موضوع مقاله: فوتونیک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # فوتونیک | مقدمه: فوتونیک علمی است که گستره آن شامل ایجاد، انتشار، انتقال، مدولاسیون، سوئیچینگ، تقویت و آشکارسازی نور می‌شود. | ## بخش 1: فوتونیک | فوتونیک شاخه‌ای از فیزیک و مهندسی است که به گسیل، عبور، تقویت و ثبت نور به وسیلهٔ ابزار نوری می‌پردازد. گستره آن شامل ایجاد، انتشار، انتقال، پیمانه‌بندی (مدولاسیون)، سو دهی (سوئیچینگ)، تقویت و آشکارسازی نور می‌شود. با اختراع لیزر، و پس از آن، با ساخت فیبر نوری شاخهٔ اپتیک در علم فیزیک آنقدر گسترده گردید و کاربردهای آن آنقدر زیاد شد، که زمینه ای جدید موسوم به فوتونیک در علم متولد گردید. فوتونیک - الکترونیک پیشرفت روزافزون فناوری و ساخت قطعات الکترونیکی کوچک و کوچک‌تر تا به آنجا ادامه یافته است که امروزه پیش‌بینی می‌شود که در آینده دیگر نتوان قطعاتی از این کوچک‌تر ساخت که قادر به عبور جریان الکتریسیته باشند به گونه‌ای که در آن‌ها عبور یک الکترون برابر خواهد بود با برقراری جریان و عدم عبور آن یعنی قطع جریان الکتریکی. این مسئله باعث شده تحلیل مدارات دیگر از حوزه الکترونیک کلاسیک خارج شده و بررسی چنین سیستمی بر عهدهٔ مکانیک کوانتمی نهاده شود که البته دارای مشکلات خود است. این امر باعث شده است تا دانشمندان به فکر جایگزینی برای الکترون بیافتند تا مشکلات الکترون را نداشته باشد و در اولین گزینه‌ها فوتون یعنی کوانتای نور را جایگزینی مناسب یافتند. بنابر این، از این پس باید به دنبال ساخت ادواتی بود که جایگزین ادوات الکترونیکی در مدارات شوند و در آن‌ها فوتون نقش اساسی بازی کند. تحقیقاتی که این هدف را دنبال می‌کنند در شاخه الکترونیک حوزهٔ فوتونیک بررسی می‌شود. در این شاخه نیز به مباحثی از جمله روابط حاکم بر برهمکنش نور با ماده، میکروسکوپ‌های روبشی میدان نزدیک نوری و … پرداخته می‌شود. فوتونیک - مخابرات ساخت فیبر نوری و اختراع لیزر بشر را به این سو هدایت کرد تا مخابراتی بر مبنای این دو تکنولوژی بسازد. این مخابرات اکنون به ظهور رسیده است و روز به روز بر قدرت و سرعت آن افزوده می‌شود. مشکلات فوتونیک در حوزه مخابرات سیستم‌های مخابرات نوری یا همان مخابرات بر پایه لیزر و فیبر نوری هنوز در کار با سیگنال‌های مخابراتی از سیستم‌های الکترونیکی استفاده می‌کند که سرعت کار آن‌ها را به شدت کم می‌کند. به همین دلیل یکی از زمینه‌های پر رونق در علم فوتونیک امروز، ساخت جایگزین‌های این ادوات الکترونیکی به صورت نوری است. الکترو اپتیک اثر الکترو اپتیک تغییری است در ضریب شکست که از اعمال یک میدان الکتریکی در فرکانس پایین و پایا حاصل می‌شود. میدان الکتریکی اعمالی به یک ماده اپتیکی غیر همسانگرد، ضریب شکست آن را تغییر می‌دهد و بنابراین بر نور قطبیده‌ای که از آن گذر می‌کند تأثیر می‌گذارد. برخی از مواد شفاف زمانی که در معرض میدان الکتریکی قرار می‌گیرند، خواص اپتیکی‌شان تغییر می‌کند. این نتیجه نیروهایی است که مکان، جهت‌گیری یا شکل مولکول‌های سازنده ماده را تغییر می‌دهند. میدان الکتریکی پایای اعمالی به یک ماده الکترواپتیک، ضریب شکست آن را تغییر می‌دهد. | ## بخش 2: فوتونیک | در نتیجه، اثر ماده بر نور گذرنده از آن را تغییر می‌دهد؛ بنابراین میدان الکتریکی نور را کنترل می‌کند. وابستگی ضریب شکست به میدان الکتریکی وابستگی ضریب شکست به میدان الکتریکی معمولاً به صورت یکی از دو حالت زیر می‌باشد: ضریب شکست متناسب با میدان الکتریکی اعمالی تغییر می‌کند و این اثر با نام اثر الکترواپتیک خطی یا اثر پاکلز شناخته می‌شود. ضریب شکست متناسب با توان دوم میدان الکتریکی اعمالی تغییر می‌کند و این اثر با نام اثر