روشی جدید برای هدایت نور

نوری که از یک جفت نوار شیشه ای چسبیده به هم می گذرد خمیدگی اندکی در ماده ایجاد می کند و باعث می شود که نور در داخل مسیرهای باریکی متمرکز شود. این تکنیک برای تمامی طول موج های نور کار می کند.

وقتی نور به یک سطح برخورد می کند اندک فشاری  برآن وارد می کند. معمولا این نیرو اثر کمی دارد اما  گزارشی که در Physical Review Letters به چاپ رسیده است، به طورنظری توضیح می دهد که چگونه ممکن است از فشار تابشی بهره برداری کرد تا نوری که درون "نوارهای" باریک شیشه ای منتشر می شود خود را به صورت باریکه هایی متمرکز درآورد. این سیستم برای تمامی طول موجها کار می کند و تکنیکی جدید برای شکل دهی و کنترل نور فراهم می آورد.

در بسیاری از ابزارهای نوین، سیگنالهای نوری جایگزین سیگنالهای الکترونیکی شده اند. از این رو محققان در جستجوی توسعه ی توانایی هایشان برای کنترل نور در ابعاد کوچک هستند. خانم آنا بوچ از موسسه  ماکس پلانک مخصوص علم نور در ارلنگن  آلمان و همکارانش، رفتار نور منتشر شده دردو ورقه ی تخت نازک  شیشه ای را که در فاصله ی 300 نانومتر به موازات هم  قرار گرفته اند بررسی کرده اند. این ورقه های نازک و تخت شیشه ای ممکن است دو نوار بلند درون کابلی باشند که قابلیت حمل پیغام های نوری را دارد. در بررسی آن ها نوارها از200 تا 400 نانومتر بودند و پهنایشان 70 میکرون بود و از لبه در جای خود محکم شده بودند.

اگرچه نوری که در امتداد این ساختار نواری دوتایی منتشر می شود درون نوارها متمرکز است، تابش الکترومغناطیسی در شکاف بین این باریکه ها هم، علاوه بر بالا و پایین آنها، گسترده می شود. این میدان خارجی فشار اندکی به نوارها وارد می کند و سبب می شود ازهم دورتر ویا به هم نزدیکتر شوند. هرچند میزان انحنای اندازه گیری شده کوچک است -- تنها یک یا دو نانومتر جابجایی برای شدت نورهای خیلی معمولی -- اما همین مقدار کافی است تا انتشار نور را در داخل نوارها تحت تاثیر قرار دهد. بوچ و همکارانش این تغییر را در قالب یک ضریب شکست موثر توصیف می کنند که در امتداد پهنای باریکه برحسب میزان خمیدگی تغییر می کند. درنتیجه ، نور دیگر به شکل یکنواخت درون تمامی پهنای نوار منتشرنمی شود بلکه در اصل خودش را داخل یک یا چند مسیر باریک متمرکز می کند.

این رفتار از کاربرد مستقیم نظریه الکترومغناطیس کلاسیک توام با دانش خواص الاستیکی شیشه، نتیجه می شود. نوشتن معادلات مربوطه ساده است اما حل  آن ها ساده نیست. خمیدگی حاصل در نوارها باعث ایجاد یک بازخورد پیچیده می شود چون فشار وارد بر یک نوار در یک نقطه و یا در امتداد یک خط سبب ایجاد انحنایی در تمامی نوار می شود که بر انتشار نور در هر کجای داخل آن اثر می گذارد و این به نوبه خود فشار اپتیکی را که در وهله ی اول سبب خمیده شدن نوارها شده، تغییر می دهد.

این تیم تحقیقاتی از یک فرآیند تکرار شونده برای رسیدن به پاسخ استفاده کرد. آن ها نمایه ای اولیه برای فشار در طول نوارها در نظر گرفتند و خمیدگی حاصل ، طرح تابشی حاصل و فشار حاصل را محاسبه کردند و سپس این چرخه را تکرار کرند. در بیشتر موارد در عرض ده تکرار یا کمترهمگرایی به دست آمد، به این معنی که یک حل پایدار نتیجه شد چنان که طرح انتشار نور با خمیدگی نوارها سازگار بود.

انواع مختلفی از طرح های ممکن ظاهر شد که در آن ها نور توسط این سازوکار خود متمرکزکننده به یک یا دو مسیر در هریک از دو نوار محدود شده بود. هنگامی که ضخامت دو نوار را یکسان فرض نکردند جواب های نامتقارن به دست آمد و باریکه ی نور در یکی از دو ورقه پرشدت تر از باریکه در ورقه ی دیگر بود.

اگرچه این پژوهش کاملا نظری است ، تیم تحقیقاتی معتقد است که چنین سیستمی را باید بتوان به آسانی ساخت و در آن باریکه ها قادر خواهند بود چندین متر منتشر شوند. و چون این اثر شامل هیچ نوع پدیده ی تشدیدی نیست ، برای هر طول موجی موثر خواهد افتاد. با شکل دادن به تپ اولیه ی نوری که به نوارها اعمال می شود می توان مدهای محدود شدگی مختلفی (تعداد مختلفی برای باریکه های حاصل )  را تحریک کرد و بدین ترتیب درجه و دقت کنترل بر پیغام های نوری را افزایش داد.

