بالقوه ‌می‏تواند فعل و انفعالات بین مولکول‌های منفرد را در سلول‎های سالم بررسی کند. با این‌حال، فعل و انفعالات بین این مولکول‎ها در مقیاس حداقل 4 برابر کوچک‌تر از آنچه توسط میکروسکوپ‎های تک مولکولی موجود قابل مشاهده است، رخ ‌می‏دهد. کاتارینا گاوس[13]، رئیس دانشگاه نیوساوت‌ولز سیدنی [14]‌می‏گوید: “دلیل اینکه دقت مکانی میکروسکوپ‌های تک‌مولکولی در حالت عادی حدود 20 تا 30 نانومتر است، این است که میکروسکوپ در حالی‌که ما این سیگنال را تشخیص ‌می‏دهیم در حال حرکت است.” تیم UNSW با قرار دادن یک حلقه فیدبک بین نمونه و صفحه، یک حلقه فیدبک نوری مستقل در مسیر انتشار و با ‌اصلاح رنگی دوربین میکروسکوپ، ثبات را به بهتر از 1 نانومتر و دقت جایگزیده سازی را تا حدود 1 نانومتر بهبود بخشیدند. سیستم فیدبک طراحی شده توسط تیم UNSW با میکروسکوپ‎های موجود سازگار است. برای مطالعه این مقاله می‎توانید به لینک زیر مراجعه کنید.[vii](شماره 23 آوریل 2020)

8-هولوگرام نوری دیجیتال در سیستم‎های میکروسکوپ فاز کمّی[15] برای تصویربرداری طولانی مدت از سلول‎های زنده استفاده ‌می‏شود. در اینجا، از نور با سطح روشنایی کم برای دیدن سلول‎ها با دقت کمتر از سلول استفاده ‌می‏شود زیرا آنها فعالیت‏های خود را در محیط طبیعی خود انجام ‌می‏دهند. با این‌حال، سطح کم‌نور منجر به هولوگرام‎های بی‌کیفیت ‌می‏شود که به‌دلیل محدودیت اصلی نویز شلیک، نقطه نقطه به‌نظر ‌می‏رسند. یک تیم در دانشگاه ملی استرالیا با‌استفاده از یک شبکه عصبی به‌نام Holo-UNet به‌منظور بدون نویز کردن هولوگرام‎ها، این مشکل را دور زده‌است. روشHolo-UNet تغییرات در امتداد فریزهای شدت موازی در ناحیه جسم فازی در میدان دید را ‌می‏بیند و پس از آن، تغییرات شدت اضافی و تغییرات شدت مربوط به نویز را از بین ‌می‏برد و باعث بهبود دید فریزها ‌می‏شود. با ‌استفاده از نور بسیار کم (تقریباً سیاه و سفید در سرعت تصویربرداری زیر میلی‌ثانیه)، هنوز هم این چیدمان ‌می‏تواند هولوگرام را به‌حالت کاملاً مناسب بازگرداند. ( لینک مقاله در شماره اکتبر 2020)[viii]

9-محققان دانشگاه پزشکی وین اتریش با ‌استفاده از یادگیری ژرف[16] ،به‎عنوان رده‌ای از الگوریتم‌های یادگیری ماشین، در قالب شبکه‌های عصبی هم‌گشتی[17] برای تقسیم‎بندی تصاویرOTC یا مقطع‌نگاری همدوسی اپتیکی [18] چشم به‌منظور تشخیص پارگی مینیسک اشک چشم، که همان لایه مایع موجود در چشم است، استفاده ‌می‏کنند. بیمارانی که از بیماری خشکی چشم رنج ‌می‏برند دارای هندسه غیر طبیعی مینیسک هستند که با اندازه‌گیری‏هایی مانند حجم منیسک، ارتفاع یا شعاع انحنای آن قابل اندازه‌گیری است. چنین اندازه‌گیری‎هایی نیاز به جدا شدن مینیسک اشک از مناطق دیگر در یک تصویر دارد، که یک شبکه عصبی هم‌گشتی به‌طور قطع ‌می‏تواند با‌اطمینان بیشتری نسبت به یک انسان آن را انجام دهد. دو رویکرد جدید وجود دارد، اولی شبکه عصبی یک فاز، که منیسک اشک را در یک تصویر بزرگ OCT تقسیم‎بندی ‌می‏کند و دو‌می‏شبکه عصبی دو فاز که ابتدا یک منطقه مورد نظر را انتخاب ‌می‏کند و سپس مینیسک اشک را از آن منطقه به قسمت‏های کوچک‌تر تقسیم‏بندی ‌می‏کند، البته هر دو دقیق، دارای پردازش تصویر استاندارد و به‌طور قابل توجهی سریع هستند. برای مطالعه این مقاله می‎توانید به لینک زیر مراجعه کنید.[ix](شماره مه2020)

دستگاه‏های فوتونیکی برای استفاده‏های کوانتو‌می ‏و سایر موارد

10- اولین منبع فوتونی یکپارچه با قابلیت ایجاد فوتونیک کوانتو‌می ‏ساخته شده در فرآیند CMOS در مقیاس بزرگ، توسط تیمی‏از فیزیکدانان در دانشگاه بریستول انگلیس ایجاد شده‌است. منبع براساس اختلاط چهار موج خودبه‌خودی اینرمودال [19]است، که در آن چندین حالت نور از طریق یک موجبر سیلیکانی به‌طور غیرخطی تداخل ‌می‏کنند و شرایط ایده‌ال برای تولید تک فوتون‎ها را ایجاد ‌می‏کنند. بر خلاف SWFM استاندارد، این SWFM فوتون‏هایی با ناهمبستگی طیفی قوی تولید ‌نمی‏کند (عکس آنچه در مدارهای نوری کوانتو‌می ‏مورد نیاز است). این تیم از چنین منابعی برای محاسبات کوانتو‌می ‏فوتونیکی در یک آزمایش به‌نام Hong-O-Mandel، استفاده کرده‌است که یک بلوک از پردازش اطلاعات کوانتو‌می ‏نوری را ‌می‏سازد و بالاترین کیفیت تداخل کوانتو‌می‏ فوتونیکی بر روی تراشه که نمایانی حدود 96% را دارا است، به‌دست می‏آورد. (شکل 3 را ببینید). دستگاه فوتونیک سیلیکانی از طریق فرایندهای سازگار با CMOS در یک ریخته‎گری تجاری ساخته شد. در نتیجه، هزاران منبع ‌می‏توانند به‌راحتی در یک دستگاه واحد ادغام شوند. این تیم از محققان قصد دارند ده‎ها و صدها منبع کوانتو‌می ‏را در یک تراشه ادغام کنند. برای مطالعه این مقاله می‎توانید به لینک زیر مراجعه کنید.[x](شماره ژوئیه 2020 )

شکل 3:نتایج یک آزمایش Hong-Ou-Mandel (HOM) با رویدادهای اختلاط چهار فوتونی در محور عمودی و فاز در محور افقی نشان داده شده‌است. برای به‌دست آوردن این داده‎ها، دو منبع مختلف فوتونی کوانتو‌می ‏تداخل ‌می‏کنند.در حالت ایده‌ال، این منحنی تداخل وابسته به فاز باید در π / 2 به صفر برسد. نقاط موجود در نمودار تعداد فوتون‎ها است و میله‎های خطا، یک انحراف استاندارد را نشان ‌می‏دهد. خط سیاه رنگ معادل نمایانی 96٪ است. تصویر رنگی کنار نمودار تراشه فوتونیکی سیلیکونی را نشان ‌می‏دهد که در این مطالعه استفاده شده‌است.