>> مجموعه مقالات مربوط به فـــيـزيـــــك نـــور <<

[Borna66]

فوتونيك
تاريخچه فوتونيك

با اختراع ليزر و پس از آن ساخت فيبر نوري حوزه شاخه اپتيك در فيزيك آنقدر گسترده گرديد و كاربردهاي آن آنقدر زياد شد كه شاخه اي جديد در علم متولد گرديد كه به فوتونيك موسوم گرديد. اين شاخه جديد در سه گرايش الكترونيك، مخابرات و فيزيك كار خود را شروع نمود.

فوتونيك- الكترونيك

پيشرفت روز افزون تكنولوژي و ساخت قطعات الكترونيكي كوچك و كوچكتر تا به آنجا ادامه يافته است كه امروزه پيش بيني مي شود كه در چند سال آينده ديگر نتوان قطعاتي از اين كوچكتر ساخت كه قادر به عبور جريان الكتريسيته باشند به گونه اي كه در آنها عبور يك الكترون برابر خواهد بود با برقراري جريان و عدم عبور آن يعني قطع جريان الكتريكي. اين مساله باعث شده تحليل مدارات ديگر از حوزه الكترونيك كلاسيك خارج شده و بررسي چنين سيستمي بر عهده مكانيك كوانتم نهاده شود كه داراي مشكلات خود مي باشد. اين امر باعث شده تا دانشمندان به فكر جايگزيني براي الكترون بيافتند تا مشكلات الكترون را نداشته باشد و در اولين گزينه ها فوتون يعني كوانتاي نور را جايگزيني مناسب يافتند. پس از اين پس بايد به دنبال ساخت ادواتي بود كه جاي ادوات الكترونيكي را در مدارات بگيرد و در آنها فوتون نقش اساسي را بازي كند. تحقيقاتي كه اين هدف را دنبال مي كنند در حوزه فوتونيك شاخه الكترونيك آن بررسي مي شود و بر عهده اين بخش است.

منبع: دانشنامه ويكي پديا

[Borna66]

پراش نور
وقتي جسم كدري ميان يك پرده و يك چشمه نقطه‌اي نور قرار گيرد، سايه‌اي پيچيده متشكل از نواحي روشن و تاريك ايجاد مي‌شود. اين اثر به آساني قابل روئيت است، اما يك چشمه نسبتا قوي ضروري است. لامپي با شدت زياد كه از يك سوراخ كوچك مي‌درخشد، اين كار را به خوبي انجام مي‌دهد. اگر به نقش سايه حاصل از يك قلم ، تحت روشنايي يك چشمه نقطه‌اي نگاه كنيد يك ناحيه روشن غير معمولي در كناره خواهيد ديد.

حتي نواري با روشنايي ضعيف در وسط اين سايه تشكيل مي‌شود. به سايه‌اي كه توسط دستتان در امتداد نور خورشيد ايجاد مي‌شود، نگاهي دقيق بيندازيد. معمولا پراش مربوط به موانع شفاف مورد نظر قرار نمي‌گيرد. هر چند اگر در شب رانندگي كرده باشيد، در حاليكه چند قطره باران بر روي شيشه عينكتان نشسته باشد، فريزهاي روشن و تاريك را مشاهده خواهيد كرد.

تاريخچه

اولين مطالعه تفضيلي منتشر شده درباره انحراف نور از مسير مستقيم توسط فرانسسيكو گريمالدي در قرن هفدهم انجام گرفت و آن را پراشه ناميد.

انواع پراش

پراش فرانهوفر

فرض كنيد كه يك مانع كدر حاوي يك روزنه كوچك داريم كه امواج تخت حاصل از يك چشمه نقطه‌اي شكل خيلي دور (s) ، آن را روشن كرده است. صفحه مشاهده ، پرده‌اي است موازات با مانع كدر ، دورتر بودن صفحه مشاهده به آرامي باعث تغيير پيوسته در فريزها مي‌شود. در فاصله خيلي دور از مانع نقش تصوير شده بطور قابل ملاحظه‌اي پخش خواهد شد. بطوري كه به روزنه واقعي بي‌شباهت است و يا شباهت اندكي با آن خواهد داشت. از آنجا به بعد حركت دادن پرده تنها اندازه نقش پراش را تغيير مي‌دهد ولي شكل آن را بدون تغيير مي‌گذارد. اين پراش را فرانهوفر يا پراش ميدان- دور مي‌گويند.

