فوتونیک

یک تکنسین در حال آزمایش لیزر، لیزرها نقش مهمی در فوتونیک دارند.

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 زمینه‌ای جدید موسوم به فوتونیک در علم متولد گردید.

این شاخهٔ جدید در سه گرایش الکترونیک، مخابرات، و فیزیک کار خود را شروع نمود.

فوتونیک- الکترونیک

پیشرفت روز افزون تکنولوژی و ساخت قطعات الکترونیکی کوچک و کوچک‌تر تا به آنجا ادامه یافته است که امروزه پیش‌بینی می‌شود که در چند سال 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 مساله باعث شده تحلیل مدارات دیگر از حوزه الکترونیک کلاسیک خارج شده و بررسی چنین سیستمی بر عهدهٔ مکانیک کوانتمی نهاده شود که دارای مشکلات خود می‌باشد. 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. پس، از این پس باید به دنبال ساخت ادواتی بود که جای ادوات الکترونیکی را در مدارات بگیرد و در آنها فوتون نقش اساسی را بازی کند. تحقیقاتی که این هدف را دنبال می‌کنند در حوزهٔ فوتونیک شاخه الکترونیک آن بررسی می‌شود و بر عهده این بخش است.

فوتونیک- فیزیک

شاخهٔ دیگری از علم فوتونیک، فوتونیک- فیزیک است. در این شاخه نیز به مباحث بسیار زیادی 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 پیشرفته 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 پایین می‌آورد. این مشکل با تمام نوری کردن تمامی ادوات به کار رفته در این مدارات ممکن است. به همین دلیل یکی از جبهه‌های پر رونق در علم فوتونیک امروز ساخت جایگزین‌های این اداوات الکترونیکی به صورت نوری می‌باشد.

الکترو اپتیک

اثر الکترو اپتیک (به انگلیسی: ELECTRO-OPTICS)‏ تغییریست در ضریب شکست که از اعمال یک میدان الکتریکی فرکانس پایین و پایا حاصل می‌شود. میدان الکتریکی اعمالی به یک ماده اپتیکی غیر همسانگرد، ضریب شکست آنرا 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 را تغییر می‌دهند. این نتیجه‌ایست از نیروهایی که مکان، جهتگیری یا شکل مولکولهای سازنده ماده را تغییر می‌دهند.میدان الکتریکی پایای اعمالی به یک ماده الکترواپتیک، ضریب شکست آنرا تغییر می‌دهد. در نتیجه، اثر ماده بر نور گذرنده از آنرا تغییر می‌دهد. بنابراین میدان الکتریکی نور را کنترل می‌کند.

وابستگی ضریب شکست به میدان الکتریکی اعمالی

وابستگی ضریب شکست به میدان الکتریکی اعمالی 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 (به انگلیسی: Pockels effect)‏ 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 (به انگلیسی: Kerr effect)‏ شناخته می‌شود.

تغییر در ضریب شکست به صورت نوعی کوچک است. با اینحال اگر طول انتشار به طور 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 $10^-5$ افزایش یابد، موج اپتیکی که طول انتشارش $10^5$ برابر طول موج باشد، انتقال فازی برابر $2{\pi}$ را تجربه خواهد کرد.

کاربرد‌ها

موادی که بوسیله یک میدان الکتریکی اعمالی، 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 شده‌است، لنزی با فاصله کانونی قابل کنترل می‌باشد.
• منشوری که قابلیت شکست پرتو آن قابل کنترل می‌باشد، می‌تواند به عنوان یک دستگاه پویشگر 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 تأخیرانداز موج با زمان تأخیر قابل کنترل، استفاده می‌شود. از آن ممکن است برای تغییر خواص قطبشی نور بهره برد.
• یک تأخیرانداز که بین دو قطبشگر هم محور قرار گرفته باشد، سبب می‌گردد شدت نور عبوری به تأخیر فاز بستگی داشته باشد. بنابراین گذردهی چنین دستگاهی به طور الکتریکی قابل کنترل خواهد بود و در نتیجه از آن می توان 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 میدان الکتریکی از طریق جذب می‌تواند خواص نوری ماده را تغییر دهد. 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 یک میدان الکتریکی اعمالی می‌تواند شکاف نواری ماده را کاهش دهد و بنابراین فرآیند جذب و تبدیل ماده از شفاف به کدر را تسهیل کند. این اثر، که به عنوان جذب الکتریکی (به انگلیسی: electroabsorption)‏ شناخته شده‌است برای ساخت مدوله‌گرها و کلیدهای اپتیکی سودمند می‌باشد.

