ریپورتر
15th March 2010, 01:13 PM
مواد اپتيکي روشن کننده ي راه براي کاربردهاي جديد
مترجم : حبیب الله علیخانی
سراميک ها و مواد اپتيکي
مواد با انعکاس طول موج مشخص نور، شفافيت و يا ديگر خواص اپتيکي شامل گستره ي وسيعي از ترکيبات شيشه (glass compositions)، شيشه سراميک ها (glass ceramics) و سراميک هاي ويژه هستند. اين مواد در صدها محصول مختلف از صنايعي چون فضا هوايي (aeroSPace)، ارتباطات از راه دور (Telecommunications)، الکترونيک (electronics)، پزشکي و نظامي ديده مي شوند.
مواد شيشه اي،لنزهاي توپي (ball lenses)، لنزهاي شبه کروي (aspheric lenses) و ديگر انواع مواد سراميکي در وسايل ارتباطي و مخابراتي اپتيکي استفاده مي شوند. ديگر توليدات داراي قطعات سراميکي شامل: آينه هاي مخصوص تلسکوپ (telescope mirrors)، ليزرها (Lesers)، وسايل فوتونيک (photonic device)، سيستم هاي تصويربرداري (Imaging systems)، لوله هاي پرتوي کاتودي (Cathode ray tubes)، صفحه هاي تخت براي مانيتورهاي کامپيوتر و تلويزيون، پنجره ها و يا رادارهاي مادون قرمز و مواد شيشه اي براي صفحات نمايش کريستال مايع مي شوند.
کاربردهاي متداول اين مواد شامل دوربين هاي دوچشمي، دوربين هاي 35 ميلي متري داراي سه پايه، سيستم هاي پيشرفته ي تصويربرداري (APS) براي دوربين هاي فيلم برداري و عکس برداري ساکن، لنزهاي قابل تنظيم، پروژکتورهاي ديجيتال (digital Projectors) مي شود.
براي بيش از 35 سال، يک نوع خاص از شيشه سراميک هاي داراي انبساط کم براي توليد آينه تلسکوپ هاي چرخان مانند تلسکوپ کاوشگر مريخ (HRISE) و يا تلسکوپ keck در هاوايي استفاده شده است.
آينه هاي شيشه سراميکي کمک به کشف فضاي بيرون از جو مي کنند
يک نوع خاص از شيشه سراميک ها که داراي انبساط حرارتي کم هستند توسط American Schott North ساخته شده است. اين نوع شيشه سراميک در رصدخانه ها کاربرد دارد. اين مواد در ساخت آينه هاي اوليه و ثانويه ي رصدخانه ها استفاده مي شود. اگر بخواهيم دقيق تر بررسي کنيم اين آينه ها در تداخل سنج اين رصدخانه ها کاربرد دارد. که اين تداخل سنج هاي چندگانه ي تلسکوپي توانايي ترکيب تصاوير را به طور قابل ملاحظه اي بالا مي برد. يک نمونه از اين شيشه سراميک ها در سال 2008 و در نيومکزيکو براي ساخت يک رصدخانه استفاده شد که از اين رصدخانه اصولاً براي کارهاي تحقيقاتي در فضاي بسيار دور استفاده مي شود. همچنين از اين رصدخانه براي مطالعات بر روي اشياء مورد علاقه ي دانشمندان در بيرون از منظومه ي شمسي مانند انفجارات عظيم و سياه چاله ها نيز استفاده مي شود.
SCHOTT اخيراً يک ماده ي شبه شيشه سراميکي را در يک مقاله معرفي کرده است که خواصي بهبود يافته دارد. اين نوع ماده ي شبه شيشه سراميکي بخاطر عمليات حرارتي خاصي که بر روي آن انجام مي شود مقاومت حرارتي بالاتري نسبت به نوع معمولي خود دارد. خاصيت منحصر به فرد اين شيشه- سراميک انبساط حرارتي نزديک به صفر آن است.
فرايند استحاله ي گرمايي انجام شده بر روي اين شيشه- سراميک، باعث توليد يک شيشه - سراميک مي شود که بيش از 90 درصد keatite و نوع خاصي از سيليکا (silicon Oxide ) دارد. ساختار کريستالي keatite باعث مي شود که دماي کاربري اين نوع شيشه- سراميک بالاتر رود و به دماي 850 درجه سانتي گراد برسد. همچنين از اين شيشه- سراميک مي توان به مدت زمان طولاني تري (در دماي 850c درجه) استفاده کرد.
