مقالات حوزه ارتباطات امن
تاریخچه لیزر : شرح حال تولد و بلوغ فناوری انقلابی و جاه‌طلبانه‌ای که زندگی بشر را تغییر داد (قسمت چهارم)

تاریخچه لیزر : شرح حال تولد و بلوغ فناوری انقلابی و جاه‌طلبانه‌ای که زندگی بشر را تغییر داد (قسمت چهارم)

نزدیک 60 سال از آغاز مسیر فناوری لیزر می‌گذرد. دانشمندان زیادی زندگی خود را صرف توسعه‌ی این اختراع مهم کرده‌اند. در قسمت‌های گذشته، اتفاقات مهم این حوزه را تا سال 2013 بررسی کردیم. همانطور که دیدیم، کارهای بسیار بزرگی در این حوزه انجام شد که پایه و اساس فناوری امروزی هستند، اما توسعه‌ی لیزر متوقف نشد، چرا که ماجراجویی‌های بشر پایانی ندارد. در قسمت چهارم و پایانی، تغییرات این حوزه را تا امروز، یعنی سال 2019 بررسی خواهیم کرد.

2013

لیزرهای تصادفی در عین مزایایی که ارائه می‌کنند، معایبی نیز دارند. برای مثال، آن‌ها یک الگوی تابش فضایی نامنظم و آشوبناک دارند. گروهی به رهبری پروفسور استفان روتر (Stefan Rotter) از دانشگاه وین، طرحی برای کنترل این لیزرها ارائه دادند. آنطور که محققان می‌گویند، به دلیل اینکه نور ضمن حرکت رفت و برگشتی میان ذرات، تقویت نیز می‌شود، طرح ماده‌ی دانه‌ای در یک لیزر معین، جهت تابش را مشخص می‌کند. بنابراین پمپ کردن ماده به یک روش غیر یکنواخت که مطابق این طرح باشد، می‌تواند برای تثبیت جهت تابش استفاده شود. محققان در شماره‌ی جولای مجله‌ی Physical Review Letters گزارش کردند لیزر تصادفی با این طرح، مفیدتر می‌شود.

پالس‌های لیزری که از طریق فیبرهای نوری عبور می‌کنند، اطلاعات جهان را حمل می‌کنند، هر چیزی از تراکنش‌های مالی گرفته تا ویدئوهایی در مورد گربه‌ها. در مقاله‌ای که در ماه دسامبر در مجله‌ی Nature Communications منتشر شد، محققان نشان دادند که چگونه می‌توان ده برابر، پالس بیشتری را در یک فیبر جا داد. دانشمندان با مدوله‌کردن لیزرها، پالس‌هایی با فرکانس‌هایی با شدت یکسان تولید کردند. با اینکار پالس‌ها را مستطیلی ‌کردند که این کار باعث ‌شد آن‌ها بهتر کنار هم قرار بگیرند و فضای کمتری تلف شود یا اصلا تلف نشود.

گروهی از دانشگاه فنی مونیخ شامل بندیکت مایر (Benedikt Mayer) و همکارانش، نانوسیم‌های لیزری را ثابت کردند که در دمای اتاق در حوزه‌ی مادون‌ قرمز نزدیک تابش می‌کردند. محققان در ماه دسامبر و در مجله‌ی Nature Communications گزارش کردند که با ساخت نانوسیم‌ها بصورت هسته و پوسته (core-shell configuration)، نانوسیم‌ها هم نور تولید می‌کنند و هم به عنوان موج‌بر عمل می‌کنند. آن‌ها این نکته را نیز اضافه کردند که نانوسیم‌ها می‌توانند مستقیما بر روی تراشه‌های سیلیکونی رشد یابند که یک امتیاز مثبت است. در عین حال، در اینصورت به تحریک نوری نیاز دارند که این هم یک امتیاز منفی است، چرا که در بسیاری از کاربردها تحریک الکتریکی نیاز است.

2014

فیزیک‌دانان یوری رزونکوف (Yuri Rezunkov) و الکساندر اشمیت (Alexander Schmidt) در ماه اکتبر گزارش کردند که سرعت راکت‌ها می‌تواند با لیزرها تقویت شود. مدت زیادی بود که کند و سوز لیزری (Laser ablation) به عنوان پیشران راکت‌ها پیشنهاد شده بود. در این روش، یک لیزر به یک سطح شلیک می‌کند و ستونی از پلاسما ایجاد می‌کند که به محض بوجود آمدن، یک پرتابه تولید می‌کند. یکپارچه کردن کند و سوز لیزری با یک سیستم چرخش گازی به نحوی که ستون پلاسما، در نزدیکی جداره‌های داخلی نازل یک فضاپیما جریان یابد، سرعت را به حدی که گاز خارج می‌شود، افزایش می‌دهد. در نتیجه، رانش راکت افزایش می‌یابد و این روش را عملی‌تر می‌کند.

