-
معرفی رشته
-
مهندسی فوتونیک
فوتونیک چیست
-
طیف الکترومغناطیسی
-
تفاوت اپتیک و فوتونیک چیست
-
رشته فوتونیک مناسب چه کسانی است
-
کدام دروس دوره دبیرستان در رشته فوتونیک بیشترین کاربرد دارند
-
مهارتهای رفتاری لازم برای تحصیل و کار در رشته فوتونیکگرایش های رشته مهندسی فوتونیک برای ادامه تحصیل چه هستند
-
مهندسی الکترواپتیک چه رشتهای است
-
نانو فوتونیک
-
دروس آزمون کارشناسی ارشد رشته فوتونیک
-
مهمترین دروس دانشگاهی رشته فوتونیک چه هستند
-
دروس مبانی الکترومغناطیس نوری
⭕️معرفی رشته مهندسی فوتونیک:
✅به کلمه فوتونیک دقت کنید. این کلمه از لغت فوتون به معنای بستههای گسسته انرژی امواج الکترومغناطیسی و منشأ تولید این امواج، گرفته شده است. بنابراین، در رشته فوتونیک با فیزیک نوری و اپتیک آشنا میشویم. دانشجو با تحصیل در این رشته با کاربرد نور در صنایع مختلف مانند پزشکی و مخابرات آشنا میشود. دانشجوی محصل در رشته فوتونیک با خواندن دروس لازم به توانایی ساخت فیبرهای نوری میرسد. با استفاده از این فیبرها میتوانیم حجم وسیعی از اطلاعات را در کسری از ثانیه به مسافتهای بسیار دور منتقل کنیم.
بارها کلمه فیبر نوری را از تلویزیون شنیدهاید. حتی ممکن است با این جمله روبرو شده باشید که اینترنت منطقه شما به دلیل قطعی در مسیر فیبر نوری تا اطلاع بعدی با اختلال مواجه است. به طور حتم از خود پرسیدهاید فیبر نوری چیست و چه کاری انجام میدهد. فیبر نوری وسیلهای برای انتقال اطلاعات به مسافتهای بسیار دور در کسری از ثانیه است. اگر کسی به عملکرد فیبرهای نوری و چگونگی ساخت آنها علاقه داشته باشد، میتواند با تحصیل در رشته فوتونیک به خواسته خود برسد. در رشته فوتونیک ماهیت ذرهای نور را در نظر میگیریم و سعی میکنیم با دستکاری فوتونها، فناوری جدیدی ایجاد کنیم.
⭕️فوتونیک چیست؟
✅ علم نور و کاربرد ذرات نور، یعنی فوتونها است. در این علم، فوتونها دستکاری میشوند. به کوچکترین واحد اندازهگیری هر کمیت فیزیکی، فوتون میگوییم. به عنوان مثال، کوانتای نور، فوتون و کوانتای الکتریسیته، الکترون است. فوتونیک بر تولید، آشکارسازی، انتقال و دستکاری نور در موقعیتهایی که ماهیت ذرهای آن ضروری است، متمرکز میشود. رشته فوتونیک در دهه ۶۰ میلادی متولد شد و پس از آن، تحول بزرگی در فناوری نوری به وجود آمد.
فوتونیک از فناوریهای مختلفی ساخته شده است:
اپتیک
الکترونیک
لیزر
آشکارسازها
فیبرهای نوری
مواد
کوانتوم
فتونیک و اپتیک
اندکی پس از تولد این رشته، لیزر، یکی از مهمترین اختراعات قرن ۲۱ میلادی، کشف شد. الکترونیک تحولی بزرگی در قرن بیستم میلادی ایجاد کرد و فوتونیک کار مشابهی را در قرن بیستویکم میلادی انجام داد. به این نکته توجه داشته باشید که اپتیک یکی از بخشهای فوتونیک است، اما با آن تفاوت دارد. علم اپتیک در حدود ۱۰۰۰ سال است که پا به عرصه وجود گذاشته است. فیزیکدانان در قرنهای گذشته توانستند با استفاده از اپتیک، میکروسکوپ نوری را اختراع کنند. اما فوتونیک علمی کاملا نوین است که در آن از اپتیک و قوانین حاکم بر آن نیز استفاده شده است.