بدليل خواص جالب اين شيشه- سراميک کاربردهاي آن افزايش يافته است که از جمله کاربردهاي اين مواد مي توان موارد زير را نام برد:
1-قطعات مکانيکي و اپتيکي سيستم هاي ليزري انرژي بالا
2-مواد مورد استفاده در قالب ها در فرآيند شکل دهي دما بالا
3- اجزاي موتورهاي سراميکي
4- استانداردهاي سنجش براي پويشگرهاي مکانيکي و نوري
5- اجزاي رصدخانه ي ناسا (NASA'S Constellation X telescope) در مورد استفاده ي شيشه- سراميک هاي با انبساط حرارتي نزديک به صفر در رصدخانه ي ناسا بايد گفت که اين رصدخانه داراي ترکيبي از چندين تلسکوپ اشعه ي x است که با کارکردن هماهنگ آنها تلسکوپ بزرگي با قدرت مشاهده ي خيلي زياد پديد مي آيد. با اين تلسکوپ پر قدرت دانشمندان مي توانند سياه چاله ها، تئوري انيشتين در مورد نسبيت عمومي، ايجاد کهکشان راه شيري، فرضيه ي سير نظامي جهان (بزرگ شدن جهان)، ماده ي سياه و انرژي سياه را بررسي کنند. شبيه به تمام تلسکوپ هاي اشعه ي x، تلسکوپ اشعه ي x ناسا نيز بايد در فضا قرار گيرد زيرا اشعه ي x نمي تواند از اتمسفر زمين عبور کند. در هنگام ساخت تلسکوپ ناسا، دانشمندان مي خواستند تلسکوپ اشعه ي ايکسي بسازند که بزرگي آن به اندازه ي تلسکوپ هاي زميني باشد. تا بتوانند اشعه ايکس بيشتري جذب کنند. اين نياز موجب شد تا تلسکوپ چندگانه ي بي نظيري در ناسا ساخته شود. با ترکيب 4 تلسکوپ، تلسکوپي بوجود آمد که حساسيتش 100 برابر بزرگتر از هر تلسکوپ اشعه ي x ماهواره هاي فضايي ساخته شده در قبل و اکنون است.
با بوجود آمدن اين تلسکوپ، دانشمندان توانستند اطلاعاتي را که بايد در مدت چند روز و يا هفته جمع آوري کنند، در يک ساعت بدست آورند.
حيله هاي سراميکي کوچک
يک تيم از محققان انستيتوي پلي تکنيک Ransselaer براي اولين بار ماده اي را توليد کردند که هيچ نوري را از خود انعکاس نمي دهد. اين پوشش هاي اپتيکي از ماده اي ساخته شده اند که قابليت گسترده اي براي بهبود خواص آن وجود دارد. اين مواد جديد داراي ضريب شکستي نزديکي به ضريب شکست هوا هستند از اين رو موادي ايده آل براي بخش هاي ساختاري پوشش هاي ضد انعکاس هستند. اين مواد ضريب شکست 1.05 را دارند که اين ضريب شکست تقريباً با ضريب شکست هوا برابر است. البته ضريب شکست کمتر از اين مقدار نيز براي اين ماده گزارش شده است.
با استفاده از يک تکنيک که به آن oblique angle deposition مي گويند، محققان نانوميله هاي سيليکايي (Sid2 nanorods) را در زاويه ي 45 درجه بر روي يک فيلم نازک از آلومينيوم نيتريد (ALN) رسوب مي دهند. اين ماده که نوعي سراميک نيمه رساناست براي ساخت ديودهاي ساطع کننده ي نور پيشرفته (advanced light-emitting diodes) استفاده مي شود. اين تکنيک به محققين اجازه مي دهد تا همه ي انواع طول موج ها در همه ي جهات ورودي را کاهش دهند. و يا به طور کامل آنها را حذف کنند. اگرچه پوشش هاي ضد انعکاس سنتي به طور وسيع مورد استفاده قرار مي گيرند ولي در صورتي درست کار مي کنند که از يک طول موج استفاده شود و منبع نور نيز بر ماده عمود باشد. پوشش هاي اپتيکي جديد در هر کاربردي که نور از ميان داده عبور کند مي تواند مورد استفاده قرار گيرد که در زير تعدادي از اين کاربردها بيان شده است:
1-پيل هاي خورشيدي با بازده بيشتر
پوشش هاي جديد مي توانند مقدار نور رسيده به ناحيه ي فعال سلول را افزايش دهند. اين افزايش تا حدود چندين درصد نيز برآورد شده است که مي تواند موجب افزايش تعداد برخوردهاي موثر گردد. و در نتيجه عملکرد سلول را بالا ببرد.