در ماه نوامبر، یک جهش بزرگ برای اطلاعات به وجود آمد. آژانس فضایی اروپا و سازمان‌های شریک، از لیزر برای یک انتقال گیگابیتی بین یک ماهواره در مدار پایین زمین و یکی دیگر در مدار زمین‌آهنگ (geosyn- chronous orbit)، که یک فاصله‌ی 45هزار کیلومتری بود، استفاده کردند. آن‌ها ادعا کردند که این طراحی می‌تواند در آینده تا سرعت 2/7 گیگابیت بر ثانیه نیز افزایش یابد. به دلیل اینکه ارتباط، سریع‌تر از چیزی بود که قبلا در دسترس بود، اطلاعات می‌توانست بین ماهواره‌ها و نهایتا به زمین با سرعت بیشتری انتقال یابد. سیستمی که قبلا در آن مکان وجود داشت، تنها می‌توانست اطلاعاتی را منتقل کند که ایستگاه‌های زمینی را زمانی که ماهواره در محدوده قرار می‌گرفت، نشان دهد. ارتباط به ماهواره‌های زمین‌آهنگ، این شکاف را از میان برداشت.


تصویر ۱: یک لیزر در تنریف اسپانیا، با یک ماهواره‌ی در مدار ارتباط برقرار می‌کند و مسیر انتقال داده را برقرار می‌کند.

گروهی از برکلی، رکورد جهانی جدیدی برای یک شتاب‌دهنده‌ی ذره‌ی جمع‌و‌جور‌ یا رومیزی گزارش کردند: 25/4 گیگاالکترون‌ولت. این آزمایش در لوله‌ای به طول 9 سانتی‌متر انجام شد. این بدان معنی است که گرادیان یا شیب انرژی که الکترون را شتاب می‌دهد، هزار برابر بزرگتر از شتاب‌دهنده‌های معمولی ذرات است. دانشمندان پالس‌های لیزری کمتر از پتاوات را به داخل پلاسما تاباندند. پالس‌های انرژی نوری که توان آن‌ها به یک کوادریلیون می‌رسید، الکترون‌ها را مانند یک موج‌سوار روی خود سوار می‌کردند و سرعت آن‌ها را به یک صدم درصد سرعت نور می‌رساندند.


تصویر ۲: آزمایش‌هایی با یک موج‌بر مویرگی و تخلیه‌شده به طول 9 سانتی‌متر برای تولید پرتوهای الکترونی چند گیگا الکترون‌ولتی استفاده شد. ستون پلاسما بیشتر با تصویربرداری HDR مشهور شده است.

در 27 ژانویه‌ی 2014، دکتر تاونز که بر روی تابش تحریکی کار کرده و منجر به خلق لیزرها و بوجود آمدن صنعت فوتونیک شده بود، در سن 99 سالگی درگذشت.

2015

در ماه می، ‌گروهی به رهبری هوکر (Brett Hokr) فیزیک‌دانی از دانشگاه تگزاس، کمی دیگر به تصادفی‌ بودن جعبه ابزار فوق‌العاده‌ی نور اضافه کرد. محققان در یک سخنرانی در CLEO 2015، یک لیزر رامان تصادفی با قابلیت تولید تصویر بدون لکه و میدان گسترده با زمان تابشی حدود یک نانوثانیه تولید کردند. تابش پالس لیزر تصادفی رامان، آنطور که آزمایش‌ها نشان داد، چند نانوثانیه به طول انجامید و عرض طیفی در حدود 1/0 نانومتر داشت. محققان با استفاده از این پالس‌ها، یک تصویر میکروسکوپی بدون لکه و با فریم کامل ساختند که نشان‌دهنده‌ی اطلاعات یک حباب حفره‌ای از ملانوزوم، اندامک‌هایی که در سلول‌های جانوران یافت می‌شود که محل‌های سنتز، ذخیره و انتقال ملانین‌های رنگ‌دانه جاذب نور هستند، است.

