فوتونیک

مقدمه فوتونیک

واژه فوتونیک (photonics) از فوتون به‌عنوان جزء تشکیل‌دهنده‌ی یک پرتوی نوری برگرفته شده است. همان طور که در علم الکترونیک، الکترون ذره ایفاکننده غالب فرایند‌هاست، در فوتونیک نیز برهم‌کنش فوتون‌ها با مواد یا انتشار آن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد. تا چندی پیش علم فوتونیک در چهارچوب علم فیزیک طبقه‌بندی می‌شد اما در سال‌های اخیر با گسترش کاربرد آن در بسیاری از عرصه‌های فناوری، این علم به‌صورت یک گرایش شاخص یا حتی یک شاخه مستقل طبقه بندی می‌شود. همراه ما در شرکت اوژن بمانید تا بیشتر به این موضوع مهم بپردازیم.

فناوری فوتونیک علمی است که در آن به تولید و استفاده از نور و کنترل انرژی‌های تابشی در واحد کوانتومی یعنی فوتون‌ها می‌پردازد.

در کشور ما نیز بیش از یک دهه است که برخی دانشگاه‌ها به‌عنوان یک کد رشته مستقل در این رشته دانشجو می‌پذیرند. شاید امروزه کمتر شاخه‌ای از فناوری را بتوان یافت که هیچ کاربردی از اپتیک، فوتونیک و لیزر را در آن نتوان پیدا کرد.

این گستردگی کاربرد، نتیجه ویژگی‌های منحصربه‌فرد فوتون است که شاید در کمتر ذره دیگری بتوان یافت. علاوه بر این، پارامترهای متعددی که فوتون‌ها را از یکدیگر متمایز می‌کند موجب می‌شود بتوان به‌راحتی آن‌ها را هدایت، تفکیک، آشکارسازی و کنترل کرد.

این ویژگی‌ها قادر است چنان ظرفیت‌هایی جهت ساخت قطعات کاربردی ایجاد کند که حتی از لحاظ کارایی علم الکترونیک را نیز به‌راحتی پشت سر گذارد.

سرعت‌ بالای فوتون‌ها شاید اولین پارامتری باشد که به ذهن می‌رسد. به همین واسطه، امروزه مخابرات نوری نقش انکارناپذیری در صنعت ارتباطات ایفا می‌کند که به‌هیچ‌عنوان بدون توسعه علم فوتونیک محقق نمی‌شد.

از سوی دیگر، امکان کنترل بر روی طول‌موج و البته بسیار کوچک بودن آن در ناحیه مرئی، مبنای طراحی و ساخت بسیاری از حسگرها، سوییچ‌ها و مدولاتور‌های بسیار دقیق است.

ویژگی دیگر فوتون‌ها که عبارت است از عدم برهم‌کنش آن‌ها با یکدیگر در خلاء و محیط‌های غیرجاذب (در شدت‌های پایین‌تر از آستانه اثرات غیرخطی خلأ) باعث می‌شود بتوانیم تعداد نامحدودی از آن‌ها را در حجمی بسیار کوچک داشته باشیم که این یعنی انرژی نامحدود در حجمی بسیار ناچیز است.

به کمک این تجمع انرژی می‌توان کاربرد‌های بی‌شماری در صنعت (نظیر برش‌کاری، سوراخ‌کاری‎های میکرونی، سخت‌کاری، عملیات حرارتی، لایه‌برداری سطحی و جوشکاری) را با چنین موجود ظریفی و البته به مدد توسعه دانش و فناوری لیزر انجام داد. مجموعه این عوامل، فوتونیک را تبدیل به یک دانش استراتژیک کرده است که در حوزه‌های اساسی و مورد توجه بشر امروز نظیر انرژی، امنیت و سلامت نقشی کلیدی و تأثیرگذاری ایفا می‌کند. این تأثیر نیز با سرعت سرسام‌آوری در حال گسترش و توسعه است.

شاید اوج تجلی علم فوتونیک را بتوان در تحقق سامانه‌ها و مدارات مجتمع نوری در مقیاس گسترده دانست. پیش‌بینی می‌شود که در سال‌های نه‌چندان دور پردازنده‌ها نیز به سمت نوری شدن و حتی تمام نوری شدن حرکت کنند.

در این صورت، با توجه به نوری بودن بخش عمده شبکه جهانی ارتباطات، به یکپارچگی در فرایند انتقال و پردازش می‌رسیم که با سرعت و ظرفیت به‌مراتب بیشتری نسبت به الکترونیک قادر است نیاز بشر را به توسعه فناوری ارتباطات و پردازش اطلاعات برطرف کند.