2-ديودهاي ساطع کننده ي نور درخشنده تر (Brighter LEDS)
LED ها به طور فزاينده اي در چراغ هاي راهنمايي (علائم راهنمايي)، روشنايي اتومبيل ها و علائم خروج استفاده مي شوند. که علت اين استفاده مصرف کمتر برق اين وسايل و زمان بيشتر کاربري آنها نسبت به فلئورسنت هاي سنتي و لامپ هاي رشته اي است. اما LED هاي کنوني هنوز به اندازه ي کافي درخشان نيستند تا بتوان آنها را با لامپ هاي حبابي استاندارد جايگزين نمود.
محدود کردن انعکاس مي تواند روشنايي LED ها را بهبود ببخشد که اين کار نيز مي تواند جايگزيني منابع نوري سنتي را با تعديل محيط هاي خاص (مثل LED ها) تسريع ببخشد.
3- نورپردازي هوشمند (Smort lighting)
نورپردازي هوشمند به طور وسيع با بهبود خواص نوري مواد، کنترل مي شود. که مي تواند اجازه دهد منابع نور با محيط هاي خاص تطابق پيدا کنند.
4- اينترکانکت هاي نوري (optical interconnects)
براي بسياري از کاربردهاي محاسبه کننده، اين يک ايده است که براي ارتباط از فوتون ها استفاده شود. برخلاف الکترون ها که فقط در مدار الکتريکي جريان دارند براي جلوگيري از نفوذ فوتون در مواد مختف اين پوشش ها بسيار مفيد هستند. و ما مي توانيم از آنها براي کنترل و جهت دهي به فوتون ها استفاده کنيم.
5-آينه هاي با انعکاس بالا (high- reflectance mirrors)
قابليت کنترل ضريب شکست به صورت دقيق در يک ماده مي تواند در بسياري از کاربردهاي نوري مانند تلسکوپ، وسايل اپتوالکتريکي (optoelectronic devices)و سنسورها کاربرد دارند.
6-اشعه ي پراکني جسم سياه (black body radiation)
محققين اين نظر را دارند که جسم سياه مکانيک کوانتم را متحول مي کند.
مترجم : حبیب الله علیخانی
سراميک ها و مواد اپتيکي
مواد با انعکاس طول موج مشخص نور، شفافيت و يا ديگر خواص اپتيکي شامل گستره ي وسيعي از ترکيبات شيشه (glass compositions)، شيشه سراميک ها (glass ceramics) و سراميک هاي ويژه هستند. اين مواد در صدها محصول مختلف از صنايعي چون فضا هوايي (aeroSPace)، ارتباطات از راه دور (Telecommunications)، الکترونيک (electronics)، پزشکي و نظامي ديده مي شوند.
مواد شيشه اي،لنزهاي توپي (ball lenses)، لنزهاي شبه کروي (aspheric lenses) و ديگر انواع مواد سراميکي در وسايل ارتباطي و مخابراتي اپتيکي استفاده مي شوند. ديگر توليدات داراي قطعات سراميکي شامل: آينه هاي مخصوص تلسکوپ (telescope mirrors)، ليزرها (Lesers)، وسايل فوتونيک (photonic device)، سيستم هاي تصويربرداري (Imaging systems)، لوله هاي پرتوي کاتودي (Cathode ray tubes)، صفحه هاي تخت براي مانيتورهاي کامپيوتر و تلويزيون، پنجره ها و يا رادارهاي مادون قرمز و مواد شيشه اي براي صفحات نمايش کريستال مايع مي شوند.
کاربردهاي متداول اين مواد شامل دوربين هاي دوچشمي، دوربين هاي 35 ميلي متري داراي سه پايه، سيستم هاي پيشرفته ي تصويربرداري (APS) براي دوربين هاي فيلم برداري و عکس برداري ساکن، لنزهاي قابل تنظيم، پروژکتورهاي ديجيتال (digital Projectors) مي شود.
براي بيش از 35 سال، يک نوع خاص از شيشه سراميک هاي داراي انبساط کم براي توليد آينه تلسکوپ هاي چرخان مانند تلسکوپ کاوشگر مريخ (HRISE) و يا تلسکوپ keck در هاوايي استفاده شده است.