مو لی از دانشگاه مینه سوتا در مینیاپولیس این تحقیق را "پیش بینی نظری هیجان انگیزی از یک اثر اپتیکی غیرخطی بکر" می خواند. لی می گوید که در نتیجه ی این تحقیق "پیشرفت های مهمی در اپتیک فوق سریع و در مترولوژی (سنجه شناسی) اپتیکی" نایل خواهد آمد. خانم بوچ و همکارانش اکنون مشغول بررسی حالت های ممکن پیچیده تری اند که شامل برهم کنش های بین مدهای مختلف می شود و ممکن است در کار قطع و وصل کردن یا کاربردهای دیگر مفید باشد.

ابزاري با بازده بيشتر از صد درصد

محققان در ام.آي.تي، با استفاده از يك ديود نوري با گاف نواري كوچك، ابزاري ساخته اند كه بازدهي آن از صد درصد بيشتر است. در اين آزمايش با استفاده از يك جريان الكتريكي با توان مصرفي سي پيكو وات، پرتوي نوري با توان هفتاد پيكو وات به دست آمده است. تفاضل اين انرژي از ارتعاشات شبكه مي آيد؛ به اين ترتيب كه ديود در حين آزمايش خنك مي شود.

 

توصیه میشود برای آشنایی بیشتر با این دستگاه لینک اصلی خبر را مطالعه نمایید.

درک بهتر فیزیک رنگین‌کمان‌ها

متخصصان علوم رایانه‌ای دانشگاه کالیفرنیا- سن‌دیه‌گو که قصد شبیه‌سازی تمامی انواع طبیعی رنگین‌کمان را کرده بودند، به پاسخ‌هایی راجع به فرآیند تشکیل این پدیده برخورد کردند. آن‌ها نمونه‌های متنوعی از رنگین‌کمان را به‌کمک روشی پیشرفته‌ در بررسی نحوه برهمکنش پرتوهای نور و قطره‌های آب با ابعاد و اشکال متفاوت، شبیه‌سازی کردند؛ کمان‌های اولیه، کمان‌های ثانویه، رنگین‌کمان‌هایی که به‌هنگام غروب ایجاد می‌شوند و نیز آن‌هایی که در روزهای مه‌آلود و در میان ابرها ظاهر می‌شوند. این رهیافت تازه، حتی به شبیه‌سازی‌های واقع‌گرایانه‌ای از رنگین‌کمان‌های کمیاب و دوقلویی انجامید که گویی از میان نصف شده‌اند.

 

ایمان صادقی، دانشجوی دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیه‌گوست که پژوهش‌ مزبور را تحت پروژه دکتری خود در دانشکده مهندسی ژاکوبز و زیر نظر پروفسور هنریک ون ینسن (Henrik Wann Jensen) و با همکاری دانشمندانی از کشورهای اسپانیا، انگلستان و سوئیس به ثمر رسانده که قرار است که ماحصل آن را طی اجلاس ACM با محوریت گرافیک رایانه‌ای، در همین ماه دسامبر ارائه کنند.

 

ینسن می‌گوید: "این کار، چیزی فراتر از گرافیک رایانه‌ای‌ست. تقریباً می‌شود هم‌اکنون گفت که ما درکی به نسبت کامل از نحوه تشکیل رنگین‌کمان‌ها پیدا کرده‌ایم." او کسی نیست که با پیشرفت‌های حوزه گرافیک رایانه‌ای بیگانه باشد، بلکه به‌واسطه انجام پژوهش‌هایی که به بازسازی طبیعی بافت پوستی شخصیت‌های انیمیشن انجامیده بود، جایزه اسکار سال ۲۰۰۴ را از آن خود ساخت.

 

ینسن در برخی از شاهکارهای فنی هالیوود از جمله فیلم "آواتار" جیمز کامرون نیز حضور داشته است. او، صادقی و سایر همکاران‌شان قرار بوده است که به‌منظور درک بهتر نحوه بر هم‌کنش قطرات کروی آب با پرتوهای نوری که به تولید کمان‌های رنگارنگی که به‌هنگام توقف بارندگی در هوای مرطوب و گرمسیری می‌انجامد، دست به شبیه‌سازی‌های انواع مختلفی از رنگین‌کمان‌ها بزنند. امیدشان هم به بهبود روش‌های به‌کاررفته در انیمیشن‌ها و بازی‌های ویدئویی بود.

 

صادقی که هم‌اکنون به‌عنوان مهندس رایانه در بخش گرافیکی شرکت گوگل در سانتا مونیکا مشغول به فعالیت است، می‌گوید: "معمولاً فرصت بررسی چنین پدیده‌هایی را حین کار روی تز دکترای‌تان پیدا نمی‌کنید. رنگین‌کمان‌ها خیلی بیشتر از آن چیزی که به چشم می‌آید قابل توصیف هستند.»

 

این دانشمندان، با شروع فرآیند شبیه‌سازی‌شان متوجه شدند که صرفاً برهم‌کنش ساده نور با قطرات کروی آب، توصیفی قابل قبول از برخی انواع رنگین‌کمان‌ها نظیر رنگین‌کمان‌های دوقلو به دست نمی‌دهد. آن‌ها در جریان پژوهش‌های‌شان متوجه شدند که قطره‌های آب حین سقوط در هوا، تحت تأثیر فشار هوای تحتانی‌شان، از زیر اندکی یخ می‌شوند و شکلی شبیه به همبرگر به خود می‌گیرند.