- پراش فرنهوفر تك شكاف

در اين نمونه شكاف مستطيل شكل كه پهناي كوچك و طول چند سانتي متردارد، در مقابل منبع نور قرار مي‌گيرد. پرتوهاي نور بعد از عبور از شكاف بر روي پرده تشكيل تصوير مي‌دهند، كه قسمت مركزي در مقايسه با كناره‌ها شدت بيشتري دارد. نقش‌هاي پراش در اطراف اين ناحيه بوضوح ديده مي‌شود و ضمن اينكه شدت نور با دور شدن از ناحيه مركزي كاهش ي‌يابد، نوارهاي تاريك در بين نوارهاي روشن قابل روئيت است.

- شكاف دوگانه

در اين نمونه مانع كدر كه در مقابل نور قرار مي‌گيرد از دو شكاف مستطيل شكل موازي تشكيل شده است. هر روزنه به خودي خود همان نقش پراش تك شكافي را روي پرده ديد ايجاد خواهد كرد. در هر نقطه روي پرده سهم‌هاي مربوط به اين دو شكاف روي هم مي‌افتد. گرچه دامنه هر كدام از آنها اساسا بايد باهم مساوي باشد، ممكن است اختلاف فاز قابل توجهي پيدا كنند. در داخل قله مركزي پراش وجود خواهد داشت. ممكن است يك بيشينه تداخل و يك كمينه پراش با يك مقدار از (زاويه انحراف از قسمت مركزي) متناظر باشند. در چنين حالتي نوري وجود ندارد، كه در آن موقعيت دقيق در تداخل شركت كند و قله حذف شده را مرتبه گم شده مي‌نامند.

پراش فرنل

فرض كنيد يك مانع كدر حاوي روزنه كوچك كه اموج تخت حاصل از يك چشمه نقطه‌اي شكل خيلي دور (s) ، آن را روشن كرده است. در اين حالت صفحه مشاهده پرده‌اي موازي با مانع است. در اين شرايط يك تصوير از روزنه بر روي پرده مي‌افتد، كه علي‌رغم وجود برخي فريزهاي جزئي در اطراف محيط آن ، به روشني قابل تشخيص است. بتدريج كه صفحه مشاهده از مانع دور مي‌شود، تصوير روزنه گر چه هنوز به راحتي قابل تشخيص است، هرچه شكل مشخص‌تري به خود مي‌گيرد، و اين در حالي است كه فريزها نمايانتر مي‌شوند. اين پديده مشاهده شده پراش فرنل يا ميدان- نزديك ناميده مي‌شود.

اصل بابينه

دو پرده پراشان را مكمل مي‌گويند، هرگاه نواحي شفاف روي يك پرده با نواحي كدر پرده ديگر و بر عكس متناظر باشند. وقتي كه دو پرده مكمل روي هم بيافتند، آشكار است كه تركيب آنها كاملا كدر است.

توري پراش

آرايه‌اي تكراري از عناصر پراشان ، نظير روزنه‌ها يا موانعي كه اثر آنها ايجاد تغييرات متناوبي در فاز ، دامنه يا هر دوي آنها در يك موج خروجي است، يك توري پراش ناميده مي‌شود. غالبا توريهاي تخت تراشه‌اي ، يا شيارهايي تقريبا مستطيلي چنان سوار مي‌شوند كه بردار انتشار فرودي تقريبا بر هر يك از وجوه شيارها عمود باشند.