الکترواپتیک درجه دوم یا اثر کر شناخته می‌شود. با اینحال اگر طول انتشار به‌طور قابل توجهی از طول موج نور بیشتر شود، فاز یک موج اپتیکی در حال انتشار در یک محیط الکترواپتیکی می‌تواند تغییر کند. به عنوان مثال، اگر ضریب شکست در حضور میدان الکتریکی با ضریب افزایش یابد، موج اپتیکی که طول انتشارش برابر طول موج باشد، انتقال فازی برابر را تجربه خواهد کرد. کاربردها موادی که به وسیلهٔ میدان الکتریکی، ضریب شکست آن‌ها را می‌توان تغییر داد، برای تولید دستگاه‌های نوری که با میدان الکتریکی کنترل می‌شوند سودمند خواهند بود. به مثال‌هایی از این دستگاه‌ها در زیر اشاره می‌شود: لنزی که از ماده‌ای که ضریب شکست آن می‌تواند تغییر کند ساخته شده است، لنزی با فاصله کانونی قابل کنترل می‌باشد. منشوری که قابلیت شکست پرتو آن قابل کنترل می‌باشد، می‌تواند به عنوان یک دستگاه پویشگر (اسکنر) نوری استفاده شود. نور گذرنده از یک ورقه شفاف نازک با ضریب شکست قابل کنترل، متحمل انتقال فاز قابل کنترلی می‌شود؛ بنابراین ورقه می‌تواند به عنوان مدوله‌گر فاز نوری به کار برده شود. یک کریستال غیر همسانگرد که ضریب شکست آن می‌تواند تغییر کند، به عنوان تأخیر انداز موج با زمان تأخیر قابل کنترل، استفاده می‌شود. یک تأخیر انداز که بین دو قطبشگر هم محور قرار گرفته باشد، سبب می‌گردد شدت نور عبوری به تأخیر فاز بستگی داشته باشد؛ بنابراین گذردهی چنین دستگاهی به‌طور الکتریکی قابل کنترل خواهد بود و در نتیجه از آن می‌توان به عنوان مدوله‌گر شدت نور یا کلید نوری استفاده کرد. اجزای قابل کنترل مانند اینها، کاربردهای چشمگیری در ارتباطات نوری و پردازش پالس نوری پیدا کرده‌اند. یک ماده نیمه رسانا از نظر اپتیکی برای نوری که طول موج آن از طول موج شکاف نواری بزرگتر است به صورت طبیعی شفاف می‌باشد. به هر حال میدان الکتریکی می‌تواند شکاف نواری ماده را کاهش دهد و بنابراین فرایند جذب و تبدیل ماده از شفاف به کدر را تسهیل کند. این اثر، که به عنوان جذب الکتریکی شناخته شده است برای ساخت مدوله‌گرها و کلیدهای اپتیکی سودمند است. با این روش پهنای باند فرکانسی اضافی به پالس در حال انتشار درون محیط غیر خطی اضافه شده و با افزایش پهنای فرکانسی، طبق اصل عدم قطعیت پهنای زمانی پالس کم می‌شود. اگر شدت عبوری از محیط I باشد، در این صورت ضریب شکست وابسته به شدت محیط غیر خطی خواهد بود: n = n(0) + n(2)I که در آن (0)n ضریب شکست عادی محیط بوده که با فرکانس تغییر می‌کند و (2)n هم ضریب شکست وابسته به شدت است. توجه کنید که (2)n کمیتی بی بعد مانند ضریب شکست عادی نیست، بلکه آن با شدت پالس ضرب شده تا یک کمیت بی بعد به وجود آورد. | ## بخش 3: فوتونیک | وقتی پالس از یک چنین محیطی عبور می‌کند، شدت در قسمت جلویی پالس که رو به افزایش است، در صورتی که (2)n مثبت باشد، ضریب شکست رو به افزایشی خواهد دید و بدین ترتیب سرعت آن رو به کاهش خواهد رفت و تعداد مؤلفه‌های فرکانسی کمتری در یک زمان معین می‌توانند فاصلهٔ معینی را طی کنند و به این ترتیب قسمت جلویی پالس دچار یک شیفت فرکانسی به فرکانس‌های پایین‌تر شده و اصطلاحاً جلوی پالس قرمز می‌شود. مطابق با تحلیل فوق قسمت پشتی پالس که شدت آن رو به کاهش است، ضریب شکست رو به افتی را خواهد دید و بدین ترتیب سرعت آن رو به فزونی می‌گذارد و تعداد مؤلفه‌های فرکانسی بیشتری در یک زمان معین فاصلهٔ معینی را طی می‌کنند و به این صورت قسمت پشتی پالس دچار یک شیفت فرکانسی به فرکانس‌های بیشتر شده و به اصطلاح آبی می‌شود. پاشش سرعت گروه پاشش سرعت گروه یا GVD هم می‌تواند موجب کوتاه شدن پالس شود و هم موجب پهن‌تر شدن آن گردد. حال اگر در یک محیط پاشنده که در آن ضریب شکست مؤلفه‌های