ینسن و تیم‌اش، این قطره‌های تغییر شکل‌یافته آب را "برگروید" (Burgeroid) می‌نامند. او می‌گوید: "این اصطلاح، آنقدرها هم فنی نیست، ولی مایلیم آن را اینگونه بنامیم." شبیه‌سازی‌هایی که از آن پس بر این برگرویدها، به‌جای قطره‌های طبیعی آب انجام گرفت، پژوهشگران را قادر به تقلید از فرآیند تشکیل گستره‌ای وسیع از انواع رنگین‌کمان‌های طبیعت کرد. صادقی می‌افزاید: "ما اولین گروهی هستیم که روش دقیق شبیه‌سازی رنگین‌کمان‌های دوقلو را ارائه می‌کنیم."

 

ساز و کار اصلی تشکیل رنگین‌کمان، قرن‌ها بود که برملا شده بود: یک پرتو از نور، در فضای درونی یک قطره آب، هم انعکاس و انکسار می‌یابد و تا نزدیکی زاویه خاصی موسوم به "زاویه رنگین‌کمان"، به‌شدت تمرکز می‌یابد. این زاویه برای هر رنگی از نور سفید تفاوت می‌کند و لذا نور خورشید به چندین جزء طیفی‌اش تفکیک می‌شود و رنگ‌هایی را که ما در آسمان می‌بینیم، به هوا می‌پراکند. صادقی می‌گوید: "اختلاف ظاهر رنگین‌کمان‌ها، به‌واسطه ابعاد و شکل قطره‌های باران است."

 

به‌گفته ینسن، عجیب است که هنوز هیچکس به فرآیند فیزیکی دقیق تشکیل رنگین‌کمان‌ها پی نبرده بود. در گذشته، دانشمندان برجسته‌ای نظیر ایزاک نیوتن و ریاضیدان فرانسوی، رنه دکارت، محاسباتی انجام داده و آزمایشاتی را به‌منظور توصیف نحوه تشکیل رنگین‌کمان پیشنهاد کرده بودند، اما امروزه بودجه‌های پژوهشی راجع به رنگین‌کمان‌ها و همچنین کار در این حوزه به‌ندرت به چشم می‌خورد. تلاش‌های ینسن با هدف فهم بهتر فرآیند فیزیکی تشکیل رنگین‌کمان‌ها، پای وی را به کنفرانس "رنگ و نور در طبیعت"، در کالج سن‌ماری شهر سن‌ماری ایالت مریلند آمریکا کشاند. در آنجا وی ایراد سخن کرد و ملاقاتی با فیلیپ لی‌ون (Philip Laven)، متخصص رنگین‌کمان‌ها صورت داد که بعداً از کمک نویسندگان پژوهش وی نیز شد.

 

در اکثر شبیه‌سازی‌هایی که تاکنون راجع به رنگین‌کمان‌ها صورت پذیرفته بود، فرض بر این گرفته می‌شد که قطرات آب، کروی‌اند که به‌گفته لی‌ون، این در خصوص قطرات درشت‌تر صدق نمی‌کند. آن‌ها در این پژوهش، با رویکردی سراسر متفاوت به واکاوی قضیه پرداخته‌اند و مدلی واقع‌گرایانه‌تر از فرآیند دخیل در این پدیده‌ها را ارائه کرده‌اند. وی می‌افزاید: "شبیه‌سازی‌هایی که در این مقاله شرح داده شده‌، نشان از دورنمایی بس بهتر در فهم رنگین‌کمان‌های واقعی می‌دهند. امیدوارم که گام بعدی، استفاده از این روش‌ها برای بررسی سیستمایک رنگین‌کما‌ن‌هایی باشد که محصول قطره‌های غیرکروی آب هستند."

 

ینسن، صادقی، لی‌ون و همکاران‌شان بنا دارند تا یافته‌های خود را در کنفرانس SIGGRAPH که سال میلادی آتی در شهر لس‌آنجلس برگزار می‌شود هم ارائه کنند. ینسن همچنین تصمیم به شرکت در کنفرانس بعدی "رنگ و نور در طبیعت" را دارد که این‌بار در آلاسکا برپا خواهد شد. آیا هدف بعدش‌اش، شبیه‌سازی شفق‌های قطبی است؟ خودش که می‌گوید شاید اینطور باشد.

A Phase Transition for Light

When a laser beam is intense enough, it can interact with the air around it in ways that lead to surprising effects. According to computer simulations to be published in the 12 November Physical Review Letters, the beam can act like a gas of quantum particles (fermions) or like a liquid droplet--and switch between the two as intensity is increased. Observing this transition in the lab would help researchers confirm that they understand the behavior of high intensity lasers in air, which they hope to use for improved transmission of signals across long distances.

An optical fiber confines light to its interior in part because its internal index of refraction--the factor by which it slows light compared with the vacuum--is larger than that for the outer coating material. A very intense beam of light propagating through a material can do something similar. It can align and distort nearby molecules, making the index of refraction larger at the intense center of the beam than at its edges, which prevents the light from spreading as it travels.

The possibility of sending this type of "self-focused" light pulse long distances could be important for remote sensing applications, such as LIDAR, which uses laser light the way radar uses radio waves. But nailing down the details of the interactions between intense light and atmospheric gases has been an experimental challenge. In 2009 a team at the University of Bourgogne in Dijon, France, managed to measure the refractive indices of nitrogen, oxygen, and air, for a high intensity, infrared laser. They found that as the laser intensity rises, the refractive index first increases, but then rapidly decreases beyond an intensity of a few tens of terawatts per square centimeter.

