فوتونیک چیست؟( قسمت اول)

فوتونیک مطالعه نور و انواع مختلف انرژی تابشی است که بر اساس واحد کوانتومی، فوتون شناخته می‌شود. آثار فوتونیک در تحقیقات، فناوری، ناوبری، فرهنگ، نجوم، پزشکی قانونی و مراقبت‌های بهداشتی به شکل‌گیری تحولات  قرن 20 کمک کرده است و اکنون نیز در قرن 21، فوتونیک همچنان نقشی حیاتی در درک جامعه علمی از این جهان بزرگ دارد.

در مقالات قبلی تاریخچه‌ای از لیزر منتشر شد. در اینجا تصمیم داریم تا به گذر تاریخی و پیشرفت‌های دانش فوتونیک که پیشینه‌ای بسیار دیرین دارد بپردازیم. 

تصویر 1: نور خواص موج و ذره را دارد، شدت آن بر اساس تعداد ذرات یا تعداد فوتون‌ها متفاوت است. نور به طرق مختلفی رفتار می‌کند، به این صورت که هنگام تماس با آب، هوا یا مواد دیگر، جذب، بازتاب یا پراکنده می‌شود.

( تصویر برگرفته از سایت iStock.com/d1sk.)

کلمه “فوتونیک” اولین بار درسال 1967 یا 1973(بر اساس منابع مختلف)، در مقاله‌ای از فیزیکدان فرانسوی پیر آگراین، عضو خارجی آکادمی علوم ملی ایالات متحده، با عنوان “لا فوتونیک[1]” ظاهر شده است. استفاده از این اصطلاح به صورت انگلیسی در بیانیه‌های مطبوعاتی، گزارش‌ها، نشریات داخلی آزمایشگاه‌های بل، شرکت هواپیماسازی هیوز و در مطبوعات عمومی به طور گسترده تا دهه1980 رایج بوده است.

در سال 1982، مجله تجاری Optical Spectra نام خود را به Photonics Spectra تغییر داد. در اواخر دهه 1980  لیزرهای IEEE  و انجمن الکترواپتیک مجله‌ای را با عنوان Photonics Technology Letters تأسیس کردند. در سال 1995، SPIE، جامعه بین المللی اپتیک و فوتونیک، اولین کنفرانس فوتونیک صنعت غرب[2]را آغاز کرد. قبل از تصویب اصطلاح “فوتونیک”، این حوزه اغلب به عنوان “اپتیک” نامیده می‌شد.  فن‌آوری‌هایی که مرز بین اپتیک و الکترونیک را مخدوش می‌کردند، “الکترونیک نوری[3]” نامیده می‌شد که امروزه نیز در برخی زمینه‌ها استفاده می‌شود.

تصویر 2تدی لورین، بنیانگذار و مدیر عامل انتشارات Laurin، اولین شماره مجله Optical Spectra را در سال 1967 منتشر کرد.

دستگاه‌هایی که به جای برق با نور کار می‌کنند دارای مزایای بی‌شماری هستند که اولین برتری آن‌ها سرعت است. نور با سرعت حدود 10 برابر سرعت الکتریسیته حرکت می‌کند. این بدین معناست که داده‌های منتقل شده از طریق محیط‌های فوتونیکی مانند کابل‌های فیبر نوری می‌توانند در کسری از زمان مسافت بیشتری را طی کنند. نور مرئی و پرتوهای مادون قرمز، برخلاف جریان‌های الکتریکی، می‌توانند بدون داشتن فعل و انفعال از یکدیگر عبور کنند. در نتیجه، یک فیبر نوری، به تنهایی توانایی حمل 3 میلیون تماس تلفنی را دارد. فوتونیک در زندگی مدرن دارای مزایای بسیاری است.

تاریخچه

• تاریخ باستان

مصریان باستان، هندوها، رومی‌ها، یونانیان، مایاها و آزتك‌ها با خلق بناها و هنر منحصر به فرد خود به نور احترام می‌گذاشتند و با استفاده از معماری خاص، اشكال طبیعی نور را وارد بناهای خود کرده و به نمایش می‌گذاشتند. بسیاری از این فرهنگ‌های باستان، خدایان مرتبط با خورشید مانند Ra و Apollo را می‌پرستیدند و معتقد بودند که  نور با قدرت، زندگی و شفابخشی همراه است.

تصویر 3تمدن‌های باستان،  معبدهایی می‌ساختند و خدایان مرتبط با نور و خورشید را می‌پرستیدند.

