ضوئيات

يرتبط علم الضوئيات ارتباطا وثيقا بالبصريات. ومع ذلك فإن البصريات سبقت الاكتشاف المتمثل في أنه يمكن حساب الضوء بلغة ميكانيكا الكم (عندما قام ألبرت أينشتاين (Albert Einstein) بشرح التأثير الكهروضوئي في عام 1905). وتشمل أدوات البصريات العدسة العاكسة والمرآة العاكسة والعديد من المكونات البصرية المعروفة قبل عام 1900. ولا تعتمد المبادئ الرئيسية للبصريات الكلاسيكية، مثل مبدأ هيغنز ومعادلات ماكسويل ومعادلات الموجة، على الخصائص الكمية للضوء.

ويرتبط علم الضوئيات بالبصريات الكمية والميكانيكا البصرية والبصريات الكهربائية والإلكترونيات البصرية والإلكترونيات الكمية. ومع ذلك، لكل مجال دلالات مختلفة اختلافا قليلا باختلاف المجتمعات العلمية والحكومية وفي السوق. وتشير البصريات الكمية عادة إلى الأبحاث الأساسية، في حين أن الضوئيات تستخدم للإشارة إلى البحوث التطبيقية وعمليات التطوير.

ويشير المصطلح الضوئيات على نحو أكثر تحديدا إلى:

• الخصائص الجسيمية للضوء،
• القدرة على ابتكار تقنيات لمعالجة الإشارات باستخدام الفوتونات،
• التطبيق العملي للبصريات،
• التناظر مع الإلكترونيات.

يشير المصطلح الإلكترونيات البصرية إلى الأجهزة أو الدوائر التي تتألف من وظائف كهربائية وبصرية على حد سواء، أي الأجهزة ذات المادة الفيلمية الرقيقة من أشباه الموصلات. ودخل مصطلح البصريات الكهربائية حيز التنفيذ في وقت سابق ويشمل على نحو محدد التفاعلات الكهربائية-البصرية غير الخطية التطبيقية، على سبيل المثال، أجهزة التضمين الكريستالية مثل خلية بوكلز، ولكنها تتضمن أيضا أجهزة استشعار التصوير المتقدمة التي تستخدم عادة لأغراض المراقبة من قبل مؤسسات مدنية أو حكومية.

ترتبط الضوئيات كذلك بعلوم المعلومات الكمية الناشئة في تلك الحالات التي تستخدم فيها الأساليب الضوئية. ومن بين المجالات الناشئة الأخرى علم الفيزياء النووية-البصرية، التي تقوم فيها الأجهزة الضوئية بدمج الأجهزة الفوتونية والأجهزة الذرية لإجراء تطبيقات مثل ضبط الوقت بدقة وعلم القياس والموازين؛ ونظام polaritonics، الذي يختلف عن الضوئيات من حيث أن حامل المعلومات الأساسي هو البولاريتون، وهو مزيج من الفوتونات والفونونات، ويعمل في نطاق ترددي من 300 جيجاهرتز إلى 10 تيراهرتز تقريبا.

مصادر الضوء المستخدمة في الضوئيات عادة ما تكون أكثر تطورا من المصابيح الكهربائية. وعادة ما تستخدم الضوئيات مصادر الضوء من أشباه الموصلات مثل الصمامات الثنائية المشعة للضوء (LEDs) والصمامات الثنائية فائقة الإشعاع الضوئي والليزر. ومن بين مصادر الضوء الأخرى مصابيح الفلورسنت ومصابيح الأشعة المهبطية (CRTs) وشاشات البلازما. يرجى ملاحظة أنه في حين أن مصابيح الأشعة المهبطية وشاشات البلازما وشاشات الصمام الثنائي المشع للضوء العضوي تقوم بتوليد الضوء الخاص بها، فإن شاشات الكريستال السائل (LCDs) مثل شاشات TFT تتطلب ضوء خلفيا من مصابيح الفلورسنت ذات القطب البارد أو، الأكثر شيوعا اليوم، الصمامات الثنائية المشعة للضوء.