آينه هاي شيشه سراميکي کمک به کشف فضاي بيرون از جو مي کنند
يک نوع خاص از شيشه سراميک ها که داراي انبساط حرارتي کم هستند توسط American Schott North ساخته شده است. اين نوع شيشه سراميک در رصدخانه ها کاربرد دارد. اين مواد در ساخت آينه هاي اوليه و ثانويه ي رصدخانه ها استفاده مي شود. اگر بخواهيم دقيق تر بررسي کنيم اين آينه ها در تداخل سنج اين رصدخانه ها کاربرد دارد. که اين تداخل سنج هاي چندگانه ي تلسکوپي توانايي ترکيب تصاوير را به طور قابل ملاحظه اي بالا مي برد. يک نمونه از اين شيشه سراميک ها در سال 2008 و در نيومکزيکو براي ساخت يک رصدخانه استفاده شد که از اين رصدخانه اصولاً براي کارهاي تحقيقاتي در فضاي بسيار دور استفاده مي شود. همچنين از اين رصدخانه براي مطالعات بر روي اشياء مورد علاقه ي دانشمندان در بيرون از منظومه ي شمسي مانند انفجارات عظيم و سياه چاله ها نيز استفاده مي شود.
SCHOTT اخيراً يک ماده ي شبه شيشه سراميکي را در يک مقاله معرفي کرده است که خواصي بهبود يافته دارد. اين نوع ماده ي شبه شيشه سراميکي بخاطر عمليات حرارتي خاصي که بر روي آن انجام مي شود مقاومت حرارتي بالاتري نسبت به نوع معمولي خود دارد. خاصيت منحصر به فرد اين شيشه- سراميک انبساط حرارتي نزديک به صفر آن است.
فرايند استحاله ي گرمايي انجام شده بر روي اين شيشه- سراميک، باعث توليد يک شيشه - سراميک مي شود که بيش از 90 درصد keatite و نوع خاصي از سيليکا (silicon Oxide ) دارد. ساختار کريستالي keatite باعث مي شود که دماي کاربري اين نوع شيشه- سراميک بالاتر رود و به دماي 850 درجه سانتي گراد برسد. همچنين از اين شيشه- سراميک مي توان به مدت زمان طولاني تري (در دماي 850c درجه) استفاده کرد.
بدليل خواص جالب اين شيشه- سراميک کاربردهاي آن افزايش يافته است که از جمله کاربردهاي اين مواد مي توان موارد زير را نام برد:
1-قطعات مکانيکي و اپتيکي سيستم هاي ليزري انرژي بالا
2-مواد مورد استفاده در قالب ها در فرآيند شکل دهي دما بالا
3- اجزاي موتورهاي سراميکي
4- استانداردهاي سنجش براي پويشگرهاي مکانيکي و نوري
5- اجزاي رصدخانه ي ناسا (NASA'S Constellation X telescope) در مورد استفاده ي شيشه- سراميک هاي با انبساط حرارتي نزديک به صفر در رصدخانه ي ناسا بايد گفت که اين رصدخانه داراي ترکيبي از چندين تلسکوپ اشعه ي x است که با کارکردن هماهنگ آنها تلسکوپ بزرگي با قدرت مشاهده ي خيلي زياد پديد مي آيد. با اين تلسکوپ پر قدرت دانشمندان مي توانند سياه چاله ها، تئوري انيشتين در مورد نسبيت عمومي، ايجاد کهکشان راه شيري، فرضيه ي سير نظامي جهان (بزرگ شدن جهان)، ماده ي سياه و انرژي سياه را بررسي کنند. شبيه به تمام تلسکوپ هاي اشعه ي x، تلسکوپ اشعه ي x ناسا نيز بايد در فضا قرار گيرد زيرا اشعه ي x نمي تواند از اتمسفر زمين عبور کند. در هنگام ساخت تلسکوپ ناسا، دانشمندان مي خواستند تلسکوپ اشعه ي ايکسي بسازند که بزرگي آن به اندازه ي تلسکوپ هاي زميني باشد. تا بتوانند اشعه ايکس بيشتري جذب کنند. اين نياز موجب شد تا تلسکوپ چندگانه ي بي نظيري در ناسا ساخته شود. با ترکيب 4 تلسکوپ، تلسکوپي بوجود آمد که حساسيتش 100 برابر بزرگتر از هر تلسکوپ اشعه ي x ماهواره هاي فضايي ساخته شده در قبل و اکنون است.
با بوجود آمدن اين تلسکوپ، دانشمندان توانستند اطلاعاتي را که بايد در مدت چند روز و يا هفته جمع آوري کنند، در يک ساعت بدست آورند.