کریستنسن (Kristensen) به همراه محققانی دیگر از دانشگاه فنی دانمارک، در ماه دسامبر در مقاله‌ای که در Nature Nanotechnolog  منتشر شد، گزارش کردند که چاپ لیزری بسیار کوچک، تا حدی که با چشم غیر مسلح قابل دیدن باشد، می‌تواند برای کدگذاری اطلاعات استفاده شود. آن‌ها از اشعه‌های لیزر برای تغییر شکل ستون‌های به قطر 100 نانومتر استفاده کردند. این کار آن‌ها باعث می‌شد که این ستون‌ها، زمانی که به آن‌ها نور تابیده می‌شود، رنگ تولید کنند. دانشمندان از این پدیده برای ایجاد یک نمونه‌ی بازتولید شده از تابلوی معروف مونالیزا با عرض 50 میکرومتر که ده هزار برابر از نمونه‌ی اصلی خود کوچک‌تر بود، بهره بردند. محققان ادعا کردند که کاربردهای بالقوه‌ی این پدیده شامل ایجاد شماره سریال‌های کوچک یا بارکدها و اطلاعات دیگر است.

دو گروه به طور همزمان در مجلات Nano Letters و Nature Photonics مقالاتی منتشر کردند که شامل تحقیقاتی درباره‌ی ریزتشدیدگرهایی بودند که سلول‌های زنده را حبس می‌کردند یا به اصطلاح می‌بلعیدند. این دانه‌های پلاستیکی میکروسکوپی، نور را با هدایت به داخل مسیرهای دایره‌ای که در اطراف محیط آن‌ها قرار داشتند، به دام می‌انداختند. این تشدیدگرها‌ زمانی که توسط منابع نوری با انرژی نانوژول تحریک می‌شوند، بدون آسیب به سلول‌ها شروع به لیزر کردن می‌کنند. ترکیب طیفی میکرولیزرها، برای هر سلولی متفاوت است. بنابر گفته‌ی محققان، این پدیده می تواند شکل جدیدی از رهگیری سلول‌ها، حسگری داخل سلولی و تصویربرداری تطبیقی را برای هزاران، میلیون‌ها و یا حتی میلیاردها سلول زنده به وجود آورد.

تصویر ۳: اثر هنرمندانه‌ی یک گروه از سلول‌ها که به لیزرهای کوچکی تبدیل شده‌اند که متفاوت از سلول می‌باشند و یک برچسب بارکدگونه برای رهگیری غیرتماسی نوری تعداد زیادی از سلول‌ها در بازه‌ی زمانی طولانی مدت ارائه می‌کند.

2016

در سمپوزیوم پیشرفته‌ی لیتوگرافی SPIE در ماه فوریه، سازنده‌ی تجهیزات لیتوگرافی نیمه‌هادی ASML اعلام کرد که فناوری لیتوگرافی فوق ماورابنفش (EUV-extreme ultraviolet)، اکنون آماده‌ی بهره‌برداری است. بعد از سال‌ها توسعه‌ی این تجهیز لیتوگرافی که به دلیل کافی نبودن روشنایی نور، به تاخیر افتاده بود، شرکت ASML مسئولیت انجام این ماموریت را بر دوش روش پلاسمای تولید شده با لیزر گذاشت. با این روش، یک لیزر مادون‌ قرمز، یک پالس اشعه‌ی متمرکز را به یک قطره‌ی میکروسکوپی از قلع مذاب شلیک می‌کند. بعد از فیلتر کردن تابش انفجاری، نتیجه، یک پالس نور با طول‌موج 5/13 نانومتر یا فوق ماورابنفش است.


تصویر ۴: نمایان‌سازی هنرمندانه‌ی مسیر عبور نوری یک اسکنر EUV که از نور با طول‌موج 5/13 نانومتر برای لیتوگرافی نیمه‌هادی استفاده می‌کند(بالا). نمایان‌سازی هنرمندانه‌ی منبع EUV که در طول‌موج 5/13 نانومتر برای چشم قابل رویت نیست، اما برای تولید یک دستگاه نیمه‌هادی پیشرفته، بسیار مهم و حیاتی است (پایین).

محققانی از چند دانشگاه مختلف در مقاله‌ای که در شماره‌ی ماه مارس مجله‌ی Nature Photonics منتشر شد، گزارش کردند لیزرهای نقاط کوانتومی را روی سیلیکون رشد داده‌اند. این لیزرها بصورت الکتریکی تحریک می‌شدند و در طول موج 1300 نانومتر تابش می‌کردند. ثابت شده این لیزرها در دمای پایین‌تر از 120 درجه‌ی سلیسیوس، تا صدهزار ساعت کار می‌کنند. با توجه به گفته‌ی گروه تحقیقاتی، هدف نهایی، مجتمع‌سازی فوتونیک یا الکترونیک سیلیکونی بود.