منبع : دانشنامه رشد

[Borna66]

رنگها و موجها

بدون ترديد نور خورشيد يكي از مهمترين نيازهاي زندگي روي كره زمين است. اما دامنه ويژگيهاي آن تنها به ايجاد زندگي و حيات در ميان جانداران ختم نمي‌شود. در سال 1665 ميلادي ، دانشمند بيست و سه ساله انگليسي به نام آيزاك نيوتن به مطالعه نور مشغول بود. او در يك روز آفتابي و درخشان ، شيشه‌هاي اطاق را به كمك پرده‌هايي ضخيم و بسيار تيره مسدود كرد، به گونه‌اي كه اطاق كاملا تاريك شد و از ميان شكاف كوچكي در ميان يكي از پرده‌ها ، باريكه‌اي از نور به درون اطاق مي‌تابيد. او اين باريكه نور را از ميان يك قطعه شيشه به شكل مثلث ، كه منشور ناميده مي‌شود، عبور داد. باريكه نور با گذشتن از ميان منشور ، در مسيرش خميده شد و شكست پيدا كرد.




شكست نور در منشور
نوري كه از منشور بيرون آمده بود در راستايي سير مي‌كرد كه اندكي با راستاي وارد شدنش به منشور تفاوت داشت و به ديوار مقابل مي‌تابيد. جالب آنكه ، هنگامي كه نيوتن منشور را از سر راه نور بر مي‌داشت، باريكه تنها لكه گرد سفيد رنگي را روي ديوار ايجاد مي كرد، در حالي كه وقتي منشور در مسير باريكه نور مي‌رفت، باريكه نور پخش مي‌شد و به صورت رنگين كمان در مي‌آيد! در يك سر اين رنگين كمان نور سرخ و در انتهاي ديگر نور بنفش ديده مي‌شد و در ميان آنها رنگهاي نارنجي ، زرد ، سبز و آبي قرار داشت. ما اينگونه رنگها را در اطراف خود مي‌بينيم و قادريم آنها را لمس كنيم، در حالي كه نيوتن قادر نبود نور را لمس كند، به همين دليل بود كه او نوار نور رنگي را طيف (Spectrum) ناميد كه در زبان لاتين به معناي روح است!

به راستي اين رنگها از كجا مي‌آيند؟!

نيوتن دريافت آن چيزي را كه چشمهاي ما به عنوان نور سفيد مي‌بينند در حقيقت مخلوطي از رنگهاي گوناگون است كه شكست آنها پس از منشور يكسان نيست و براي نور سرخ از همه رنگهاي ديگر كمتر و براي نور بنفش از همه بيشتر است. نيوتن براي اثبات شكستهاي متفاوت از دو منشور استفاده كرد و دوباره توانست نور سفيد را بدست آورد. اما هنوز يك سوال ديگر باقي بود و آن اين بود كه چرا نور بايد، رنگهاي مختلفي را دارا باشد؟!

جنس نور

نيوتن به دنبال جنس نور بود. دو نظريه در اين زمينه وجود داشت: اول آنكه نور از مجموعه‌اي از ذرات تشكيل شده است كه بر خطي راست و به سرعت در حال حركتند و دوم آنكه نور مجموعه‌اي از امواج است كه بسيار كوچكند و در مسيري مستقيم حركت مي‌كنند. نكته بسيار قابل توجه در مورد امواج اين بود كه آنها مي‌توانند خميده شوند، اين امر زماني رخ خواهد داد كه امواج با موانع برخورد كنند. شما مي‌توانيد خميده شدن امواج آب را در برخورد با موانع ببينند. همچنين صدايي را كه در يك طرف كنج ديوار مي‌شنويد، مي‌توانيد در طرف ديگر آن كنج نيز گوش كنيد، پس امواج صدا بايد در اطراف آن كنج خميده شده باشند. از سوي ديگر مي‌دانيد كه اگر نور به يك طرف كنج بتابد خميده نمي‌شود، به عبارت ديگر شما نمي‌توانيد شخصي را از طرف ديگري ‌از كنج ديوار مشاهده كنيد.
به همين دليل بود كه نيوتن تصور مي‌كرد، نور جرياني از ذرات متحرك كوچك است، نه جرياني از امواج. اما همه دانشمندان با او موافق نبودند. يك هلندي به نام كريستين هويگنس نظريه موجي بودن نور را قبول داشت. او عقيده داشت كه امواج كوچك بسادگي امواج بزرگ خميده نمي‌شوند و اگر نور از امواج بسيار كوچك تشكيل شده باشد، به هيچ وجه خميده نخواهد شد! او با نيوتن مخالف بود، هر چند كه بسياري عقيده داشتند كه نيوتن بزرگترين دانشمند جهان است.