حيله هاي سراميکي کوچک
يک تيم از محققان انستيتوي پلي تکنيک Ransselaer براي اولين بار ماده اي را توليد کردند که هيچ نوري را از خود انعکاس نمي دهد. اين پوشش هاي اپتيکي از ماده اي ساخته شده اند که قابليت گسترده اي براي بهبود خواص آن وجود دارد. اين مواد جديد داراي ضريب شکستي نزديکي به ضريب شکست هوا هستند از اين رو موادي ايده آل براي بخش هاي ساختاري پوشش هاي ضد انعکاس هستند. اين مواد ضريب شکست 1.05 را دارند که اين ضريب شکست تقريباً با ضريب شکست هوا برابر است. البته ضريب شکست کمتر از اين مقدار نيز براي اين ماده گزارش شده است.
با استفاده از يک تکنيک که به آن oblique angle deposition مي گويند، محققان نانوميله هاي سيليکايي (Sid2 nanorods) را در زاويه ي 45 درجه بر روي يک فيلم نازک از آلومينيوم نيتريد (ALN) رسوب مي دهند. اين ماده که نوعي سراميک نيمه رساناست براي ساخت ديودهاي ساطع کننده ي نور پيشرفته (advanced light-emitting diodes) استفاده مي شود. اين تکنيک به محققين اجازه مي دهد تا همه ي انواع طول موج ها در همه ي جهات ورودي را کاهش دهند. و يا به طور کامل آنها را حذف کنند. اگرچه پوشش هاي ضد انعکاس سنتي به طور وسيع مورد استفاده قرار مي گيرند ولي در صورتي درست کار مي کنند که از يک طول موج استفاده شود و منبع نور نيز بر ماده عمود باشد. پوشش هاي اپتيکي جديد در هر کاربردي که نور از ميان داده عبور کند مي تواند مورد استفاده قرار گيرد که در زير تعدادي از اين کاربردها بيان شده است:
1-پيل هاي خورشيدي با بازده بيشتر
پوشش هاي جديد مي توانند مقدار نور رسيده به ناحيه ي فعال سلول را افزايش دهند. اين افزايش تا حدود چندين درصد نيز برآورد شده است که مي تواند موجب افزايش تعداد برخوردهاي موثر گردد. و در نتيجه عملکرد سلول را بالا ببرد.
2-ديودهاي ساطع کننده ي نور درخشنده تر (Brighter LEDS)
LED ها به طور فزاينده اي در چراغ هاي راهنمايي (علائم راهنمايي)، روشنايي اتومبيل ها و علائم خروج استفاده مي شوند. که علت اين استفاده مصرف کمتر برق اين وسايل و زمان بيشتر کاربري آنها نسبت به فلئورسنت هاي سنتي و لامپ هاي رشته اي است. اما LED هاي کنوني هنوز به اندازه ي کافي درخشان نيستند تا بتوان آنها را با لامپ هاي حبابي استاندارد جايگزين نمود.
محدود کردن انعکاس مي تواند روشنايي LED ها را بهبود ببخشد که اين کار نيز مي تواند جايگزيني منابع نوري سنتي را با تعديل محيط هاي خاص (مثل LED ها) تسريع ببخشد.
3- نورپردازي هوشمند (Smort lighting)
نورپردازي هوشمند به طور وسيع با بهبود خواص نوري مواد، کنترل مي شود. که مي تواند اجازه دهد منابع نور با محيط هاي خاص تطابق پيدا کنند.
4- اينترکانکت هاي نوري (optical interconnects)
براي بسياري از کاربردهاي محاسبه کننده، اين يک ايده است که براي ارتباط از فوتون ها استفاده شود. برخلاف الکترون ها که فقط در مدار الکتريکي جريان دارند براي جلوگيري از نفوذ فوتون در مواد مختف اين پوشش ها بسيار مفيد هستند. و ما مي توانيم از آنها براي کنترل و جهت دهي به فوتون ها استفاده کنيم.
5-آينه هاي با انعکاس بالا (high- reflectance mirrors)
قابليت کنترل ضريب شکست به صورت دقيق در يک ماده مي تواند در بسياري از کاربردهاي نوري مانند تلسکوپ، وسايل اپتوالکتريکي (optoelectronic devices)و سنسورها کاربرد دارند.
6-اشعه ي پراکني جسم سياه (black body radiation)
محققين اين نظر را دارند که جسم سياه مکانيک کوانتم را متحول مي کند.