مدولاسیون خود به خودی فاز یا self phase modulation

این پدیده در اثر برهمکنش پالس تند تغییر و وابسته به زمان با ضریب شکست وابسته به شدت ماده ی اپتیکی غیر خطی روی می دهد . 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 می شود . 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 می کند 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 . وقتی پالس از یک چنین محیطی عبور می کند ، 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 مولفه های فرکانسی کمتری در یک زمان معین می توانند فاصله ی معینی را طی کنند و به این ترتیب قسمت جلویی پالس دچار یک شیفت فرکانسی به فرکانس های پایین تر شده و اصطلاحا جلوی پالس قرمز می شود . 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 می گذارد و تعداد مولفه های فرکانسی بیشتری در یک زمان معین فاصله ی معینی را طی می کنند و به این صورت قسمت پشتی پالس دچار یک شیفت فرکانسی به فرکانس های بیشتر شده و به اصطلاح آبی می شود . به این پدیده frequency chirping می گویند .

پاشنگی سرعت گروه یا Group Velocity Dispersion

پاشندگی سرعت گروه یا GVD هم می تواند موجب کوتاه شدن پالس شود و هم موجب پهن تر شدن آن گردد . می دانیم که سرعت گروه یک دسته موج الکترومغناطیسی به صورت Vg تعریف می شود . حال اگر در یک محیط پاشنده که در آن ضریب شکست مولفه های فرکانسی مختلف متفاوت هستند ، پوش دسته ی موج با سرعتی متفاوت از هر یک از مولفه های 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 . به عبارت دیگر هر یک از این دو پالس با سرعت گروه متمایزی حرکت خواهد کرد . حال اگر فرض کنیم دو پالس مذکور قسمت هایی از یک پالس تنها هستند ، بنابراین سرعت های هر یک از قسمت های 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 فرکانس های پایین تر ، کمتر باشد ، GVD ماده برای پالس مثبت بوده و پالس پهن می شود و برای جبران آن GVD منفی باید ایجاد کرد و برعکس .

تقویت پارامتریک غیرهم خط یا nOPA

در این نوع تقویت دو پرتو با فرکانس های w1 و w2 به یک بلور غیر خطی وارد شده و پرتو سوم را با فرکانس w3 به وجود آورده و تقویت می کنند که اگر زاویه ی بین پرتوهای پمپ و سیگنال صفر نباشد ، هندسه را غیر هم خط می گویند . البته لازم به ذکر است در برخی فرآیندها فقط یک پرتو پمپ وارد محیط می شود و پرتوهای دیگر را به وجود می آورد و تقویت می کند . در هر حال دو عامل در فرآیند تقویت پارامتریک اهمیت دارد ، اولی phase matching ناشی از پایستگی تکانه ی خطی در فرآیند و دیگری frequency matching ناشی از پایستگی انرژی در فرآیند می باشد . به عنوان مثال اگر پرتو پمپ با فرکانس W1 و بردار انتشار K1 و با زاویه نسبت به محور اپتیکی کریستال وارد آن شود و پرتوهای سیگنال و idler با فرکانس های W2 و W3 و بردارهای انتشار K1 و K2 و هر یک با زاویه نسبت به محور اپتیکی وارد کریستال شوند ، خواهیم داشت :

K1 = K2 + K3 phase matching

W1 = W2 + W3 frequency matching

چرپ شدن پالس یا chirp

وقتی فاز پالس به صورت غیر خطی با زمان تغییر کند ، فرکانس لحظه ای پالس یا همان مشتق اول فاز نسبت به زمان دیگر ثابت نبوده و با زمان تغییر می کند که در این حالت گفته می شود پالس دچار chirp شده است .