سیستم های تصویربرداری نوری از زمینه های گسترده و پرکاربرد این روز های علم فوتونیک است.

نور دارای خواص موج و ذره است که شدت آن بر اساس تعداد ذرات یا فوتون‌ها متفاوت است. نور هنگام تماس با آب، هوا یا مواد دیگر، جایی که جذب، بازتاب یا پراکنده می‌شود، به روش‌های مختلفی رفتار می‌کند.

فوتونیک

فوتونیک مطالعه نور و انواع دیگر انرژی تابشی است که واحد کوانتومی آن فوتون است. این شامل تولید، هدایت، دستکاری، تقویت و تشخیص نور است. این پشت بسیاری از نوآوری‌هایی است که شیوه زندگی ما را در چند سال گذشته تغییر داده است.

به نظر می‌رسد که کلمه “فتونیک” اولین بار در سال ۱۹۶۷ یا ۱۹۷۳، بسته به منبع، در مقاله‌ای توسط فیزیکدان فرانسوی پیر آیگرن، با عنوان “la photonique” ظاهر شد. این اصطلاح در دهه ۱۹۸۰ شروع به استفاده منظم انگلیسی در بیانیه‌های مطبوعاتی، گزارش‌ها و نشریات داخلی آزمایشگاه‌های بل و شرکت هواپیماسازی هیوز و در مطبوعات عمومی کرد.

لیزرها، فیبرهای نوری، دوربین‌ها و صفحه‌نمایش‌های تلفن‌های ما، موچین‌های نوری، روشنایی در اتومبیل‌ها، خانه‌ها، صفحه‌نمایش‌های کامپیوتر و تلویزیون‌های خانگی تنها چند نمونه از کاربردهای فوتونیک هستند. با توجه به چشم انداز کنونی و پتانسیلی که فوتونیک برای افزایش نوآوری در چندین صنعت دارد، به عنوان یکی از فناوری‌های کلیدی توانمندسازی اروپا (KETs) در قرن بیست‌و‌یکم شناخته شده است. در ادامه قصد داریم تا به کاربردهای فوتونیک در زندگی روزمره بپردازیم.

فوتونیک و زندگی روزمره

فوتونیک نقش مهمی در هدایت نوآوری در تعداد فزاینده‌ای از زمینه‌ها ایفا می کند. کاربرد فوتونیک در چندین بخش، از ارتباطات داده‌های نوری گرفته تا تصویربرداری، نورپردازی و نمایشگرها، بخش تولید، علوم زیستی، مراقبت‌های بهداشتی، امنیت و ایمنی گسترش می‌یابد.

فتونیک راه حل‌های جدید و منحصر به فردی را ارائه می‌دهد که در آن فناوری‌های مرسوم امروزی از نظر سرعت، ظرفیت و دقت به محدودیت‌های خود نزدیک می‌شوند. تاثیر فوتونیک در زندگی روزمره ما قابل توجه است.

سلامتی

فوتونیک به دلیل توانایی نور در تشخیص و اندازه گیری بیماری‌ها به روشی سریع، حساس و دقیق، پتانسیل ایجاد انقلابی در مراقبت‌های بهداشتی را دارد.

بیوفتونیک استفاده از فناوری‌های مبتنی بر نور در علوم زیستی و پزشکی است. این می‌تواند به طور موثر برای تشخیص زودهنگام بیماری‌ها با تکنیک‌های تصویربرداری غیرتهاجمی یا برنامه‌های کاربردی نقطه مراقبت استفاده شود.

بیوفتونیک همچنین برای تجزیه و تحلیل فرآیندها در سطح مولکولی مفید است و درک بیشتری از منشاء بیماری‌ها ارائه می‌دهد. از این رو امکان پیشگیری و درمان‌های جدید را فراهم می‌کند. فن‌آوری‌های فوتونیک همچنین نقش عمده‌ای در رفع نیازهای جامعه سالخورده ما از ضربان‌سازها گرفته تا استخوان‌های مصنوعی و آندوسکوپ‌ها و دوربین‌های ریز مورد استفاده در فرآیندهای in-vivo ایفا می‌کنند.

روشنایی و صرفه جویی در انرژی

فوتونیک همچنین در فناوری نورپردازی پیشرفته، مانند روشنایی حالت جامد (SSL) برای کاربردهای روشنایی عمومی استفاده می شود. SSL بر اساس دیودهای ساطع نور (LED) و دیودهای ساطع نور آلی (OLED) است.