• سال 750 قبل از میلاد

قدمت اولین لنزها به حدود سال 750 قبل از میلاد باز می‌گردد. اولین لنزها از کریستال صیقلی و اغلب کوارتز ساخته شده‌اند. عدسی‌های باستانی در بین النهرین، مصر، یونان، بابل، کشورهای اسکاندیناوی و سایر نقاط یافت شده است. همچنین اشیایی شیشه‌ای که به لنزها شباهت داشتند نیز یافت شده که در اهداف استفاده آن‌ها اختلاف بوده است زیرا احتمال می‌دادند که اشیای تزیینی بوده‌اند.

• 300 سال قبل از میلاد

در حدود 300 سال پیش از میلاد مسیح، ریاضیدان یونانی اقلیدس در زمینه اپتیک کار کرد. او نسخه‌ای خطی درباره هندسه بینایی منتشر کرد. این نسخه اولین اثر مکتوب شناخته شده برای بررسی بینایی از منظر ریاضیات بود. این اثر بر نوشته‌های بعدی دانشمندان و هنرمندان یونانی، اسلامی و رنسانس اروپای غربی تأثیر گذاشت.

تصویر 4 اپتیک اقلیدسی اولین متن شناخته شد‌ ای است که بینایی را از منظر ریاضی بررسی می‌کند.

• قرن 2

بطلمیوس مطلب خود را در زمینه نور منتشر کرد (نیمه گمشده[4]). این مطلب  اپتیک هندسی، انعکاس، شکست و رنگ را پوشش داده است.

• قرن 10

ابن سهل[5]، ریاضیدان ایرانی رساله‌ای با نام “في الآلة المحرقة” (درباره وسایل سوزاننده ) منتشر کرده است. او در این رساله اشکال مختلف عدسی را نشان داده است که قادرند بدون انحراف نور را متمرکز کنند. گفته می‌شود ابن سهل اولین کسی است که قانون انکسار را کشف کرده است اما اکنون به عنوان قانون اسنل شناخته می‌شود. این قانون به نام ویلبرورد اسنلیوس[6] نامگذاری شده است که 600 سال بعد از ابن سهل، قانون معادل آن را استخراج کرده است.

• قرن 11

ابن هیثم، ریاضیدان و فیزیکدان عرب، معروف به “پدر اپتیک مدرن”، یک تحلیل جامع و منظم از نظریه‌های نوری یونان منتشر می‌کند. او کتاب‌های زیادی در زمینه اپتیک نوشته است، که مهمترین و تأثیرگذارترین آن‌ها “کتاب نورشناسی” است. این کتاب در اواخر قرن 12 به لاتین ترجمه شد و زمینه را برای پیشرفت‌های دیگر اپتیکی فراهم کرده است.

تصویر 5 ابن هیثم اولین کسی است که روند بینایی انسان را به طور دقیق توصیف می‌کند.

• قرن 11تا 13

بسیاری از دانشمندان غربی، کتب درسی خود را بر اساس کارهای دانشمندان نسل‌های قبل یونانی و عرب گردآوری کرده‌اند و نظریه ها و فرمول‌های آن‌ها در زمینه اپتیک را گردآوری، سازماندهی و توسعه داده‌اند.

• قرن 16

ویلبرورد اسنلیوس و رنه دکارت دوباره قانون انکسار را کشف می‌کنند (با نام قانون اسنل شناخته می‌شود). این قانون اولین بار توسط ابن سهل در حدود سال 980 کشف شده بود.

تصویر 6 ویلبرورد اسنلیوس و رنه دکارت

• قرن 17

اولین نوع شناخته‌شده از میکروسکوپ و تلسکوپ ساخته شد. این ابزار درک جامعه علمی را از زیست شناسی، نجوم و ناوبری بسیار گسترش می‌دهند.

تصویر 7 طرح‌واره‌ای از میکروسکوپ مربوط به قرن 17 میلادی است که مشابه میکروسکوپ رابرت هوک است که برای گردآوری میکروگرافیای خود استفاده می‌کرده است. تصویر از موزه تاریخ علم ویپل در کمبریج.

 

• 1905

آلبرت انیشتین یک دیدگاه ابتکاری در مورد تولید و تبدیل نور مطرح می‌کند. این  نظریه انرژی نور را در بسته‌های کوانتیزه و گسسته حمل می‌کند.

تصویر 8 آلبرت انیشتین

• 1916

انجمن اپتیک آمریکا  ([7]OSA) تاسیس شد.

• 1927

اولگ لوسف[8] اولین دیود ساطع‌کننده نور را اختراع می‌کند.

