211service.com
Nobels par revolucionārajām optiskajām tehnoloģijām
The 2009. gada Nobela prēmija fizikā ir piešķirts trim pētniekiem, kuru darbs ir veidojis mūsdienu telekomunikāciju un digitālās attēlveidošanas pamatu. Balva tiek piešķirta Čārlzam K. Kao, kura atklājumi radīja izrāvienu optiskās šķiedras jomā, un Vilardam S. Boilam un Džordžam E. Smitam, kuri izgudroja CCD (lādiņa savienotas ierīces) attēla sensoru.
Nobela prēmijas laureāti: Šī gada Nobela prēmijas fizikā ieguvēji ir Čārlzs K. Kao (Charles K. Kao), bijušais Standard Telecommunication Laboratories, un Vilards S. Boils un Džordžs E. Smits, kas bijuši no Bell Laboratories.
Optiskās šķiedras pārnēsā gandrīz visus telekomunikāciju datus un veido interneta mugurkaulu. Kombinācijā ar lāzeru un tranzistoru efektīvas, zemu zudumu optiskās šķiedras izgudrojums ir padarījis iespējamu gandrīz tūlītēju saziņu visā pasaulē, teikts Amerikas Fizikas institūta direktora H. Frederika Dilla paziņojumā.
Darbs tika veikts 20. gadsimta 60. gadu vidū. Lāzera izgudrojums 1960. gadu sākumā mudināja pētniekus izstrādāt praktisku gaismas pārraides līdzekli, kas var pārraidīt datus daudz ātrāk nekā radioviļņi. Tomēr optiskās šķiedras tajā laikā nešķita daudzsološas to augstā vājināšanās līmeņa dēļ: tikai aptuveni 1 procents gaismas, kas tiek nosūtīta caur šķiedru, tiktu pārraidīta līdz 20 metriem.
Kao ieskats bija koncentrēties ne tikai uz gaismas fiziku, bet arī uz pašas vides materiālajām īpašībām. 1966. gadā, būdams jauns inženieris Standard Telecommunication Laboratories Harlovā, Apvienotajā Karalistē, Kao atklāja optiskās šķiedras vājināšanās pamatcēloņus: dzelzs piemaisījumi lika tai absorbēt un izkliedēt gaismu. Viņš ierosināja, ka tīrs stikls būtu labāks nesējs un sniegtu arī izmaksu priekšrocības.
Pēc turpmākiem pētījumiem par to, kā dažāda viļņa garuma gaisma pārvietojas caur dažādiem medijiem, Kao un viņa kolēģi norādīja uz silīcija dioksīdu kā labāko materiālu. Bet ar silīcija dioksīdu ir grūti strādāt. Corning Glass Works pētnieku komanda 1970. gadā realizēja Kao projektus, izmantojot augstspiediena reakcijas kameru, lai izveidotu pirmās zemu zudumu optiskās šķiedras, un citi Bell Laboratories pilnveidoja ražošanas tehniku, lai samazinātu izmaksas.
Mūsdienu optiskās šķiedras ir pat labākas nekā Kao prognozēja, kilometra attālumā zaudējot tikai 5 procentus gaismas. 1988. gadā starp Eiropu un Ameriku tika izveidota pirmā starpkontinentālā optiskā šķiedra, kas bija 6000 kilometru; šodien visā pasaulē ir vairāk nekā viens miljards kilometru optiskās šķiedras, un katru dienu tiek pievienots vairāk.
Otra puse šī gada Nobela prēmijas fizikā tiek piešķirta CCD — ierīces, kas attēlus pārvērš elektriskos signālos, izgudrotājiem, tādējādi radot revolūciju fotogrāfijā un digitālajā attēlveidē.
Kamēr Kao darbs izauga no saskaņotiem centieniem atrast labāku telekomunikāciju līdzekli, Boila un Smita darbs bija neparedzēts. Viņi izstrādāja CCD Bell Labs 1969. gadā pēc tam, kad stundu ilgas prāta vētras sesijas laikā bija ieskicējuši pamata dizainu. CCD princips ir fotoelektriskais efekts, ko daļēji teoretizēja Alberts Einšteins, nopelnot viņam Nobela prēmija 1921. gadā . Kad tos bombardē fotons, daži materiāli izstaro elektronu. Boila un Smita dizains ir silīcija mikroshēma, kuras virsma ir pārklāta ar kondensatoru režģi, kas glabā elektronus, kas rodas, kad mikroshēma tiek apgaismota. Katrs kondensators ir pikseļi. Katrā kondensatorā uzkrāto elektronu skaits ir proporcionāls gaismas intensitātei šajā attēla daļā. Attēlu var nolasīt, noņemot lādiņus no CCD.
CCD priekšrocība salīdzinājumā ar gaismas jutīgajām ķīmiskajām plēvēm un pat cilvēka aci ir tā augstā jutība. Visā gaismas spektrā, sākot no infrasarkanajiem līdz rentgena stariem, CCD var uztvert 90 procentus ienākošo fotonu. Acs vai filmas kamera uztver tikai 1 procentu no šiem fotoniem.
Gadu pēc izgudrošanas Boils un Smits izveidoja videokameru, kuras pamatā bija digitālā attēla sensors; 1981. gadā Sony laida tirgū pirmā CCD kamera , Mavica. Astronomi bija agrīni izmantotāji un izmantoja sensorus, lai uzņemtu attēlus no tālu debess objektiem, kas līdz šim bija neredzami.
Mūsdienās CCD saskaras ar zināmu konkurenci ar citu digitālās attēlveidošanas mikroshēmu, kas tika izgudrota aptuveni tajā pašā laikā – CMOS (komplementārs metāla oksīda pusvadītājs). Abas ierīces balstās uz fotoelektrisko efektu. Kamēr CCD nolasa elektronus no mikroshēmas vienā plūsmā, dati no CMOS pikseļiem tiek nolasīti uz vietas, kas ietaupa enerģiju un pagarina akumulatora darbības laiku. Tomēr CMOS nav tik jutīga kā CCD, kam joprojām ir priekšrocības tādām progresīvām lietojumprogrammām kā astronomija un medicīniskā attēlveidošana.