با اين حال ، حتي ممكن است بزرگترين دانشمند جهان هم دچار اشتباه شود. شخصي به نام يانگ اين مشكل را حل كرد. او در كار طبابت و تنظيم دايرة المعارف بريتانيكا استاد بود و ختي نوشته‌هاي مصريان را براي نخستين بار ترجمه كرد. با اين وجود علاقه بسياري به آزمايشهاي مربوط به نور داشت. يانگ صوت را مطالعه كرد و فهميد هنگامي كه دو صدا به هم مي‌رسد، از هم مي‌گذرند.

گاهي اوقات يك صدا ، صداي ديگر را كاملا حذف مي‌كند. اما اگر موجهاي صدا طولهاي متفاوتي داشته باشند، موج بلندتر از موج كوتاهتر جلو مي‌افتد و براي مدتي ، صدا بلندتر از حالت عادي خواهد شد، اما مدتي بعد سكوت برقرار مي‌شود و اين امر پي در پي ادامه خواهد داشت. اگر نور جرياني از ذرات باشد، اين وضع پيش نمي‌آيد، زيرا يك ذره نمي‌تواند ديگري را حذف كند. در سال 1801 ميلادي ، يانگ با فرستادن يك باريكه نور از دو شكاف باريك متفاوت بسيار نزديك به هم آزمايشي انجام داد.





آزمايش دو شكاف يانگ
در اين آزمايش دو باريكه نور خارج شده از شكافها ، ابتدا اندكي پخش مي‌شدند و هنگامي كه به ديوار مي‌رسيدند، بر هم مي‌افتادند. ممكن است تصور كنيد كه در جايي كه دو باريكه نور بر هم مي‌افتند، نور بيشتري وجود خواهد داشت و بنابراين ديوار روشنتر از جاهايي خواهد بود كه باريكه بر هم نيفتاده‌اند، اما به هيچ وجه چنين نيست. در جاهايي كه دو باريكه بر هم مي‌افتند، نوارهاي روشن و تاريك متناوبي ايجاد مي‌شود.

باريكه‌هاي نور در نقاطي همديگر را حذف مي‌كنند و در نقاطي ديگر بر هم اضافه مي‌شوند و اين عمل بصورت متناوب و درست همانند صوتهاي موسيقي و تغييرات آنها صورت مي‌گيرد. هنگامي كه دو باريكه نور همديگر را حذف مي‌كنند، مي گوييم كه باريكه ها با هم تداخل كرده اند، يا اينكه تداخل ايجاد شده است. به اين ترتيب نوارهاي روشن و تاريك "فريزهاي تداخلي" ناميده مي‌شوند. با اين آزمايش مسأله حل شد و معلوم گرديد كه حق با هويگنس است و نيوتن اشتباه مي‌كرده است.

طول موج نور

نور از موجهايي بسيار ريز تشكيل شده است. يانگ از روي پهناي فريزهاي تداخلي توانست طول يك موج نور را محاسبه كند. اين طول را طول موج مي‌نامند. با اين محاسبه معلوم شد كه طول موج نور حدود 20000/1 سانتيمتر است. البته همه امواج نور داراي طول يكساني نيستند. نور سرخ بلندترين طول موج را دارد و نور بنفش كوتاهترين طول موج را دارا است. هر قدر طول موج كوتاهتر باشد، نور بيشتر شكسته مي‌شود و به همين دليل است كه منشور رنگها را از هم جدا مي‌كند.