• 1930

چاندراشکر ونکتا رامان[9] فیزیکدان هندی، به دلیل فعالیت در زمینه پراکندگی نور و کشف پدیده ای به نام پراکندگی رامان، که بعدها منجر به زمینه‌های دیگری مانند طیف سنجی رامان شد، جایزه نوبل فیزیک را دریافت می‌کند.

• 1954

اولین میزر، پیش ساز لیزر، توسط چارلز هارد تاونز، هربرت زایگر و جیمز گوردون در دانشگاه کلمبیا به نمایش گذاشته شده است.

تصویر 9 اولین کتاب راهنمای صنعت نوری در سال 1954 توسط دکتر کلیفتون تاتل[10]، فیزیکدان بازنشسته ایستمن کداک منتشر شد. در اولین چاپ، این راهنما یک جلد کوچک بود اما به طرز قابل توجهی گسترش یافت و در نهایت خود را به عنوان “کتاب مقدس” صنعت اپتیک معرفی کرد.

 

تصویر 10 چارلز تاونز با همکاری هربرت جی زایگر و دانشجوی تحصیلات تکمیلی جیمز پی گوردون، اولین میزر دانشگاه کلمبیا را به نمایش می‌گذارد. دستگاه میزر آمونیاک، اولین دستگاه مبتنی بر پیش بینی‌های اینشتین، با انتشار تحریک شده است و همچنین برای اولین بار به تقویت و تولید امواج الکترومغناطیسی دست می‌یابد. Maser با طول موج کمی بیش از 1 سانتی متر تابش می‌کند و تقریباً  nW 10 نیرو تولید می‌کند.

• 1955

انجمن مهندسین ابزار تصویربرداری نوری ([11]SPIE ) تاسیس شد.

 

• 1960

تئودور مایمن[12] اولین لیزر یاقوت را می‌سازد.

تصویر 11 تد مایمان  در سال 1964؛ او اولین لیزر قابل استفاده در جهان را در ماه می 1960 ساخت.

• 1962

نیک هولونیاک جونیور[13] اولین LED  طیف مرئی را اختراع می‌کند.

تصویر 12 نیک هولونیاک جونیور

• 1967

کارل کوچر[14] و دانشمندان حاضر در آزمایشگاه تابش ارنست او. لارنس در دانشگاه کالیفرنیا، درهم‌تنیدگی کوانتومی فوتون‌های ساطع شده از یک اتم کلسیم را به نمایش گذاشتند.

• 1970

رابرت ماورر[15]، دونالد كك[16] و پیتر شولتز[17]، محققان كورنینگ گلس، سیم فیبر نوری سیلیكای ذوب شده را اختراع كردند كه قادر به حمل اطلاعات 65000 برابر بیشتر از سیم مسی بود.

• 1971

به دنیس گابور[18] برای اختراع و توسعه روش هولوگرافی جایزه نوبل فیزیک اهدا شد.

تصویر 13 دکتر دنیس گابور ، برنده جایزه نوبل فیزیک 1971، در کنار هولوگرام پرتره ساخته شده توسط مک دانل داگلاس قرار دارد.

• 1975

اولین دوربین دیجیتال توسط استیون ساسون[19] در ایستمن کداک[20] و با استفاده از یک حس‌گر تصویربرداری CCD [21] ساخته شد.

 

• 1981

آرتور لئونارد شاولو[22] و نیکولاس بلومبرگن[23] نیمی از جایزه نوبل فیزیک را به دلیل مشارکت در توسعه طیف‌سنجی لیزری دریافت می‌کنند. نیم دیگر جایزه به  کای سیگبان[24] به دلیل مشارکت در توسعه طیف سنجی الکترونی با وضوح بالا، اهدا شد.

تصویر 14 آرتور شاولو (چپ) ، نیکولاس بلومبرگن (وسط) و کای م. سیگبان (راست).

• سال 1982

پیتر مولتون[25] از MIT، لیزر حالت جامد قابل تنظیم تیتانیوم سافایر[26] را اختراع می‌کند.

• 1983

رئیس جمهور آمریكا، رونالد ریگان، طرح ابتكار دفاع استراتژیك[27] را كه از آن به عنوان ‘جنگ ستارگان’ یاد می‌شود، پیشنهاد می‌دهد. این طرح باعث ایجاد تغییر بزرگی  در بودجه و پیش‌روی آن به سمت پروژه‌های نظامی و دفاعی می‌شود.

• 1987

شیمی دانان وان تانگ[28] و استیون ون اسلیک[29] در ایستمن کوداک اولین OLED  اپتیکی را ایجاد می‌کنند.