نور در اپتیک به صورت موج پیوسته در نظر گرفته میشود، اما تعریف نور در فوتونیک کمی متفاوت است و در تعریف آن در از فیزیک کوانتوم استفاده میکنیم. بر طبق اصل دوگانگی موج و ذره میدانیم، نور علاوه بر رفتار موجی، میتواند رفتار ذرهای نیز از خود نشان دهد. ذرات تشکیلدهنده نور، فوتون نام دارند. بنابراین، رشته فوتونیک را میتوان رشته مهندسی فوتون نیز نامید. شاید از خود پرسیده باشید نور چیست؟ آیا نور همان فوتون است؟ نور، انرژی و بخشی از طیف امواج الکترومغناطیسی است. چشم انسان به گونهای تحول یافته است که میتواند به راحتی نور را ببیند و تشخیص دهد. نور به بخش بسیار کوچکی از امواج الکترومغناطیسی میتواند واکنش نشان دهد. به طیف الکترومغناطیسی نشان داده در تصویر زیر توجه کنید. چشم انسان میتواند رنگهای قرمز تا آبی را مشاهده کند.
⭕️طیف الکترومغناطیسی بسیار وسیعتر از محدوده دید انسان است. فوتونیک محدوده فروسرخ تا فرابنفش را در برمیگیرد. به هنگام کار با نور باید بدانیم:
✅نور، انرژی و بخشی از طیف الکترومغناطیسی است که از خود رفتار موجی و ذرهای نشان میدهد.
با مواد با ساختارهای متفاوت برهمکنش میکند.
🛑توجه به این نکته مهم است که نور همزمان ذره و موج نیست، بلکه میتواند رفتار موجی و ذرهای را از خود نشان دهد. در ابتدا این بخش اشاره کردیم که لیزر در دهه ۶۰ میلادی اختراع شد. با اختراع لیزر تحول بزرگی در فناوری الکترونیک و مخابرات رخ داد.
⭕️تفاوت اپتیک و فوتونیک چیست؟
✅در بیشتر مواقع اپتیک و فوتونیک به جای یکدیگر استفاده میشوند، اما باید بدانیم که هر یک از آنها معنای مستقلی دارند. اپتیک یکی از شاخههای بسیار گسترده و وسیع از فیزیک است. در اپتیک رفتار کلی نور و مشخصههای آن مطالعه میشود، اما فوتونیک یکی از زیر شاخههای اپتیک است که در آن علم و فناوری فوتونها را مطالعه میکنیم. فوتونیک رابطه بسیار نزدیکی با اپتیک کوانتومی دارد. اپتیک کوانتومی مطالعه نور در حالتی است که ماهیت کوانتومی یا ذرهای آن در نظر گرفته میشود. تفاوت فوتونیک و اپتیک کوانتومی را بیشتر میتوان از دیدگاه فناورانه بررسی کرد. اپتیک کوانتومی بیشتر نظری است. در مقابل، فوتونیک از مفاهیم مطرح شده در اپتیک کوانتومی برای کشف، طراحی و ساخت کاربردهای عملی استفاده میکند.
⭕️رشته فوتونیک مناسب چه کسانی است؟
✅برای تحصیل در هر رشته، دانشجو علاوه بر داشتن پیشنیاز علمی لازم، باید پارامترهای رفتاری موردنیاز برای آن رشته را نیز داشته باشد. بنابراین، برای ادامه تحصیل در رشته فوتونیک در مقطع کارشناسیارشد، نهتنها باید با فیزیک، کوانتوم، اپتیک و الکترونیک آشنا باشیم، بلکه باید از نظر رفتاری بتوانیم کار در محیطهای کاری مرتبط را مدیریت و کنترل کنیم.
⭕️کدام دروس دوره دبیرستان در رشته فوتونیک بیشترین کاربرد دارند؟
✅از آنجا که رشته فوتونیک از دوره کارشناسیارشد شروع میشود، دروس دبیرستان تاثیر زیادی بر درسهای تدریس شده در این رشته ندارند. اما داشتن پایه ریاضی و فیزیک قوی در دوره دبیرستان به موفقیت در این رشته کمک میکند.
⭕️مهارت های رفتاری لازم برای تحصیل و کار در رشته فوتونیک:
✅در نخستین گام و برای شروع کار در هر محیطی باید انعطافپذیر باشید و بتوانید خود را برای شرایط کاری متفاوت و غیرقابلپیشبینی آماده کنید. شما در محیط کار با انسانهای مختلفی با رفتارهای کاملا متفاوت روبرو میشوید. برخی از این رفتارها ممکن است به مذاق شما خوش نیایند، بنابراین باید بتوانید در کمال خونسردی و حفظ ظاهر به کار خود مشغول باشید و تمرکز خود را از دست ندهید. شما به عنوان فارغالتحصیل رشته فوتونیک در مقطع کارشناسیارشد یا دکتری در محیطهای مختلفی مانند آزمایشگاههای تحقیقاتی، پژوهشگاههای اپتیک و لیزر، شرکتهای دانشبنیان و کارخانههای مختلف ممکن است مشغول به کار شوید. کار کردن در هر یک از این محیطها رفتار جداگانهای را میطلبد.