در ماه سپتامبر، Laser Guide Star Alliance در جایزه‌ی نوآوری Berthold Leibinger سال 2016، جایگاه سوم را بدست آورد. تلسکوپ‌های مدرن، برای رهایی از نوسانات اتمسفری که باعث چشمک زدن ستارگان می‌شوند، از اصلاح جبهه‌ی موج نوری استفاده می‌کنند. نتایج این پروژه منجر به این می‌شود که هر چیز قابل دسترسی را در فضا را ببینیم. این دستاورد نیاز به ستاره‌های راهنمایی دارد که به اندازه‌ی کافی روشن باشند تا بتوان عمل اصلاح را انجام داد. اگر هیچ ستاره‌ی راهنمایی، قابل مشاهده نباشد، ستاره‌شناسان یک ستاره‌ی راهنمای مصنوعی با برانگیخته‌کردن یک لایه سدیم در ارتفاع حدود 90 کیلومتری، ایجاد می‌کنند. برای تلسکوپ بسیار بزرگی که در بیابان آتاکامای شیلی قرار دارد،Laser Guide Star Alliance  از تقویت رامان برای تولید طول ‌موج مورد نیاز در توان بسیار بالاتر از 20 وات استفاده کرد که یک رکورد برای سطح توان بود. محققان برای این کار، از لیزر فیبری و دیودی که حاصل یک تلاش 8 ساله بود، استفاده کردند.

تصویر ۵: چهار لیزر، اتم‌های سدیم را برانگیخته کرده و ستاره‌های مصنوعی ایجاد می‌کنند. این ستاره‌های مصنوعی برای سازگارکردن سیستم‌های اپتیکی تلسکوپ بسیار بزرگ جنوب اروپا به کار می‌روند.

2017

در ماه فوریه، آزمایشگاه ناسا اعلام کرد که ارتباطات فضایی با استفاده از لیزرها می‌توانند پهنای باند بیشتری بگیرند. از آغاز عصر فضایی، رادیو راه استاندارد ارتباط بوده که پیام را در بهترین حالت، با نرخ چند مگابیت بر ثانیه منتقل می‌کند. بعنوان مثال، برای یک فضاپیما در مدار مریخ، حداکثر نرخ انتقال رادیویی 6 مگابیت بر ثانیه است. یک لیزر می‌تواند این نرخ را به مقدار حدود 250 مگابیت بر ثانیه افزایش دهد. با این حال، لیزرها در معرض تداخل با ابرها قرار دارند و باید بطور دقیق تنظیم شوند. بدین منظور، زیرساختی که در زمین قرار دارد، باید لیزرها را پشتیبانی کند. ماموریت‌هایی که انجام آن‌ها برای سال‌های 2019 و 2023 برنامه‌ریزی شده، این فناوری را آزمایش خواهند کرد. انجام این ماموریت‌ها، به تشخیص اینکه آیا لیزرها در آینده‌ی مخابرات فضایی نقش دارند یا نه، کمک خواهد کرد.

از زمانی که عصر تجاری لیزرها در سال 1990 آغاز شد، لیزرهای فیبری ابتدایی، بطور فزاینده‌ای قدرتمند شده‌اند و در بسیاری از کاربردها خود را نشان داده‌اند. برای نمونه،‌ از لیزر در یک سلاح جنگی که توسط شرکت لاکهید  مارتین آمریکا توسعه یافته بود، استفاده شد. در طول آزمایش در ماه مارس ، سیستم مذکور یک تک اشعه با توان 58 کیلووات که یک رکورد جهانی برای یک لیزر از این نوع بود، تولید کرد. در آزمایش‌های سال 2015 لیزری که نصف این توان را داشت، توانست یک کامیون را از فاصله‌ی یک مایلی از کار بیاندازد. بنابر گزارش‌های چاپ شده، این لیزر با ترکیب چندین اشعه و عمل در ناحیه‌ی نزدیک حد پراش، به آستانه‌ی توان 60 کیلووات می‌رسد. همچنین گفته شده که این لیزر، کارآمد و پربازده نیز هست و بیش از 43 درصد الکتریسیته‌ی مصرف شده را به نور تبدیل می‌کند.


تصویر ۶: نمایان‌سازی یک سلاح لیزری 60 کیلوواتی که بر روی کامیون سوار شده و متعلق به تجهیزات عملیاتی ارتش ایالات متحده است.