"We were inspired by these results," says Daniele Tommasini, of the University of Vigo in Spain. In their earlier research, Tommasini and his colleagues showed theoretically that this kind of intensity dependence would lead to more than simply self-focusing, which keeps light confined for only a limited distance. A light pulse could maintain a fixed shape in all directions, as a so-called soliton. The new measurements gave them a chance to use real experimental parameters in their model.

The team came up with a theoretical model based on the new data and also ran computer simulations. They were surprised to find that, depending on the intensity of the light, the solitons had strikingly different shapes: a high intensity pulse generated a soliton with intensity uniformly distributed across its cross-section, while a lower intensity pulse produced a soliton with high intensity at the center of the pulse and a gradual drop-off toward the edges.

The team describes these states as having an effective outward "pressure"--a tendency to spread because of standard optical effects--that is exactly canceled by their interaction with the gas. For the high intensity pulses, the pressure and light intensity are mathematically analogous to the pressure and density of a liquid droplet. The light is squeezed into a uniform distribution with a sharp boundary, similar to the way the surface tension of a liquid droplet maintains a well-defined boundary. In contrast, for lower intensity pulses, the mathematical analogy is with a gas of uncharged fermions. These particles, unlike photons, repel each other because of the Pauli exclusion principle.

The team has explored "liquid light" in earlier work, but the idea of fermionic light is new. Intrigued by the possibility of driving a phase transition between these two stable forms of light, they simulated focusing a grid of the "Fermi-like" light filaments into a single beam. They found that the filaments collapsed into a single "liquid-like" soliton, much like droplets coalescing.

Yuri Kivshar at the Australian National University in Canberra finds the prediction of the two types of light behavior "really surprising," though he notes that observing the transition from fermionic to liquid light may prove to be challenging in the lab. Still, Bruno Lavorel, a member of the University of Bourgogne experimental team, "strongly agrees" with Tommasini and his colleagues that the predicted transition can serve as an experimental test of researchers' understanding of the behavior of high-intensity light in air.

How to walk through walls

Imagine being able to walk through a solid wall. That sort of trick might sound far-fetched, but it’s a little closer to reality now that researchers in China have created what they call an “invisible gateway”.

Huanyang Chen at Soochow University, Jiangsu, says that the effect is a bit like “platform nine and three-quarters” – that is, the fictional area of King’s Cross railway station in the Harry Potter books that is only accessible through a secret, illusionary wall. Although the researchers’ current demonstration is based on an electrical circuit for radio waves, Chen claims that it could also work for visible light.

The idea for the invisible gateway stems from so-called transformation optics, which gave us the first invisibility cloak back in 2006. Yet the invisible gateway is almost the opposite of a cloak: rather than bend light round an object to make the object invisible, the device makes an object – a wall – appear that isn’t really there. It is, according to Chen’s group, the first demonstration of illusion optics.

Network of capacitors and inductors

Chen, whose colleagues are based at the Chinese Academy of Sciences, Beijing, and the Hong Kong University of Science, created the invisible gateway using a network of capacitors and inductors. The network forms a channel that separates two electric conductors – the walls – one of which contains a slab of material with a negative index of permittivity and refraction. The combination of these two materials allows collective waves of electron, called plasmons, to form on the surface. The plasmons prevent electromagnetic waves from passing through the channel. To an observer, the channel looks like a continuation of the walls – so long as they are looking at electromagnetic radiation between 45 and 60 MHz.

Tom Driscoll, a researcher who studies novel electromagnetic devices at the University of California, San Diego, calls the demonstration a “good step”, although he notes that the progression to devices that work with visible light and at human scales are “decades or more away”. “The total sample size is quite small compared with the wavelength used, so I would like to have seen a bigger example,” he says. “However, this does demonstrate that the principle works.”

Martin McCall, a theoretical physicist at Imperial College, London, also thinks that the invisible gateway is an interesting development. “It's a viable addition to the pile of interesting electromagnetic structures being produced,” he says.

Chen and colleagues’ invisibility gateway is one of many ideas to have been realised used transformation optics in recent years. Last year, groups at Cornell University and the University of California at Berkeley independently created 2D cloaks that operated at optical wavelengths. Earlier this year, a team at the Karlsruhe Institute of Technology in Germany went one step further to produce a 3D optical cloak.

In 2008, Chen’s group proposed what might be the next step on these lines – a device that can cloak objects at a distance.

The research is available in Phys. Rev. Lett. 105, 233906

Space–time invisibility cloak could 'edit history

Physicists in the UK have proposed a "space–time" invisibility cloak that, if built, could be used to prevent signal interference or give the illusion of a Star Trek teleportation device.

The idea comes after four years of research by different groups that are creating devices to make objects invisible. In 2006 researchers at Duke University in the US created the first device that could cloak a small object in two dimensions in the microwave region of the electromagnetic spectrum. Last year groups at Cornell University and the University of California at Berkeley, US, independently created 2D cloaks that operated at optical wavelengths. Then, earlier this year, a team at the Karlsruhe Institute of Technology in Germany went one step further to produce a 3D optical cloak.

The latest development, by Martin McCall and colleagues of Imperial College, London, and the University of Salford, might see cloaks add yet another dimension to their capability: time. The idea is to create a tunnel through which an object could perform an action – move or change shape, for example – while appearing as though it is doing nothing at all.

A boon for thieves?

"It means that you can allow an object to do something for a short period of time in such a way that it can't be detected," McCall told physicsworld.com. "A good way to think about it is a small piece of an object’s history just being cut out, so you would see the object suddenly jump from one place to another." In principle, says McCall, such a system would enable a thief to enter a room, steal the contents of a safe and leave the scene as it was before, while security personnel watching CCTV are none the wiser.