اما در حالت کلی باید بتوانید خود را با قوانین و شرایط حاکم بر هر محیط کاری وفق دهید. ابتدا در مورد مهارتهای رفتاری لازم برای کار در محیطهای مختلف صحبت و سپس مهارتهای هر محیط کار را به صورت جداگانه در بخشهای بعد با یکدیگر بررسی میکنیم:
✅خلاقیت: یکی از عاملهای موفقیت در هر کاری است، به شرط آنکه به خلاقیت شما بها داده شود. توجه به این نکته داشته باشید که به عنوان کسی که در رشته فوتونیک کار میکنید باید به هنگام انجام پروژههای مختلف بتوانید از فکر و خلاقیت خود به بهترین نحو استفاده کنید.
✅ارتباط کلامی و رفتاری: در محیط کار باید به خوبی بتوانید با دیگران ارتباط برقرار کنید. این موضوع در کارهای تیمی از اهمیت بالایی برخوردار است.
✅توجه به جزئیات: به هنگام انجام هر کاری باید علاوه بر موارد کلی، به جزئیات نیز توجه داشته باشید. جزئیات حتی گاهی از موارد کلی برای رسیدن به موفقیت مهمتر هستند.
علاوه بر سه مهارت کلی که ذکر شد، برای کار در رشته فوتونیک باید مهارتهای ویژهای مانند مهارتهای زیر نیز داشته باشید:
✅مهارتهای ریاضی قوی: به عنوان کسی که در رشته فوتونیک کار میکند، باید با مباحث پیشرفته ریاضی مانند انتگرال دوگانه و سهگانه، معادلات دیفرانسیل و حل آنها، جبر خطی و هندسه آشنا باشیم. با دانستن این مباحث به راحتی میتوانید اندازهگیریها را محاسبه و اجزای وسیلهای که میسازید را طراحی کنید.
✅مهارت تکنیکی: درک اصول مهندسی و توانایی به کار بردن آنها یکی از مهارتهای لازم برای کار در رشته فوتونیک است.
درک عمیق مفاهیم علمی: داشتن دانش فیزیک و آشنایی با استانداردهای علمی از موارد ضروری در رشته فوتونیک است.
✅آشنایی با زبان انگلیسی: امروزه آشنایی با زبان انگلیسی یکی از ضروریترین عوامل موفقیت در انجام کارهای مختلف است، اما این مورد برای رشته فوتونیک، به خصوص به عنوان پژوهشگر در این رشته، بسیار حیاتی خواهد بود.
✅مهارتهای تخصصی: کارهای مختلفی، مانند طراحی موجبرها تا معماری فوjونیک روی تراشهها، را در رشته فوتونیک میتوان انجام داد. بنابراین، با توجه به نوع کاری که در این رشته انجام میدهید، باید با مهارتهای تخصصی آن قسمت به طور کامل آشنا باشید.
✅قدرت حل مسئله: قدرت حل مسئله به هنگام طراحی و اندازهگیری پارامترهای مختلف بسیار کمککننده
⭕️گرایشهای رشته فوتونیک برای ادامه تحصیل چه هستند؟
دو گرایش اصلی دارد
✅فوتونیک
✅مهندسی الکترواپتیک
✅مهندسی الکترواپتیک نیز از دو گرایش اصلی تشکیل شده است:
لیزر
اپتوالکترونیک
⭕️مهندسی الکترواپتیک چه رشتهای است؟
✅الکترواپتیک، ترکیب دو کلمه الکترونیک و اپتیک است. در این رشته با کمک گرفتن از الکترونیک و اپتیک پژوهشهای مختلفی انجام میشود. اما توجه به این نکته مهم است که پژوهشهای مختلفی مرتبط با نور در رشته فوتونیک انجام میشود.