وتتميز الأبحاث التي يتم إجراؤها على مصادر الضوء من أشباه الموصلات بالاستخدام المتكرر لأشباه الموصلات من نوع 3-4 بدلا من أشباه الموصلات الكلاسيكية مثل السيليكون والجيرمانيوم. وهذا يرجع إلى الخصائص الخاصة التي تتمتع بها أشباه الموصلات من نوع 3-4 التي تتيح تنفيذ الخدمات المشعة للضوء. ومن الأمثلة على أنظمة المواد المستخدمة زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وزرنيخيد ألومنيوم غاليوم (AlGaAs) أو غيره من أشباه الموصلات المركبة الأخرى. كما أنها تستخدم بالاشتراك مع السيليكون لإنتاج ليزر السيليكون الهجين.

يمكن نقل الضوء عبر أي وسيط شفاف. ويمكن استخدام الألياف الزجاجية أو الألياف الضوئية البلاستيكية لتوجيه الضوء على طول المسار المطلوب. وفي الاتصالات البصرية تتيح الألياف البصرية مسافات إرسال تزيد على 100 كم دون تضخيم وذلك اعتمادا على معدل البت ونسق التعديل المستخدم للإرسال. ومن بين الموضوعات البحثية المتقدمة للغاية في مجال الضوئيات أبحاث وتصنيع الهياكل الخاصة و«المواد» التي تتمتع بخصائص بصرية هندسية. ومن هذه المواد الكريستالات الضوئية والألياف الكريستالية الفوتونية والميتاماتريال.

تستخدم المضخمات البصرية لتضخيم إشارة بصرية. والمضخمات الضوئية المستخدمة في الاتصالات الضوئية هي مضخمات الألياف المطعمة بالإربيوم والمضخمات الضوئية من أشباه الموصلات ومضخمات رامان والمضخمات الضوئية البارامترية. ومن الموضوعات البحثية المتقدمة للغاية في مجال المضخمات الضوئية البحث حول المضخمات الضوئية من أشباه الموصلات ذات النقطة الكمية.

تقوم أجهزة الكشف الضوئية بالكشف عن الضوء. وتتراوح أجهزة الكشف الضوئية من الصمامات الثنائية الضوئيةالخاصة بتطبيقات الاتصالات والأجهزة المتصلة بالشحنات متوسطة السرعة (CCDs) الخاصة بالكاميرات الرقميةوصولا إلى الخلايا الشمسية شديدة البطء التي تستخدم لتجميع الطاقة من أشعة الشمس. وهناك أيضا العديد من أجهزة الكشف الضوئية الأخرى التي تقوم على المؤثرات الكيميائية والكمية والكهروضوئية وغيرها من المؤثرات الأخرى.

يستخدم تعديل مصدر الضوء لترميز المعلومات الخاصة بمصدر الضوء. ويمكن تحقيق التعديل عن طريق مصدر الضوء مباشرة. ومن أسهل الأمثلة على ذلك استخدام الضوء الوميضي لإرسال شفرة مورس. وثمة طريقة أخرى وهي أخذ الضوء من أحد مصادر الضوء وتعديله في جهاز تعديل ضوئي خارجي.

وثم موضوع إضافي تشمله الأبحاث الخاصة بالتعديل وهو تنسيق التعديل. وكان تزرير التشغيل-إيقاف التشغيل (On-off keying) هو تنسيق التعديل الشائع في الاتصالات الضوئية. وفي السنوات الأخيرة تم إجراء أبحاث على تنسيقات تعديل أكثر تطورا مثل تزرير إزاحة الطور أو حتى تقسيم التردد المتعامد المتعدد لمواجهة تأثيرات مثل التشتت الذي يؤدي إلى تدهور جودة الإشارة المرسلة.

يتضمن علم الضوئيات أيضا أبحاثا على الأنظمة الضوئية. وعادة ما يستخدم المصطلح لأنظمة الاتصال الضوئي. وينصب تركيز هذا المجال من الأبحاث على تنفيذ الأنظمة الضوئية مثل الشبكات الضوئية عالية السرعة. كما يتضمن هذا أبحاثا حول المجددات الضوئية، التي تعمل على تحسين جودة الإشارة الضوئية.

• EURO-FOS - شبكة البحوث الأوروبية حول الأنظمة الضوئية
• ePIXnet - الشبكة الأوروبية للتميز بشأن العناصر والدوائر المتكاملة الضوئية
• BONE - بناء الشبكة البصرية المستقبلية في أوروبا

• البصريات والضوئيات: دور الفيزياء في تعزيز حياتنا من مطبوعات معهد الفيزياء

• بوابة هندسة
• بوابة اتصال عن بعد
• بوابة الفيزياء
• بوابة بصريات
• بوابة تقنية النانو