In practice, the device would need two transparent walls to act as the tunnel, or space–time cloak. As an object enters the cloak to perform its action, the rear wall would compress light waves passing through from a source behind. Once the object completes its action and leaves the cloak, however, the front wall would stretch the light waves passing through so that they would merge seamlessly with those outside, whose profile had not been altered.

An analogy, says McCall, is a chicken crossing a busy road. Once the chicken steps onto the road cars must stop to let it pass, but as soon as it leaves the other side the cars would accelerate to catch up with the traffic ahead. To an observer farther down the road, the stream of passing cars would display no evidence of having slowed down.

More savoury applications

Although McCall gives safecracking as a potential for the space–time cloak, his group does have ideas for more savoury applications. In the basic set-up it might appear as similar to a transporter from Star Trek, with a person entering the cloak on one side appearing at the other side moments later, apparently having skipped the journey. But the cloak could also find uses in signal processing: a detector placed inside the cloak would be able to "pause" a signal travelling through the wall while it first deals with a signal passing through the tunnel.

All of this, however, relies on someone being able to make the device – and in particular the walls that compress or stretch light waves. McCall admits a perfect implementation "is certainly beyond current technology", but points to advances in so-called nonlinear systems: materials that change their refractive index – a property that governs light propagation speed – given illumination with strong lasers. One of the problems with this route is that changes in refractive index introduce reflections, which means the cloak, while hiding the object within, would nonetheless reveal its presence with a telling glow.

But, explains McCall, "Provided we're prepared to throw away some aspects of the cloak, we can point towards more practical, proof-of-concept experiments that are currently accessible with current technology."

The research is published today in the Journal of Optics

میتوانید ترجمه این مقاله را از اینجـا مطالعه نمایید

دکتر ناصر پیغمبریان موفق به ساخت سیستم جدیدی برای پخش تصاویر متحرک تمام نگاری شد

بنا به مقاله ای که در شماره اخیر مجله نیچر چاپ شده است، تیم دکتر ناصر پیغمبریان موفق به تولید تصاویر تمام نگاری با بسامد یک فریم در دو ثانیه شده است. متن زیر برگردانی از خبر این موفقیت در NatureNews به قلم "ضیا مرالی" و با عنوان آیا به ساخت تمام نگارها ئی به سبک فیلم "جنگ ستارگان" می توان امیدوار بود؟ است.

در فیلم جنگ ستارگان که در سال 1977 ساخته شد، تصویر برفک دار سه بعدی پرنسس لیا طلب کمک می کند. این اثر چیزی ست که پژوهشگران سال ها ست تلاش می کنند در عمل اجرا کنند: تمام نگاشتی که به شکل زنده حرکت کند. اینک ماده ی جدیدی که می تواند داده ها ی تمام نگاشتی را در ضمن تغییر ذخیره کند این خیال را به قلمرو واقعیت نزدیک می کند. این ماده در آینده ممکن است علاوه بر سینما و سایر هنرهای سرگرم کننده، در پزشکی و صنعت ساخت نیز کاربرد پیدا کند
ناصر پیغبریان که دانشگر علوم اپتیکی در دانشگاه آریزونا توسان است و چندین سال در پی آن بوده است که تصاویر تمام نگاشتی را در زمان واقعی به حرکت در آورد می گوید: " از روز اول در باره ی تمام نگاشت پرنسس لیا و این که آیا می توان آن را از قلمرو داستان های تخیلی بیرون آورد فکر می کردم ."
چالش یافتن ماده ئی بود با قابلیت بازنویسی که بتواند داده ها ی حاوی تصاویر پی در پی تمام نگاشتی را ضبط کند. اینک پیغمبریان و همکارانش ماده ئی به بار آورده اند ه می تواند تصاویر سه بعدی ئی که هر دو ثانیه تغییر می کنند ضبط کند و نمایش دهد . کار پژوهشی ی آنها در شماره ی این هفته ی مجله نیچر منتشر شده است.
سیستمی که این تیم پژوهشی ساخته اند با 16 دوربین که هر ثانیه یک تصویر از شی ء می گیرند از زوایای مختلف اطلاعات سه بعدی ضبط می کنند. از پردازش 16 تصویر در کامپیوتر داده ها ی تمام نگاشتی پیکسل به پیکسل حاصل می شود و کامپیوتر داده ها را به دو باریکه ی لیزر تپشی منتقل می کند. این داده ها به این صورت روی ماده ی ضبط کننده نوشته می شوند.
طی ی فرآیند داده نویسی، دو باریکه الگوی تداخلی روشن و تاریکی درون ماده ی ضبط کننده می سازند. با تابش باریکه ی سوم بر این الگو تصویر سه بعدی بازساخته می شود.