✅فناوری پزشکی و علمی
دانشجویان و فارغالتحصیلان رشته فوتونیک میتوانند در شاخههای مرتبط به پزشکی فعالیت داشته باشند. چگونه؟ با مثالی ساده به این پرسش پاسخ میدهیم. به عنوان مثال، جراحان چشم میتوانند با استفاده از دستگاههایی پیشرفته که با نور کار میکنند، عملهای سخت را راحتتر و با ظرافت بیشتری انجام دهند. بیشتر این دستگاهها از نور همدوس با انرژی مشخص استفاده میکنند. طراحی این دستگاهها توسط دانشجویان یا فارغالتحصیلان رشته فوتونیک انجام میشود. بنابراین، فوتونیک میتواند نقش مهمی در رشتههای پزشکی و پیشرفت آنها داشته باشد.
✅نورپردازی
دانشجویان و فارغالتحصیلان رشته فوتونیک میتوانند فناوری نوینی برای نورپردازی اتومبیلها و ساختمانها طراحی کنند. به عنوان مثال، آنها میتوانند با تحلیل فناوریهای موجود مانند LED، راهی برای افزایش روشنایی بر طبق فاصله پیدا کنند.
✅فیبرهای نوری
در ابتدای این بخش به طور مختصر در مورد نقش فیبرهای نوری در افزایش سرعت انتقال اطلاعات صحبت کردیم. اینترنتی که امروزه با آن کار میکنیم بر پایه فیبرهای نوری ساخته شده است. فیبرهای نوری، کابلهای پلاستیکی یا شیشهای بسیار نازکی هستند که میتوانند دادهها و نور را بین مسافتهای طولانی منتقل کنند. اندازه فیبرهای نوری در حدود یکدهم اندازه موی انسان است. همچنین، از فیبرهای نوری میتوان در مخابرات برای انتقال تصویر از وسیلهای به وسیله دیگر استفاده کرد. به طور معمول، فیبرهای نوری میتوانند دمای بالا یا انفجار را تحمل کنند. نقش دانشجویان و فارغالتحصیلان رشته فوتونیک در طراحی و ساخت فیبرهای نوری با بهره بالا از اهمیت بالایی برخوردار است.
✅تولید و ساخت
کارخانههای تولیدی ممکن است برای برش و اندازهگیری مواد خام از لیزر استفاده کنند. همچنین، از لیزر میتوان در بخشهای مختلف کارخانههای تولیدی استفاده کرد. بنابراین، نقش مهند فوتونیک در اینجا بسیار مهم میشود. این افراد میتوانند با طراحی و ساخت لیزرهای مختلف، کمک شایانی به تولیدکنندهها در بخشهای مختلف کنند.
✅صنایع نظامی
فوتونیک کاربردهای مختلفی در صنایع نظامی دارد. یکی از کاربردهای لیزر، اندازهگیری فاصله با دقت بسیار بالایی است. در صنایع نظامی موشکهای مختلفی ساخته میشوند. توانایی موشک در برخورد به نقطه هدف بسیار مهم است و نشاندهنده کاربرد عملی بالای آن است. موشک در نقطه A قرار دارد و هدف آن نقطه B است. فاصله این دو نقطه را میتوان با استفاده از لیزر با دقت بسیار بالایی اندازه گرفت. بنابراین، در اینجا متوجه میشویم که دانشجویان و فارغالتحصیلان رشته فوتونیک به خوبی میتوانند در صنایع نظامی و در بخش تحقیقاتی آن فعالیت داشته باشند.
🛑به این نکته توجه داشته باشید که رشته فوتونیک کاربردهای بسیار زیادی در زندگی مدرن امروزی دارد، زیرا فناوریهای مرتبط با نور به یکی از بخشهای جدانشدنی در زندگی امروز تبدیل شدهاند. از مهمترین کاربردهای فوتونیک در زندگی روزمره میتوان موارد زیر را نام برد:
✅دید شب: دید در شب برای امنیت، نظارت و تصویربرداری بسیار مهم است. از دید در شب در اتومبیلها و تجهیزات نظامی استفاده میشود.
✅تصویربرداری از مغز: علاوه بر تشخیص، تصویربرداری از مغز برای مراحل جراحی بسیار حیاتی است. فوتونیک نقش مهمی در ساخت تجهیزات پیشرفته برای انجام این کار ایفا میکند.
✅حسگرهای فوتونیک: در حسگرهای فوتونیک، نور به به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میشود. از این فناوری به صورت گسترده در بخش انرژی استفاده میشود.