منبع: دانشنامه رشد

[Borna66]

ارسال نور در فيبر نوری
فرض کنيد، قصد داشته باشيم با استفاده از يک چراغ قوه يک راهروی بزرگ و مستقيم را روشن نمائيم. همزمان با روشن نمودن چراغ قوه ، نور مربوطه در طول مسير مسفقيم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد کرد. با توجه به عدم وجود خم و يا پيچ در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشکلی وجود نداشته و چراغ قوه می تواند (با توجه به نوع آن) محدوده مورد نظر را روشن کرد. در صورتيکه راهروی فوق دارای خم و يا پيچ باشد، با چه مشکلی برخورد خواهيم کرد؟ در اين حالت می توان از يک آيينه در محل پيچ راهرو استفاده تا باعث انعکاس نور از زاويه مربوطه گردد. درصورتيکه راهروی فوق دارای پيچ های زيادی باشد، چه کار بايست کرد؟ در چنين حالتی در تمام طول مسير ديوار راهروی مورد نظر، می بايست از آيينه استفاده کرد. بدين ترتيب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با يک زاويه خاص) از نقطه ای به نقطه ای ديگر حرکت کرده (جهش کرده و طول مسير راهرو را طی خواهد کرد). عمليات فوق مشابه آن چيزی است که در فيبر نوری انجام می گيرد.
نور، در کابل فيبر نوری از طريق هسته (نظير راهروی مثال ارائه شده) و توسط جهش های پيوسته با توجه به سطح آبکاری شده (Cladding) ( مشابه ديوارهای شيشه ای مثال ارائه شده) حرکت می کند. (مجموع انعکاس داخلی). با توجه به اينکه سطح آبکاری شده، قادر به جذب نور موجود در هسته نمی باشد ، نور قادر به حرکت در مسافت های طولانی می باشد. برخی از سيگنال های نوری بدليل عدم خلوص شيشه موجود، ممکن است دچار نوعی تضعيف در طول هسته گردند. ميزان تضعيف سيگنال نوری به درجه خلوص شيشه و طول موج نور انتقالی دارد. (مثلا" موج با طول 850 نانومتر بين 60 تا 75 درصد در هر کيلومتر، موج با طول 1300 نانومتر بين 50 تا 60 درصد در هر کيلومتر، موج با طول 1550 نانومتر بيش از 50 درصد در هر کيلومتر)

[Borna66]

سيستم رله فيبر نوری
بمنظور آگاهی از نحوه استفاده فيبر نوری در سيستم های مخابراتی، مثالی را دنبال خواهيم کرد که مربوط به يک فيلم سينمائی و يا مستند در رابطه با جنگ جهانی دوم است. در فيلم فوق دو ناوگان دريائی که بر روی سطح دريا در حال حرکت می باشند، نياز به برقراری ارتباط با يکديگر در يک وضعيت کاملا" بحرانی و توفانی را دارند. يکی از ناوها قصد ارسال پيام برای ناو ديگر را دارد.کاپيتان ناو فوق پيامی برای يک ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است، ارسال می دارد. ملوان فوق پيام دريافتی را به مجموعه ای از کدهای مورس ( نقطه و فاصله ) ترجمه می نمايد. در ادامه ملوان مورد نظر با استفاده از يک نورافکن اقدام به ارسال پيام برای ناو ديگر می نمايد. يک ملوان بر روی عرشه کشتی دوم، کدهای مورس ارسالی را مشاهده می نمايد. در ادامه ملوان فوق کدهای فوق را به يک زبان خاص ( مثلا" انگليسی ) تبديل و آنها را برای کاپيتان ناو ارسال می دارد. فرض کنيد فاصله دو ناو فوق از يکديگر بسار زياد ( هزاران مايل) بوده و بمنظور برقرای ارتباط بين آنها از يک سيتستم مخابراتی مبتنی بر فيبر نوری استفاده گردد.
سيتستم رله فيبر نوری از عناصر زير تشکيل شده است :
فرستنده:مسئول توليد و رمزنگاری سيگنال های نوری است.
فيبر نوری:مديريت سيکنال های نوری در يک مسافت را برعهده می گيرد.
بازياب نوری:بمنظور تقويت سيگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده می گردد.
دريافت کننده نوری:سيگنال های نوری را دريافت و رمزگشائی می نمايد.
در ادامه به بررسی هر يک از عناصر فوق خواهيم پرداخت.