جابجایی الکترونها
در تمام نگار ایستا، این الگوی تداخلی خواص ماده ی ضبط کننده را به شکلی دائمی تغییر می دهد بنابراین هرگز نمی توان تصویر تازه ئی در ماده ضبط کرد، اما تیم پژوهشی ی پیغمبریان توانسته اند از ترکیب چند پولی مر پلاستیکی موسوم به PATPD/CAAN ماده ی ضبط کننده ئی بسازند که قابلیت ضبط مجدد دارد. هنگامی که باریکه های لیزر به این کُو پُولی مر می رسند باعث می شوند الکترون ها و دیگر حامل ها ی بار به سوی نواحی ی تاریک و روشن حرکت کنند و در آنجا جمع شوند. به این ترتیب طرح تداخلی به شکل موقتی ضبط می شود و اطلاعات مربوط به تصویر بعدی که باید نمایش داده شود می تواند جای آن را بگیرد
در سال 2008 همین تیم با استفاده از ماده ئی مشابه صفحه نمایشی 4 اینچی ساخت که بازنویسی داده ها یش 4 دقیقه طول می کشید. اینک آنها مخلوط پولی مر ها را تغییر داده اند و صفحه نمایشی 17 اینچی ساخته اند که صد بار سریع تر بازنویسی می شود و تصویری زنده می سازد که در " زمان واقعی " تغییر می کند.
تلویزیون ها ی سه بعدی به بازار آمده اند اما تصاویر مربوط به این تلویزیون ها فقط از دو دیدگاه فیلم برداری شده اند و تنها احساس ژرفا را به بیننده منتقل می کنند و به گفته ی پیغمبریان "نمی توان تصویر قهرمان فیلم را دور بزنید و پشت سرش را ببینید".
پیغمبریان امیدوار است این روش تمام نگاری علاوه بر انقلاب در سینما و صنایع سرگرم کننده، روزی به جراح ها امکان بدهد تصاویر سه بعدی از عمل جراحی را ببینند و مشاوره بدهند و شاید به مهندس ها هم امکان تجسم و تغییر مدل ها ی سه بعدی در زمان واقعی را بدهد.

سیصد و شصت درجه
اما راب ایسون فیزیکدان و متخصص اپتیک در دانشگاه ساؤت همپتون در انگلستان به این نکته اشاره می کند که تصاویر تمام نگاشتی هنوز نسبتاً کند و کوچکند و در این باره شک دارد که این روش پیشرفت مهمی در مقایسه با آن چه باشد که اخیراً در تصویر سازی ی سه بعدی رخ داده است. با این روش تنها می توان تصویری سه بعدی را درون لوله ئی استوانه ای ساخت که بیننده می تواند آن را دور بزند.
پیغمبریان در جواب می گوید که اگر سیستمی تمام نگاشتی در مقیاس بزرگ تر ساخته شود می تواند توان تفکیک دهی ی بسیار خوبی به دست دهد. هم اکنون پیکسل تمام نگاشتی می تواند به کوچکی 400 میکرون باشد که از تلویزیون ها ی پرتفکیک بسیار بهتر است.
او اضافه می کند که از نظر اصولی ضبط تصاویر سه بعدی ی سینمایی و پخش آن در زمانی دیگر کار ساده ئی ست . تیم پژوهشی ی او اینک روی این کار می کند که سرعت بازنویسی داده ها را به 30 تصویر در ثانیه برساند که برای فیلم ها ی سینمایی لازم است و میزان توان لازم برای نوشتن و خواندن تصاویر را کاهش دهند.
پیغمبریان معتقد است بالاخره یکی از نسخه ها ی این سیستم خواهد توانست طی ی هفت تا ده سال آینده به خانه ها راه پیدا کن: "در عمل نشان داده ایم که به وجود آوردن تمام نگاشتی دینامیکی به اندازه ی تصویر پرنسس لیا و با همان تفکیک پذیری ممکن است." اکنون تنها نیاز است که آر2 -دی 2 ئی ساخته شود تا کارهای بعدی را انجام دهد.

استفاده از طرح تداخلی سوراخهای مثلثی برای اندازه گیری تکانه زاویه ای نور

پژوهشگران بریزیلی در شماره 30 جولای نشریه فیزیکال ریویو لترز (لینک به نشریه)، گزارش می دهند که با عبور پرتوی نور از یک سوراخ مثلثی شکل، می توان تکانه زاویه ای اربیتال نور را اندازه گیری کرد.

پرتوهای نور به دو شکل می توانند حاوی تکانه زاویه ای باشند. شکل نخست آن «اسپین» است که متناظر با قطبش چپ گرد یا راست گرد پرتو نور است. بدین معنی که آیا میدان الکتریکی نور با حرکت در فضا به صورت ساعت گرد یا پادساعت گرد می چرخد. شکل دیگر، «تکانه زاویه ای اربیتال» است. این نوع از تکانه زاویه ای تنها در بیست سال اخیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است و وقتی رخ می دهد که جهت میدان الکتریکی در نقاط مختلف سطح مقطع پرتو متفاوت باشد. به طور مثال تصور کنید که میدان الکتریکی را در پیرامون پرتو اندازه گیری کنیم و میدان در بالای پرتو رو به بالا و در مکان ساعت سه، به سمت راست، در پایین پرتو رو به پایین و در مکان ساعت نه، رو به چپ باشد. چنین پرتویی، یک واحد تکانه زاویه ای اربیتال دارد. میدان الکتریکی پرتویی که دو واحد از این تکانه زاویه ای دارد، دو بار در گردش پیرامون پرتو، چرخش دارد.

پژوهشگران امیدوارند که بتوانند از این خاصیت پرتوهای نور برای کد کردن و فرستادن اطلاعات استفاده کنند. قبلا پژوهشگران موفق شده بودند که به این روش به ملکولهای کوچک گشتاور وارد کنند.