SSL روشنایی با کیفیت بالاتری ارائه می‌دهد، و به صرفه‌جویی قابل توجهی در انرژی کمک می‌کند. هدف از تولید و فعالیت‌های تحقیقاتی فشرده بهبود بیشتر عملکرد SSL، به ویژه بهره‌وری و کیفیت انرژی و در نتیجه کاهش هزینه‌ها است.

به عنوان بخشی از قرارداد سبز اروپا، اتحادیه اروپا متعهد شد که انتشار خالص گازهای گلخانه‌ای را تا سال ۲۰۵۰ به صفر برساند و روشنایی حدود ۱۹ درصد از مصرف برق در سراسر جهان را به خود اختصاص دهد که‌ در نتیجه، روشنایی کارآمدتر باعث صرفه جویی عظیم انرژی می شود.

به عنوان مثال، جایگزینی لامپ‌های رشته‌ای با فناوری SSL می‌تواند تا ۷۰ درصد انرژی مصرفی امروز در روشنایی را ذخیره کند. و SSL دارای ویژگی‌های منحصر به فرد برجسته‌ای از جمله استحکام، طول عمر بیشتر، تیرگی و تنظیم رنگ است. این ویژگی‌ها فرصت‌های بی‌سابقه‌ای را برای شکل‌دهی و تنظیم محیط روشنایی برای برآوردن نیازهای فردی ارائه می‌دهند.

اینترنت پهن باند

نیاز به شبکه‌های پهنای باند سریع‌تر، شفاف‌تر، پویا و سبزتر، از جمله سیاست‌های تحقیقاتی اتحادیه اروپا در زمینه ارتباطات داده‌های نوری است. تحقیقات در این زمینه به افزایش چشمگیر مصرف برق در وب، در مراکز داده و سرورها منجر می‌شود. هدف این است که امکان رشد ترافیک، تغییرات سریع شبکه و تقاضاهای مختلف ترافیک فراهم شود و در عین حال ارتباطات داده را سریع‌تر، ارزان‌تر و کارآمدتر کند.

ایمنی و امنیت

فوتونیک یک عامل کلیدی برای افزایش ایمنی و امنیت افراد، کالاها و محیط زیست است. امکان ساخت حسگرهای بدون تماس و کاربردهای بصری را به ارمغان می آورد. که در محدوده‌های مختلف طیف نور از اشعه ایکس تا تراهرتز کار می‌کنند. چنین حسگرهایی به اندازه کافی حساس و دقیق هستند تا خطرات احتمالی یا موقعیت‌های خطرناک را به طور قابل اعتماد تشخیص دهند. فن‌آوری‌های فوتونیک چندین کاربرد عملی در ایمنی و امنیت دارند. سنسورهای فیبر برای تشخیص عیوب ساختاری در بخش ساختمان، جلوگیری از آلودگی محیطی و توسعه سیستم‌های کمک راننده استفاده می‌شوند.

کاربردهای امنیتی همچنین به فناوری‌های فوتونیک متکی هستند، به عنوان مثال در سیستم‌های بیومتریک و امنیت مرزی، سیستم‌های نظارت تصویری و تجهیزات برای شناسایی کالاهای خطرناک یا غیرقانونی.

تولید با کیفیت بالا

لیزرها پرتوهای خطی نور بسیار متمرکز و متمرکزی تولید می‌کنند و یک فناوری توانمند برای لیدار، پروژکشن دیجیتال، فناوری‌های تصویربرداری، اسکنر بارکد، ذخیره‌سازی داده‌ها و غیره هستند. اندازه لیزرها از سنکروترون‌های عظیم که می‌تواند چندین مایل را در بر بگیرد تا VCSEL های کوچک با طول چند نانومتر متغیر است. لیزر به ابزاری همه‌کاره تبدیل شده است. پردازش لیزری برای تولید با حجم بالا، کم هزینه و دقیق ضروری شده است. فناوری‌های جدید مبتنی بر لیزر، فرآیندهای تولید جدید را با کیفیت فوق العاده بالا تحریک می‌کنند. این امکان سفارشی‌سازی انبوه و تولید بسیار انعطاف‌پذیر در صورت تقاضا، تولید سریع، تمیز و کارآمد با منابع و تولید بدون خطا را فراهم می‌کند.

اروپا پیشرو در فناوری لیزر صنعتی بوده و این دستگاه لیزر و سیستم‌های لیزری را توسعه، تامین و اعمال می کند. فناوری‌های لیزر صنعتی در صنعت خودروسازی، برای تصفیه پلاستیک، ساخت سلول‌های فتوولتائیک، نیمه‌هادی‌ها و اجزای کوچک مورد استفاده در فناوری پزشکی و غیره استفاده می‌شوند.