تقویت پالس chirp شده یا CPA

روشی است برای تولید پالس های پر انرژی در همان طول پالس اولیه . در این روش انرژی پالس را با عبور آن از انواع مختلف تقویت کننده ها افزایش می دهند در حالی که در عین حال از توان پیک آن اجتناب می نمایند . برای این منظور ابتدا پالس را پهن کرده تا توان پیک پالس کاهش یافته و پالس بدون آسیب زدن به تقویت کننده ، تقویت شود ، سپس دوباره پس از این که انرژی پالس در اثر تقویت افزایش یافت ، با استفاده از compressor ها که به طور معمول با استفاده از توری ها و منشور ها ساخته می شوند ، پالس را به پهنای اولیه می رسانند .

پدیده ی خود خمشی یا Self Steepening

پوش یک پالس نوری در یک محیط با سرعت گروه حرکت می کند که سرعت انتقال انرژی نیز می باشد ، در صورتی که هر یک از مؤلفه های موجی پالس با سرعت فاز منتشر می شوند . در یک محیط پاشنده سرعت گروه پالس با سرعت فاز هر یک از مؤلفه هایش متفاوت است و از طریق یک ضریب به نام ضریب گروه می توان سرعت گروه را به سرعت نور در خلأ طبق رابطه ی 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 رابطه ی 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 می افتند . در شکل زیر این پدیده برای یک پالس فوق کوتاه گاؤسی نشان داده شده است . مطابق شکل مرکز پالس که دارای شدت بالاتری است نسبت به لبه ها که شدتشان پایین تر است عقب افتاده و شکل پالس دچار دگرگونی می شود. اگر پدیده ی خود خمشی به صورت شدیدی در محیط اتفاق بیفتد ، می تواند باعث تولید Shock Wave شود .

                            پرونده:Self steepening.jpg  

تولید هارمونیک های مرتبه ی بالا یا High Harmonic Generation

تولید هارمونیک مرتبه ی بالا ، تبدیل تابش لیزری از یک فرکانس ثابت به هارمونیک های (ضرایب فرکانسی) بالاتر آن فرکانس را توصیف می کند . این فرآیند در یک جت (فوران گازی) اتمی یا مولکولی روی می دهد . برای این منظور به میدان قوی لیزری نیاز است ، از این رو پالس های فمتوثانیه و کوتاهتر با انرژی بالا را به روی جت گازی کانونی می کنیم . پس از عبور پالس از جت ، هارمونیک های بالاتر تولید شده و تابش های 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 می تواند 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 می شود باعث دور شدن الکترون از اتم می شود تا جایی که دوباره میدان الکتریکی شروع به کاهش کرده و از میدان الکتریکی بین الکترون و پروتون کمتر می شود و به سمت اتم شتاب می گیرد تا اینکه با اتم برخورد می کند . در طی این برخورد کاهش شدید انرژی جنبشی الکترون موجب تولید فوتون می شود . این فرآیند شتاب گرفتن الکترون به سمت بیرون از هسته و برگشت آن فرآیند یونیزاسیون-بازبرخورد نام دارد و در هر نیم سیکل اپتیکی روی می دهد و طیف تولید شده در هر نیم سیکل اپتیکی به صورت همدوس به یکدیگر اضافه شده که باعث تولید هارمونیک های مرتبه ی فرد می شود . یعنی اگر فرکانس اولیه w باشد ، فرکانس های بعدی به ترتیب 5w ، 3w و ... خواهند بود .

مطالب مرتبط

• میکرو فوتونیک
• نانو فوتونیک
• اپتیک غیر خطی
• مزدوج فاز نوری
• سولیتون‌ها
• معادله غیر خطی شرودینگر
• رفتارهای غیر خطی

• امواج غیر خطی تفرق‌زا

• اسپای
• پویشگر نوری
• تأخیرانداز فاز
• مدوله گر فاز
• مدوله گر شدت
• کلید نوری

گروه‌های پژوهشی

گروه پژوهشی نانو الکترونیک

گروه‌های پژوهشی

پژوهشکده لیزر و پلاسما دانشگاه شهید بهشتی

گردآورندگان

پژوهشکده لیزر و پلاسما دانشگاه شهید بهشتی

منابع

B. Saleh, Fundamentals of Photonics, New York: Wiley, 1992.