جندیر هیکمن و همکارانش از دانشگاه فدرال آلاگواس در برزیل، پرتوهای حاوی تکانه زاویه ای اربیتال را از سوراخهایی با شکلهای گوناگون عبور دادند و متوجه شدند که سوراخ مثلث متوازی الاضلاع این ویژگی را دارد که از روی طرح تداخلی ایجاد شده، می توان به تکانه زاویه ای پرتو نور پی برد.

ساخت ابزار های اپتیکی از مواد همسانگرد

با استفاده از تکنیک نگاشت همدیس conformal mapping  ( یک روش ریاضیاتی که در آن یک مجموعه نقاط از یک سیستم گرفته می شوند و روی یک سیستم متناسب دیگر نگاشته می شوند ) محققان قادر می شوند که روش های نوینی برای ساخت المان های اپتیکی گوناگون ، مثل آنتن های جهت دار ، لنز های تخت و یا خم کننده ها bends  را پیشنهاد دهند . در برابر روش های متفاوت  برای ساخت این ابزار ها ، استفاده از مواد همسانگرد isotropic  ( موادی که از هر زاویه ای شکل و ساختار یکسانی دارند) طراحی و ساخت را بسیار ساده ترمی  کند.  

تصویر زیر انتشار یک باریکه ی نور از میان یک خم کننده است که به وسیله ی آرایش تناوبی استوانه هایی ساخته شده است . این خم کننده به وسیله ی نگاشت همدیس طراحی شده و شامل 1553 استوانه است . ورودی این خم کننده عرضی در حدود 26 استوانه را دارد . بعضی از استوانه ها به وسیله ی دایره های سبز رنگ نشان داده شده اند . این ساختار به وسیله ی باریکه ی نوری که از پایین به بالا می آید و سپس به خارج و سمت چپ هدایت می شود ، روشن شده است .

لینک منبع

برگرفته از دهکــده فیزیک

درباره صوت چه می دانید ؟

آيا تا کنون به تفاوتها و تشابهات صوت و ديگر امواج مکانيکي فکر کرده ايد؟

پژواک:

انعکاس امواج صوتي بر روي محيطي که دانسيته آن از هوا زيادتر باشد. قله ها، کمر کوهها، ديوارهاي بلند، کناره جنگلها و ابرها، توليد پژواک مي نمايند. براي اينکه پژواک يا صداي منعکس خوب و قوي و واضح باشد بايد سطح منعکس کننده نسبت به طول موج بزرگترباشد. در غير اينصورت انرژي صوتي در تمام فضا پراکنده شده پژواک را خفيف و غيرواضح مي نمايد. همچنين هر اندازه سطح منعکس کننده نسبت به هوا سخت تر و فرکانس صوت بيشتر و مدت صوت کوتاهتر باشد باز پديده پژواک واضح تر خواهد بود. علت وجود پژواک: وقتي ما صوتي را مي شنويم احساسات شنيدني تا يک دهم ثانيه پس از موقوف شدن صدا در اعصاب گوش ما باقي مي مانند. نتيجه اين خاصيت اين است که هرگاه فاصله زماني صوت اصلي و صوت منعکس يک دهم ثانيه و يا بيشتر باشد، صداي اصلي و صداي منعکس يا پژواک را جداگانه مي شنويم.

 

سايه صوت:

مي دانيم که صوت و نور هر دو پديده موجي هستند و آنچه را که در مورد امواج نوري مشاهده مي کنيم در مورد امواج صوتي نيز قابل مشاهده است. از جمله چيزهايي که وجودش در مورد امواج نوري به خوبي قابل رويت و مشاهده است، سايه نور است. در صورتيکه در مورد امواج صوتي معمولا سايه واضح ديده نمي شود. علت حقيقي اين امر اين نيست که امواج صوتي در برخورد به مانع توليد سايه نمي کنند، بلکه در عمل مانعي که نسبت به طول موج صوت بزرگ باشد، در دسترس ما نيست. طول موج نور در حدود اعشار "مو " مي باشد. بنابراين هر گونه مانعي ولو کوچک، ابعادش نسبت به طول موج نور بينهايت بزرگ است. (ابعاد در، ديوار، پرده و ... هر کدام ميليونها برابر بزرگتر از طول موج نور مي باشد.) ولي در مورد طول موج صوت، طول موج صداهاي انساني در حدود متر است. (براي حرف زدن معمولي مردان طول موج از 2.5 تا 3 متر و براي حرف زدن معمولي زنها از 1.2 تا 1.5 متر تغيير مي کند.) بنابراين مثلا ديواري که ارتفاع ده متر داشته باشد نسبت به طول موج چندان بزرگ نيست.

 

تفرق:

وقتي امواج صوتي به جدار محکمي که در آن سوراخي تعبيه شده است برخورد کنند قسمتي از امواج که به سطح ديوار برمي خورند منعکس مي گردند و قسمت ديگر که به لبه جدار و به سوراخ برمي خورند ممکن است تفرق پيدا نمايند. دو حالت در نظر مي گيريم: طول موج نسبت به قطر سوراخ بزرگ باشد. طول موج نسبت به قطر سوراخ کوچک باشد. تمام صوتهاي مهم طبيعي را ممکن است به سه دسته گفتار (speech)، موسيقي (hearing) و نوفه (noise) تقسيم کرد. شنوايي روش طبيعي دريافت اين گونه صوتهاست و مخصوصا آخرين مفهوم، بيشتر ادوات آکوستيکي که شامل توليد مصنوعي صوت نيز هست به شنوايي ختم مي گردد.