فرکانسی مختلف متفاوت هستند، پوش دستهٔ موج با سرعتی متفاوت از هر یک از مؤلفه‌های فرکانسی اش حرکت خواهد کرد. حال دو پالس نوری جدا از هم را در نطر بگیرید که هر یک دارای فرکانس مرکزی و پهنای فرکانسی خاص خود باشد، بدین ترتیب پاشندگی برای دو پالس متفاوت خواهد بود. حال اگر فرض کنیم دو پالس مذکور قسمت‌هایی از یک پالس تنها هستند، بنابراین سرعت‌های هر یک از قسمت‌های پالس متفاوت خواهند بود. پس اگر یک پالس کوتاه نوری به درون محیطی با GVD مشخص فرستاده شود، پهنای پالس به عنوان نتیجه ای از تغییر پاشندگی محیط با فرکانس، کوتاه یا بلند خواهد شد. حال اگر ضریب شکست ماده برای فرکانس‌های پایین‌تر، کمتر باشد، GVD ماده برای پالس مثبت بوده و پالس پهن می‌شود و برای جبران آن GVD منفی باید ایجاد کرد و برعکس. تقویت پارامتریک غیرهم خط یا nOPA در این نوع تقویت دو پرتو با فرکانس‌های w1 و w2 به یک بلور غیر خطی وارد شده و پرتو سوم را با فرکانس w3 به وجود آورده و تقویت می‌کنند که اگر زاویهٔ بین پرتوهای پمپ و سیگنال صفر نباشد، هندسه را غیر هم خط می‌گویند. البته لازم است ذکر شود در برخی فرایندها فقط یک پرتو پمپ وارد محیط می‌شود و پرتوهای دیگر را به وجود می‌آورد و تقویت می‌کند. در این روش انرژی پالس را با عبور آن از انواع مختلف تقویت کننده‌ها افزایش می‌دهند در حالی که در عین حال از توان پیک آن اجتناب می‌نمایند. در یک محیط پاشنده سرعت گروه پالس با سرعت فاز هر یک از مؤلفه‌هایش متفاوت است و از طریق یک ضریب به نام ضریب گروه می‌توان سرعت گروه را به سرعت نور در خلأ طبق رابطهٔ زیر (C) مربوط کرد: Vg = C / N حال اگر یک پالس فوق کوتاه با پهنای زمانی بسیار پایین (در حد چند ده فمتوثانیه و کمتر) را در نظر بگیریم، ضریب گروه مربوط به انتشار پوش این پالس به شدت پالس وابسته خواهد شد و ضریب گروه مؤثری را طبق رابطهٔ زیر تجربه خواهد کرد: N(eff) = N + N2 I در این حالت فرض کنید N2 برای محیط انتشار مثبت باشد، بنابراین طبق رابطه نقاطی از پالس نوری که شدت بیشتری دارند، ضریب گروه بزرگتری را تجربه کرده و سرعت گروهشان نسبت به نقاط با شدت کمتر، کاهش بیشتری خواهد داشت. به عبارت برای یک پالس فوق کوتاه نقاط با شدت بیشتر از نقاطی که شدتشان کمتر است عقب می‌افتند. مطابق شکل مرکز پالس که دارای شدت بالاتری است نسبت به لبه‌ها که شدتشان پایین‌تر است عقب افتاده و شکل پالس دچار دگرگونی می‌شود. برای این منظور به میدان قوی لیزری نیاز است، از این رو پالس‌های فمتوثانیه و کوتاهتر با انرژی بالا را به روی جت گازی کانونی می‌کنیم. پس از عبور پالس از جت، هارمونیک‌های بالاتر تولید شده و تابش‌های فرابنفش و X خواهیم داشت. پالس لیزری فوق کوتاه دارای یک میدان الکترومغناطیسی قوی است که در آن میدان الکتریکی بسیار بزرگتر از میدان مغناطیسی است به صورتی که می‌تواند از میدان الکتریکی بین الکترون و پروتون فزونی یابد. وقتی این میدان الکتریکی قوی و نوسانی پالس در حال افزایش است و از میدان الکتریکی بین الکترون و پروتون بیشتر می‌شود باعث دور شدن الکترون از اتم می‌شود تا جایی که دوباره میدان الکتریکی شروع به کاهش کرده و از میدان الکتریکی بین الکترون و پروتون کمتر می‌شود و به سمت اتم شتاب می‌گیرد تا اینکه با اتم برخورد می‌کند. | ## جمع‌بندی | این فرایند شتاب گرفتن الکترون به سمت بیرون از هسته و برگشت آن فرایند یونیزاسیون-باز برخورد نام دارد و در هر نیم سیکل اپتیکی روی می‌دهد و طیف تولید شده در هر نیم سیکل اپتیکی به صورت همدوس به یکدیگر اضافه شده که باعث تولید هارمونیک‌های مرتبهٔ فرد می‌شود؛ یعنی اگر فرکانس اولیه w باشد، فرکانس‌های بعدی به ترتیب 5w، 3w و … خواهند بود.