مقدمه

کوره آفتابی وسیله‌ای است برای تولید گرما بوسیله تجمع و تمرکز نور خورشید در یک نقطه خاص و استفاده از حرارت آن نقطه برای تولید آب گرم و بخار آب گرم. کوره آفتابی به شکل بشقاب کاو (مقعر) و آینه‌ای و صیقلی (که نورهای تابیده شده به طرف خود را بازتاب می‌کند) است. نورهای تابیده شده از بی نهایت دور موازی هستند، بنابراین همه آنها بعد از بازتابش نقطه خاصی به نام کانون می‌گذرند. برای ورود به بحث با چند اصطلاح آشنا می‌شویم.

مرکز آینه (C): نقطه‌ای است که فاصله تمام نقاط سطح از آن نقطه ثابت است.
کانون (F): نصف فاصله سطح تا مرکز را کانون می‌نامند و فاصله و سطح بشقاب (رأس آینه) تا کانون فاصله کانونی (f) نامیده می‌شود.
محور اصلی: خطی فرضی که وسط (رأس) بشقاب را به مرکز وصل کرده و کانون روی آن نیز کانون اصلی نامیده می‌شود.

پرتو نورهای تابیده شده نسبت به محور اصلی در بازتاب تقارن آینه‌ای دارند. پرتو نورهایی که موازی محور اصلی بتابد حتما بازتاب آنها از کانون می‌گذرد (کانون اصلی) ، پس در آن نقطه حرارت و گرما بسیار بالاتر از اطراف است. پس اگر منبع آب در آن نقطه قرار داده شود آب در اثر انرژی دریافتی از خورشید بسیار گرم خواهد شد و این اساس یک کوره آفتابی است.

نمونه کوچک و قدیمی کوره آفتابی ذره‌بین است که از شیشه محدب یا حتی یخ تراشیده شفاف ساخته می‌شد. امروزه از اجسام آینه‌ای با توجه به ویژگی ساختمانی گفته شده برای تولید آب گرم منازل در ابعاد محدود در پشت بامها و در ابعاد بزرگتر ساختمان بلند که نمای بیرونی آن به شکل کاو طراحی شده و در نمای جلویی آن از شیشه‌های رفلکس و آینه‌ای برای بازتاب نور استفاده می‌شود، بطوری که بازتابها در یک نقطه در مقابل یعنی کانون جمع می‌شوند.

در کانون یک منبع آب قرار می‌دهند و با لوله کشیهایی به توربین تولید برق وصل می‌کنند، با توجه به ابعاد ساختمان انرژی گرمایی دریافتی فوق العاده بالاست و بخار آب تولید شده با جریان شدید در لوله‌ها به توربین رسیده و باعث چرخش آن و تولید برق ارزان قیمت در چنین مجموعه نیروگاهی برق - آبی می‌گردد.

با توجه به پیشرفت صنعتی ، نیاز روز افزون به انرژی ، گرانی ، محدودیت منابع ، ناوگان حمل و نقل ، آلودگیهای زیست محیطی برخی منابع انرژی مثل سوختهای فسیلی ، پسماندها و ... . استفاده از انرژی خورشید به عنوان منبع سالم و تجدید پذیر انرژی در زمین راه کار مناسبی برای منازل در جهت کاهش هزینه و آلودگی و ... باشد، بویژه که برخی مناطق به دلیل صعب العبور بودن و هزینه انتقال و تلفات انرژی بالایی دارند.

برای افزایش بهره‌وری در استفاده از بشقابها و نیروگاهها می‌توان موارد زیر را در نظر گرفت. موقعیت جغرافیایی ، اقلیمی ، ویژگیهای آب و هوا با توجه به آفتابی بودن ، طول روز مسیر ظاهری حرکت خورشید در آسمان از طلوع تا غروب و با استفاده از منابع اطلاعاتی در این مورد می‌توان اطلاعات لازم را بدست آورد.

استفاده از مواد مناسب و طراحی آنها در جهت افزایش نسبت بازتاب به نور تابشی و همچنین برنامه رایانه‌ای و یک موتور برای چرخاندن دستگاه و مجموعه برای افزایش کارایی توصیه می‌شود، طوری که بشقاب و مجموعه همواره مسیر حرکت خورشید را تعقیب کرده و متناسب با آن بچرخد. در برنامه رایانه‌ای استفاده از روش و نمودار رویدات و سلرز - مدار میل خورشید بر حسب عرض جغرافیایی ، انرژی رسیده به سطح و توان جذب و بازتاب سطح در منبع فوق سودمند است.