[Borna66]

فرستنده
وظيفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پيام است. فرستنده سيگنال های نوری را دريافت و دستگاه نوری را بمنظور روشن و خاموش شدن در يک دنباله مناسب ( حرکت منسجم ) هدايت می نمايد. فرستنده، از لحاظ فيزيکی در مجاورت فيبر نوری قرار داشته و ممکن است دارای يک لنز بمنظور تمرکز نور در فيبر باشد. ليزرها دارای توان بمراتب بيشتری نسبت بهLED می باشند. قيمت آنها نيز در مقايسه با LED بمراتب بيشتر است . متداولترين طول موج سيگنال های نوری، 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر است.
بازياب (تقويت کننده) نوری
همانگونه که قبلا" اشاره گرديد، برخی از سيگنال ها در موارديکه مسافت ارسال اطلاعات طولانی بوده (بيش از يک کيلومتر) و يا از مواد خالص برای تهيه فيبر نوری (شيشه) استفاده نشده باشد، تضعيف و از بين خواهند رفت. در چنين مواردی و بمنظور تقويت (بالا بردن ) سيگنا ل های نوری تضعيف شده از يک يا چندين "تقويت کننده نوری" استفاده می گردد. تقويت کننده نوری از فيبرهای نوری متعدد بهمراه يک روکش خاص(doping) تشکيل می گردند. بخش دوپينگ با استفاده از يک ليزر پمپ می گردد. زمانيکه سيگنال تضعيف شده به روکش دوپينگی می رسد، انرژی ماحصل از ليزر باعث می گردد که مولکول های دوپينگ شده، به ليزر تبديل می گردند. مولکول های دوپينگ شده در ادامه باعث انعکاس يک سيگنال نوری جديد و قويتر با همان خصايص سيگنال ورودی تضعيف شده ، خواهند بود.( تقويت کننده ليزری)
دريافت کننده نوری
وظيفه دريافت کننده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دريافت کننده پيام است. دستگاه فوق سيگنال های ديجيتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشائی، سيگنا ل های الکتريکی را برای ساير استفاده کنندگان (کامپيوتر ، تلفن و ...) ارسال می نمايد. دريافت کننده بمنظور تشخيص نور از يک "فتوسل" و يا "فتوديود" استفاده می کند.

[Borna66]

مزايای فيبر نوری
فيبر نوری در مقايسه با سيم های های مسی دارای مزايای زير است :
ازانتر:هزينه چندين کيلومتر کابل نوری نسبت به سيم های مسی کمتر است.
نازک تر:قطر فيبرهای نوری بمراتب کمتر از سيم های مسی است.
ظرفيت بالا:پهنای باند فيبر نوری بمنظور ارسال اطلاعات بمراتب بيشتر از سيم مسی است.
تضعيف ناچيز:تضعيف سيگنال در فيبر نوری بمراتب کمتر از سيم مسی است.
سيگنال های نوری:برخلاف سيگنال های الکتريکی در يک سيم مسی، سيگنال ها ی نوری در يک فيبر تاثيری بر فيبرديگر نخواهند داشت.
مصرف برق پایینبا توجه به سيگنال ها در فيبر نوری کمتر ضعيف می گردند، بنابراين می توان از فرستنده هائی با ميزان برق مصرفی پايين نسبت به فرستنده های الکتريکی که از ولتاژ بالائی استفاده می نمايند، استفاده کرد.
سيگنال های ديجيتال:فيبر نور ی مناسب بمنظور انتقال اطلاعات ديجيتالی است.
غير اشتعال زا:با توجه به عدم وجود الکتريسيته، امکان بروز آتش سوزی وجود نخواهد داشت.
سبک وزن:وزن يک کابل فيبر نوری بمراتب کمتر از کابل مسی است.
انعطاف پذير:با توجه به انعظاف پذيری فيبر نوری و قابليت ارسال و دريافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظير دوربين های ديجيتال با موارد کاربردی خاص مانند: عکس برداری پزشکی ، لوله کشی و ...استفاده می گردد.
با توجه به مزايای فراوان فيبر نوری، امروزه از اين نوع کابل ها در موارد متفاوتی استفاده می شود. اکثر شبکه های کامپيوتری و يا مخابرات ازراه دور در مقياس وسيعی از فيبر نوری استفاده می نمايند.