 

مکانيزم صوت:

انرژي آکوستيکي که همراه گفتار است در ماهيچه هاي سينه منشاء مي گيرد. اين ماهيچه ها هنگام انقباض، هوا را از ششها به سوي اجزاي مختلفي که مکانيزم صوتي را تشکيل مي دهند روانه مي سازند. اين جريان دائم هوا را مي توان حامل انرژيي دانست که بايد از حيث سرعت و فشار براي توليد صوت، مدوله (modulate) شود. اين مدولاسيون لازم به يکي از دو طريق اساسي که به توليد صوتهاي با صدا، بي صدا منجر مي شود انجام مي گيرد. صوت با صدا شامل حرکات حروف مصوت گفتار معمولي و همچنين آهنگهاي مخصوص صداهاي آوازه خواني است. عامل اصلي مدولاسيون صوتهاي صدادار ناي است که تارهاي صوتي در عرض آن کشيده شده اند. تارهاي صوتي تشکيل يافته اند از دو نوار پرده مانند که ديافراگمي شکاف دار را درست مي کنند و بواسطه باز و بسته شدن اين شکاف در اثر ارتعاش جريان هوا مدوله مي شود. طول سوراخ وسط ديافراگم که هنگام عمل به شکاف تبديل مي گردد (در مردانcm 2.5 و در زنان1.5cm) و کششي که تارهاي صوتي با آن کشيده مي شوند فرکانس اصلي مدولاسيون را معين مي کند. عمل تارهاي صوتي اين است که تغييرات سرعت و فشار جريان مدولاسيون را به شکل منحني دندانه اره اي در مي آورد. وقتي منحني دندانه اره اي را يه کمک سري فوريه تجزيه کنيم ديده مي شود که عده زيادي هارمونيکهايي که از حيث فرکانس با هم ارتباط دارند در آن منحني قرار گرفته اند.

 

زنش صوت:

انسان صداها را مي شنود. چون صداها به گوش او ضربه وارد مي کنند. امواج صوتي مانند امواج اقيانوسها هستند. هر دو فرکانسهاي معيني دارند. امواج صوتي در برخورد با موجهاي ديگر پس زده نمي شوند بلکه با آنها مخلوط ميشوند. اگر دو موج داراي دامنه اي با علامت يکسان (هر دو منفي يا هر دو مثبت) باشند، "تداخل سازنده" را به وجود مي آورند و اگر برخلاف هم باشند، "تداخل ويرانگر" خواهد بود. امواج صوتي اگر داراي دامنه بزرگتري باشند، بلندتر شنيده ميشوند و اگر دامنه آنها کمتر باشد، آرامتر. تداخل سازنده، صداها را بلندتر و تداخل ويرانگر صداها را آرامتر به وجود مي آورند. دو موج که با هم جمع مي شوند ممکن است فرکانسهاي متفاوتي داشته باشند. اين بدان معني است که قله ها و شکمها همديگر را تقويت نمي کنند. زيرا يکي از موجها سريعتر از موج ديگر حرکت مي کند. بنابراين قسمتي از موج به صورت سازنده بر هم نهاده مي شود و قسمت ديگر به صورت ويرانگر. اين امر در فيزيک و موسيقي به پديده زنش معروف است. انسان زنش را وقتي احساس مي کند که دو آلت موسيقي نت يکساني را مي نوازند، اما نه دقيقا در يک زمان. موسيقيدانان از پديده زنش براي کوک کردن آلات موسيقي استفاده مي کنند.
کوک کننده هاي پيانو به دياپازون يک ضربه مي زنند و سپس يک نت پيانو را مي نوازند. اگر آنها زنش را بشنوند متوجه خواهند شد که بايد تار را براي نت تنگتر و يا گشادتر کنند. هنگاميکه زنش ناپديد مي شود، نت کوک شده است. اين پديده چيزي است که با استفاده از آن دوپلر توانست اظهار کند که فرکانس شيپور در حال حرکت قطار تغيير مي کند. او توانسته بود زنش را بشنود.

 

تعريف موسيقي:

موسيقي هنر بيان احساسات به وسيله صداهاست. مهمترين عوامل تشکيل دهنده موسيقي صدا و وزن هستند. صدا نتيجه حرک ارتعاشي است که به وسيله گوش احساس مي شود. صداهايي که داراي ارتعاشات نامنظم باشند، صداهاي غيرموسيقي و آنهايي که پريوديک هستند و ارتعاشات منظم دارند، صداهاي موسيقي ناميده مي شوند.
نت: علامتي است که به وسيله آن صداهاي موسيقي نوشته و اجرا مي شوند. نتهايي که در موسيقي به کار مي روند، هفت نام مختلف دارند:
دو – ر – مي – فا – سل – لا – سي
در انگلستان و امريکا و آلمان A به جاي لا، B به جاي سي، C به جاي دو، D به جاي ر،E به جاي مي، F به جاي فا، G به جاي سل کاربرد دارد. با اين تفاوت که در آلمان B معرف سي بمل، و H معرف سي است.
وزن: منظور از وزن در موسيقي به کار بردن صداها و سکوتها با امتدادهاي گوناگون است که از نظر زمان با يکديگر متناسب باشند.
ميزان: هر قطعه موسيقي از نظر زمان به قسمتهاي مساوي تقسيم مي شود، که هر يک از آن قسمتها را ميزان و خط قائمي که آنها را از يکديگر جدا مي کند، خط ميزان گويند. ضرب: هر ميزان ممکن است از دو يا سه يا چهار قسمت مساوي تشکيل شود که آن قسمتها را ضرب گويند.