⭕️نانو فوتونیک:
✅ گرایشی جدید از فوتونیک است که به صورت مستقل در دفترچه انتخاب رشته عنوان نشده است، اما برخی از استادهای دانشگاههای معتبر در ایران و جهان در این زمینه پژوهش انجام میدهند. نانوفوتونیک برهمکنش نور را با نانوساختارهای مختلف بررسی میکند. این گرایش از رشته فوتونیک، اپتیک، مهندسی اپتیک، مهندسی الکترونیک و نانوفناوری را در برمیگیرد. در نانوفوتونیک بیشتر برهمکنش نور با نانوساختارهایی مانند نانوآنتنها یا ترکیبات فلزی بررسی میشود، زیرا این ساختارها میتوانند از طریق «پلاریتونهای پلاسمای سطحی» (Surface Plasmon Polaritons) نور را عبور دهند و متمرکز کنند.
⭕️دروس آزمون کارشناسی ارشد رشته فوتونیک:
✅زبان عمومی و تخصصی (انگلیسی): برای مطالعه زبان عمومی میتوانید انوع کتابهای آمادگی برای آزمون تافل مانند بارونز یا دلتا را مطالعه کنید. همچنین، برای مطالعه زبان تخصصی رشته فوتونیک، مطالعه کتابهایی مانند The Physical World یا دیکشنری تخصصی آکسفورد برای رشته فیزیک توصیه میشود.
✅الکترومغناطیس: بهترین کتابهای الکترومغناطیس که میتوانید برای آزمون کارشناسی ارشد رشته فوتونیک مطالعه کنید عبارت هستند از:
الکترومغناطیس ریتس و میلفورد – ترجمه دکتر جلال صمیمی
الکترومغناطیس میدان و موج – نوشته چنگ
الکترومغناطیس، نوشته ویلیام هیت
آشنایی با الکترودینامیک، نوشته گریفیتس
✅فیزیک مدرن: بهترین کتابهای فیزیک مدرن که میتوانید برای آزمون کارشناسی ارشد رشته فوتونیک مطالعه کنید عبارت هستند از:
فیزیک جدید، نوشته سلز و وایدنر
فیزیک جدید، نوشته کنت اس. کرین
✅مکانیک کوانتوم: بهترین کتابهای اپتیک که میتوانید برای آزمون کارشناسی ارشد رشته فوتونیک مطالعه کنید عبارت هستند از:
فیزیک کوانتوم، نوشته گاسیروویچ
فیزیک کوانتوم، نوشته نورالدین زتیلی
مکانیک کوانتومی، نوشته والتر گراینر
✅الکترونیک: بهترین کتابهای الکترونیک که میتوانید برای آزمون کارشناسی ارشد رشته فوتونیک مطالعه کنید عبارت هستند از:
تحلیل و طراحی مدارهای الکترونیک، نوشته مهندس تقی شفیعی
مبانی الکترونیک، نوشته دکتر میر عشقی
مدارهای میکروالکترونیک، نوشته عادل صدرا و کنت اسمیا
✅اپتیک: بهترین کتابهای اپتیک که میتوانید برای آزمون کارشناسی ارشد رشته فوتونیک مطالعه کنید عبارت هستند از:
نورشناخت نوین، نوشته فولز
الکترومغناطیس، نوشته میلفورد، فصلهای ۱۷ و ۱۸
مبانی فیزیک، نوشته هالیدی، فصلهای ۳۴ تا ۳۷
نورشناخت، نوشته یوجین هشت و آلفرد زایاک
⭕️مهمترین دروس دانشگاهی رشته فوتونیک چه هستند؟
✅ ابتدا مفاهیم پایه فیزیک کوانتومی مرور میشود. سپس، مفاهیمی مانند معادله شرودینگر، فرمالیزم مکانیک کوانتومی، تکانه زاویهای، اسپین و اندرکنشهای الکترومغناطیسی، تقارنها و قوانین پایستگی در مکانیک کوانتومی، نظریه مستقل از زمان، دینامیک کوانتومی و نظریه پراکندگی، درس داده میشوند. دانشجو پس از گذراندن این درس با رهیافتهای مکانیک کوانتومی در پدیدههای فیزیکی و توصیف کوانتومی نور و برهمکنش نور و ماده آشنا میشود. برای تدریس این درس از کتابهایی مانند «مکانیک کوانتومی مدرن» نوشته «جی. جی. ساکورایی» (J. J. Sakurai) یا «مکانیک کوانتوم» نوشته «دیوید گریفیتس» (David Griffiths) استفاده میکنند.
