فناوری فوتونیک (photonics) چیست و چه کاربردی دارد؟

فناوری فوتونیک یکی از بهترین روش‌های جمع‌آوری اطلاعات در حوزه‌های مختلف مانند هوا و فضا، امور دفاعی، پزشکی و غیره استفاده از تصویربرداری است. فوتونیک (photonics) یکی از رشته‌های مهندسی است که در سال‌های اخیر بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد. این علم از طریق نور، طول موج‌ها را تبدیل به اطلاعات قابل‌درک می‌کند.

کاربرد فناوری فوتونیک چیست؟

یکی از وظایف مهم علم فوتونیک در زندگی انسان امروز، پر کردن خلاء‌های ناشی از حوزه الکترونیک است که به دلیل گسترش روز افزون این نیاز‌ها، تکنولوژی سابق دیگر قادر به تأمین آن‌ها نیست. فناوری فوتونیک در این قسمت وارد عمل شده تا به بهترین شکل ممکن و با بیش‌ترین سرعت، نیاز‌های بشر را تأمین کند. به‌طور مثال در افزایش پهنای‌باند اینترنت جهت انتقال داده‌ها از فیبر‌های نوری استفاده شده است که تقریباً سرعت آن ده‌ها برابر بیش‌تر از سرعت برق است و می‌تواند در کم‌ترین زمان، اطلاعات را انتقال بدهد. در ادامه به کاربرد علم فوتونیک (photonics) در حوزه‌های مختلف اشاره خواهیم کرد:

1-لیزر‌ها

لیزر‌ها، پرتو‌های کانونی و متمرکزی هستند و در مواردی مانند تصویربرداری، اسکنر بارکد، فناوری‌های سنجش از راه‌دور ، جراحی‌های پزشکی و بسیاری از زمینه‌های دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. لیزر‌ها می‌توانند دارای طول موج کوتاه چند نانومتری باشند یا حتی چندین کیلومتر را مورد پوشش قرار بدهند.

2-لنز‌ها

نور در اثر عبور از لنز‌ها شکسته شده، با توجه به نوع شکل‌دهی آن‌ها نور را پراکنده یا متمرکز می‌کنند. در ساخت لنز‌ها از موادی مانند شیشه کوارتز، پلاستیک و شیشه کالکوژنید استفاده شده است. کاربرد لنز‌ها بیش‌تر در زمینه کنترل حرارت یا پایداری با در نظر گرفتن طول موج‌های مختلف است.

3-بینایی ماشین

یکی دیگر از حوزه‌های تحت پوشش فناوری فوتونیک، بینایی ماشین است. جهت تبدیل اطلاعات دریافتی از یک تصویر، از فرآیند حسگر نوری استفاده می‌کنند. از این فناوری توسعه‌یافته در زمینه‌هایی مانند تولید، تصویربرداری پزشکی و ایمنی در خودرو‌های پیشران استفاده می‌شود.

4-اندازه‌گیری

علم اندازه‌گیری با تکیه بر فوتونیک توانسته تمامی زاویه‌ها، توپوگرافی، طول موج‌ها را با دقت بسیار بالایی مورد اندازه‌گیری قرار بدهد. از فناوری‌های توسعه یافته این حوزه می‌توان به فاصله‌سنجی نوری، زمان پرواز، طیف‌سنجی و غیره اشاره کرد.

5-میکروسکوپ‌ها

لازم به ذکر است که علم اپتیک شاخه‌ای از فیزیک است که برای مشاهده اشیاء و پدیده‌های بسیار کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد. این حوزه علمی با کمک فناوری فوتونیک به تصاویر اجازه می‌دهد تا وضوح بالاتری نسبت به حد مجاز داشته باشد.

6-حس‌گر‌های صنعتی

کار حس‌گر‌ها به این‌صورت است که نور را به سیگنال الکترونیکی تبدیل می‌کنند تا توسط رایانه‌های مخصوصی تفسیر شوند. از این فناوری در زمینه‌هایی مانند: اندازه‌گیری تغییرات نور، دما، فشار، ایجاد الکتریسیته و موقعیت‌یابی استفاده می‌کنند.

7-طیف‌سنجی

هر چیزی مانند اثر انگشت طیف منحصر بفردی دارد که از انواع طیف‌سنجی می‌توان به مادون قرمز و فرابنفش اشاره کرد.

8- صنعت هوا فضا

هواپیما‌های بدون سرنشین، ماهواره‌ها، اطلاعات هوایی و فضایی به وسیله فناوری فوتونیک توسعه پیدا کرده‌اند. به‌طور مثال تکنولوژی بکار رفته در هواپیمای بدون سرنشین در برخی موارد از دوربین‌های حرارتی استفاده شده است و حتی ماهواره‌ها با استفاده از سنسور‌های خاصی شرایط زمین و فضا را بررسی می‌کنند.

 9-صنعت کشاورزی

تکنولوژی که در زراعت و اقدامات مؤثر در صنعت کشاورزی مورد استفاده قرار گرفته است و این امکان را فراهم می‌کند تا در محیطی بدون خاک هم گیاهان بسیاری را کشت دهند.

10-پزشکی و زیست‌شناسی

به وسیله فوتونیک در حوزه پزشکی می‌توان سریع‌تر به تشخیص بیماری دست یافت. آندوسکوپی، امکان جراحی‌های ایمن هم از دیگر مزیت‌های استفاده از این علم در حوزه پزشکی است. ناگفته نماند تکنیک‌های مهم دیگری از جمله تصویربرداری OCT در تشخیص بیماری آلزایمر نقش بسزایی دارند.