دانشمندان موفق شدند یک لیزر پلاریتون پروتئین فلورسنتی بسازند. لیزرهای پلاریتون قبلی، باید تا دمای فوق سرد (cryogenic) خنک می‌شدند. اما این لیزرهای جدید، مبتنی بر پروتئین‌های فلورسنت سبز هستند و نیازی به خنک‌سازی تا آن دما را ندارند. فلورسنت سبز، همان ماده‌ای است که باعث درخشان شدن و تابش عروس دریایی می‌شود. محققان می‌گویند لیزر جدید می‌تواند به لحاظ زیستی یک منبع نور سازگار با بدن و قابل جاگذاری در آن باشد. محققان گزارش کار خود را در 16 آگوست در مجله‌ی Science Advances منتشر کردند.


تصویر ۷: تصویر یک لیزر پلاریتون پروتئین سبز در حال کار

2018

در ماه جولای، تجهیزات حرارتی آزمایشگاه ملی Lawrence Livermore رکورد جدیدی ثبت کرد: 15/2 مگاژول. این مقدار بیش از 10 درصد از رکوردی که در مارس 2012 ثبت شده بود، بیشتر بود.


تصویر ۸: سیستم لیزری تجهیز ملی احتراق با 192 اشعه‌ی لیزر یک رکود جهانی ثبت می‌کند: 15/2 مگاژول

محققان در NIST، در مقاله‌ای در ماه آگوست نشان دادند که مسافت‌یاب تجاری لیزری می‌تواند تصاویر سه‌بعدی از اشیا را زمانی که در آتش در حال ذوب بودند، ارائه کند. آن‌ها سطوح سه‌بعدی تکه‌های شکلات و یک اسباب‌بازی کوچک را با دقت 30 میکرومتر از فاصله‌ی 2 متری اندازه‌گیری کردند. ظرفیت اندازه‌گیری دقیق و قابل اطمینان از سازه‌های سوزان زمانی که در حال فرو ریختن هستند، می‌تواند در فهم فرایند تخریب و نابودی و همچنین پس از آن، در اینکه هنگام بازسازی چه اتفاقی رخ می‌دهد، مفید باشد.

لیزرهای تصادفی، به دلیل معرفی روش دستکاری در مقیاس نانو که در ماه سپتامبر در مجله‌ی Nature Communications معرفی شد، می‌توانند در آینده کمتر تصادفی باشند. محققان نشان دادند خروجی لیزرهای تصادفی مبتنی بر محیط مایع-بلور می‌تواند با یک سیگنال الکتریکی هدایت شود. دانشمندان می‌گویند این قابلیت کنترل، لیزرهای تصادفی را به کاربردهای عملی، نزدیک‌تر می‌کند.

دانشمندان در موسسه لیزر فوق سریع و فوق قوی شانگهای، تمرکز خود را روی پالس 10 پتاواتی گذاشته‌اند. این مقدار تقریبا دو برابر رکورد خودشان یعنی 3/5 پتاوات است. آن‌ها در مقاله‌ای که در ماه نوامبر و در مجله‌ی Optics Letters منتشر شد، پیشرفت‌های چشمگیری به سمت این آستانه با خروجی نزدیک 340 ژول با طول ‌موج مرکزی 800 نانومتر گزارش کردند. آن‌ها پیش‌بینی کردند اگر این توان را در یک پالس با طول 21 فمتوثانیه فشرده کنند، توان ماکزیمم 3/10 پتاوات خواهد بود. هدف، رسیدن به 100 پتاوات شاید تا سال 2023 باشد. این سطح توان به اندازه‌ای بزرگ و کافی خواهد بود تا در خارج از فضای خالی، ماده ایجاد کند.

2019

محققان دانشگاه MIT راهی معرفی کردند تا از لیزر به منظور انتقال زمزمه‌ی افراد به شنوندگان استفاده کنند. دانشمندان از یک لیزر تولیم (thulium) با طول ‌موج 9/1 میکرومتر برای تحریک مولکول‌های آب در نزدیکی یک میکروفن که یک سیگنال صوتی را منتقل می‌کرد، استفاده کردند. بلندی صدای سیگنال تقریبا در حدود بلندی یک مکالمه‌ی معمولی بود. این روش می‌تواند امکان ارسال پیام‌های سری با کاربرد نظامی یا تبلیغاتی را فراهم کند. نتیجه‌ی این پژوهش در ژانویه در مجله‌ی Optics Letters منتشر شد.
 


منبع: photonics
كلمات كليدي :
تاریخچه لیزر , گاه شمار لیزر , لیزر
 
امتیاز دهی
 
 

بيشتر