• سال 1988

اولین کابل فیبر نوری عبوری از آتلانتیک ، با عنوان TAT-8، بین ایالات متحده و اروپا کشیده می‌شود.

 

 

 

تصویر 15 یک کشتی کابل فیبر نوری را حمل می‌کند. این کابل  امروزه اقیانوس آرام را پوشانده و ترابایت داده را عبور می‌دهد.

• 1994

فیزیکدان هاروارد، فدریکو کاپاسو^[30] و تیمش لیزر آبشار کوانتومی را تولید می‌کنند.

تصویر 16 فدریکو کاپاسو

• 1997

شوجی ناکامورا[31]، استیون دن بارز[32] و جیمز اسپک[33] از دانشگاه کالیفرنیا ، سانتا باربارا، از توسعه لیزر گالیم-نیترید (GaN ) خبر می‌دهند که در عمل پالس نور بنفش و آبی را منتشر می‌کند.

• 2005

به جان هال[34] و تئودور هونش[35] به دلیل مشارکت در توسعه طیف سنجی دقیق مبتنی بر لیزر، از جمله روش شانه فرکانس نوری، نیمی از جایزه نوبل فیزیک اهدا می‌شود.

 

• 2014

به استفان هل، ویلیام مورنر و اریک بتزیگ جایزه نوبل شیمی برای توسعه میکروسکوپ فلورسانس فوق حل شده[36]، روشی که از حد آبه[37] فراتر می‌رود، اهدا می‌شود.

 

• 2018

نیمی از جایزه نوبل فیزیک به دونا استریکلند و جرارد مورو برای لیزر پالس جیر جیر[38] اعطا می‌شود. نیم دیگر این جایزه به آرتور اشکین به دلیل اختراع انبرک نوری اهدا شد.

 

تصویر 17 دونا استریکلند (چپ)، جرارد مورو (وسط) و آرتور اشکین (راست).

• 2019

گوگل ادعا می‌کند که پردازنده [39]Sycamore این شرکت، یک پردازنده کوانتومی است.

• 2020

جامعه علمی 60 سالگی لیزر را جشن گرفتند. پیشرفت در تکنولوژی لیزر در سال 2020 شامل نمایش سرمایش  لیزری از مولکول‌های چند اتمی YbOH [40]بود. همچنین جوشکاری لیزر تولیوم، توسعه لیزر مسطح با پمپاژ خورشیدی[41] و لیزر زرد پرقدرت و فوق العاده سریع[42]از دیگر پیشرفت‌ها در این سال بوده است.

 

راجر پنروز[43]، راینهارد جنزل[44] و آندره گز[45] برندگان جایزه نوبل فیزیک 2020 شدند. جنزل و گز از اپتیک تطبیقی و تکنیک‌های تصویربرداری با مادون قرمز استفاده کرده بودند که در نهایت منجر به دریافت جایزه نوبل برای آن‌ها شد.

 

منبع:

https://www.photonics.com/Articles/What_Is_Photonics/a65926

 

[1] la photonique

[2] Photonics West industry

[3] opto-electronics

[4] partially lost

[5] أبي سعدالعلاءبن سهل

[6] Willebrord Snellius

[7] The Optical Society of America

[8] Oleg Losev

[9] Sir Chandrasekhara Venkata Raman

[10] Dr. Clifton Tuttle

[11] The Society of Photographic Instrumentation Engineers

[12] Theodore Maiman

[13] Nick Holonyak Jr

[14] Carl Kocher

[15] Robert Maurer

[16] Donald Keck

[17] Peter Schultz

[18] Dennis Gabor

[19] Steven Sasson

[20] Eastman Kodak Company

[21] Charge-coupled device

[22] Arthur Leonard Schawlow 

[23] Nicolaas Bloembergen 

[24] Kai M. Siegbahn

[25] Peter Moulton

[26] Ti:sapphire tunable solid-state laser

[27] Strategic Defense Initiative

[28] Ching Wan Tang

[29]  Steven Van Slyke

[30] Federico Capasso

[31] Shuji Nakamura

[32] Steven DenBaars

[33] James Speck

[34] John Hall

[35] Theodor Hänsch

[36] superresolved fluorescence microscopy

[37] Abbe limit

[38] تغییر نامطلوب در بسامد حامل موج(chirped pulse laser)

[39] Sycamore processor

[40] laser cooling of polyatomic YbOH molecules

[41] fully planar solar-pumped laser

[42] ultrafast high-power yellow laser

[43] Roger Penrose

[44] Reinhard Genzel

[45] Andrea Ghez