11- انرژی پاک

صفحات خورشیدی، اشعه خورشید را طی فرآیندی جذب کرده و آن‌ها رابه الکتریسیته تبدیل می‌کنند. در واقع این تبدیل انرژی نوعی انرژی پاک است که در طولانی مدت می‌تواند تأثیر مثبتی روی محیط‌زیست داشته باشد.

12-مخابرات و اطلاعات

استفاده از فیبر نوری در ارتباطات باعث برقراری همزمان میلیون‌ها تماس و افزایش سرعت اینترنت در جهان شده است. ارتباطات بین سیاره‌ای از دیگر تحولات فناوری فوتونیک است.

13-نورپردازی

امروزه به دلیل مقرون به‌صرفه بودن LED‌ها تمرکز بر تولید آن‌ها افزایش یافته است و علت اصلی آن هم این است که لامپ‌های ال‌ئی‌دی ماندگاری و وضوح بیش‌تری در نمایشگر‌ها ایجاد می‌کنند.

14-لوازم الکترونیکی مصرفی

تلفن‌های هوشمند، نمایشگر‌های OLED، لیزر‌ها، دوربین‌های عکاسی و غیره از جمله مواردی هستند که از طریق علم فوتونیک توسعه پیدا کرده‌اند.

15-تولید و حمل و نقل

ربات‌های بخش تولید کارخانه‌ها جهت مونتاژ و همچنین لیزر‌هایی با فرکانس بالا در صنعت جوشکاری همگی دستاورد علم مهندسی نور می‌باشند. امروزه در وسایل نقلیه نقش فناوری فوتونیک بیش از پیش پررنگ شده است. تکنیک‌هایی مانند سنجش نور که در تشخیص نقاط کور مورد استفاده قرار می‌گیرد.

16-پلاسمونیک

به زیر مجموعه‌ای از فوتونیک‌ها که پلاسمون‌ها (واحد کوانتومی پلاسما) را مورد مطالعه قرار می‌دهند، پلاسمونیک گفته می‌شود. از کاربرد‌های پلاسمونیک می‌توان به تصویربرداری با طول موج زیر صوت، ابر‌لنز‌ها و سلول‌های خورشیدی اشاره کرد.

17- اپتوژنتیک

استفاده از نور به منظور کنترل سلول‌های عصبی اصلاح شده در بافت زنده را اپتوژنتیک می‌گویند. این روش طی فرآیند خاصی به درمان اعتیاد، اضطراب وغیره کمک می‌کند.

18-کاربرد فوتونیک در صنعت پوشاک

امروزه می‌توان رده‌پای فناوری فوتونیک را در پوشاک نیز مشاهده کرد. لباس‌هایی که پارامتر‌های متناسب با اندام فرد را در اختیار پزشک قرار می‌دهند یا استفاده از میکرو ال‌ئی‌دی‌هایی که جهت انعطاف در لباس‌ها استفاده می‌شوند، همگی نشان‌دهنده رشد صنعت پوشاک در کنار این علم جدید است.

19-فوتونیک در کشاورزی هوشمند

افزایش رشد جمعیت و کاهش منابع آب و خاک برای زراعت، عوامل مهمی هستند که باعث شده تا امروزه در حوزه کشاورزی با کمک فناوری فوتونیک به دنبال شیوه‌های جدید کشاورزی باشیم.

مدیریت نور و کشت هیدروپونیک در پروژه‌های گلخانه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد و همانطور که قبلاً به آن اشاره کردیم امکان آن را فراهم می‌کند تا در فضایی که خاک وجود ندارد کشت گیاهان را به راحتی انجام بدهیم. با استفاده از علم فوتونیک کشاورزان می‌توانند به میزان قابل توجهی به سود‌دهی برسند و از طرفی دیگر در طی تولیدات کشاورزی آسیب کم‌تری هم به محیط‌زیست و حیات‌وحش وارد شود.

طبق آمار سازمان ملل به‌صورت تقریبی صنعت کشاورزی ۷۰% از آب جهان را مصرف می‌کند و ۲۴% از گاز‌های گلخانه‌ای را در دنیا تولید می‌کند که رقم بالایی در سال ۲۰۱۵ محسوب می‌شد. امروزه از طریق فوتونیک، کشاورزی هوشمند توسعه پیدا کرده و باعث شده تا مواد مغذی ایمن و ارزان در اختیار جوامع قرار بگیرد.

از جمله تأثیرات مهم فوتونیک در کشاورزی هوشمند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1-تعیین سطح پروتئین در محصولات مرتبط با گندم‌ها

2-بررسی آلودگی ممکن در میوه‌ها و سبزیجات

3-بررسی کیفیت آب

4-استفاده از حسگر‌های بکار رفته در پهباد‌ها و ماهواره‌ها جهت نقشه‌برداری از زمین‌های کشاورزی

5- بررسی زمان برداشت محصولات جهت جلوگیری از پسماند‌های حاصل از برداشت و توزیع محصولات

امروزه با رشد سریع جمعیت و تغییرات اقلیمی، علم جدید فوتونیک می‌تواند به عنوان ناجی بشریت وارد عرصه شود. اغلب صنایع دنیا در سایه این فناوری به رشد و توسعه دست یافته‌اند. علمی که در وهله اول از محیط‌زیست حمایت می‌کند و به سرعت هم در حال گسترش است.