اخترشناسان ادعا می کنند با این سیستم جدید می توانند سیاراتی در اندازه مشتری را در فاصله 26 سال نوری زمین تفکیک کنند .

تلسکوپ 5/6 واقع در قله هاپکینز در ایالت آریزونای آمریکا به ابزار جدیدی مجهز شده است که می تواند تصاویر ناب و بی نظیری از جهان تهیه کند.این پیشرفت جدید در فناوری سیستمهای اپتیک سازگار با کمک آینه ثانویه جدید این تلسکوپ به دست آمده است که بیش از 70 سانتیمتر قطر و ضخامتی کمتر از دو میلیمتر دارد.این آینه ثانویه در یک میدان مغناطیسی واقع شده هر یک هزارم ثانیه یکبار تغییراتی در انحنای آن به وجود می آید که موجب اصلاح تصویر نهایی و رهایی آن از تاثیرات اغتشاشات جوی می شود. این تلسکوپ که در سال 1970 ساخته شده بود به نام تلسکوپ با آینه چندگانه MMT نامیده شد. در سال گذشته 6 آینه تشکیل دهنده آینه اولیه آن با یک آینه یکپارچه 5/6 متری تعویض شد .( اگر چه این تغییر موجب تغییر نام این تلسکوپ نشد). پس از این تعویض دانشمندان رصدخانه دانشگاه آریزونا در آمریکا و رصدخانه اختر فیزیک آرستری ایتالیا بر روی ساختار آینه ثانویه این تلسکوپ متمرکز شدند و سرانجام موفق شدنداین آینه ثانویه را که قلب سیستم اپتیک سازگار این تلسکوپ است را تهیه کنند.

در طراحی سیستم اپتیک سازگار از دو استراتژی کلی استفاده می شود اول آنکه هدفی مصنوعی ( مانند یک ستاره مجازی که توسط پرتو لیزر ایجاد شده است) برای تلسکوپ تعیین می گردد و از آن پس سیستم تنظیم فوکوس تلسکوپ با توجه به تغییرات ظریفی که براثر اختلالات جوی در تصویر ستاره مجازی ایجاد می شود به تصحیح و تنظیم فوکوس تصاویر می پردازد.در روش دوم سیستم کنترلی بر روی آینه تلسکوپ تعبیه می گردد که پس از ثبت اغتشاشات جوی با اعمال تغییرات جزیی در انحنا آینه ها اثر این اغتشاشات را از بین می برد. در تلسکوپ MMT نیز از همین استراتژی استفاده شده است.

در سیستم جدید اصلاح پرتوهای نوری مشتقیما توسط آینه ثانویه صورت می گیرد.و نتایج حاصله نشان از کارآمدی ان دارد. فناوری بالا و مراحل بسیار مشکل ساخت آینه ای با خصوصیات آینه ثانویه MMT که قابلت انحنا پذیری سریع داشته باشد اصلی ترین علتی بود که این سیستم اپتیک سازگار تا کنون به کار گرفته نشود. تیم سازنده این سیستم نیز پس از صرف چندین سال مطالعه و تحقیق این گام بزرگ را برداشته اند. در سیستم اپتیک سازگار طراحی شده برای MMT یک حسگر بسیار حساس اغتشاشات جوی را ثبت و به کامپیوتری که پشت آینه ثانویه قرار دارد منتقل می کند. این کامپیوتر نیز با کنترل 336 محرک الکترو مغناطیسی به اعمال تغییرات انحنا در آینه ثانویه می پردازد که در نتیجه نور جمع آوری شده از آینه اولیه با بالاترین کیفیت ممکن واردسیستم فوکوس می گردد.اخترشناسان این تلسکوپ را در آبان و دی امسال مورد آزمایش قرار دادند که نتایج آن کاملا رضایت بخش بود . یکی از محققان این طرح اعلام کرده است با کمک این ابزار می توان سیاره ای در اندازه های مشتری را در فاصله 26 سال نوری از زمین مستقیما آشکار کرد. اخترشناسان امیدوارند با نصب این سیستم برروی تلسکوپهای بزرگتر بتوانند سیارات زمین مانند را حول ستاره های نزدیک جستجو و پیدا کنند.

 
کلمه "اگزایمر" از عبارت "دیمر تحریک شده" بدست آمده است که بدین معنی است که یک مولکول دو اتمی وقتی در حالت تحریکی واقع است پایدار است و در حالت پایه ناپایدار است. چنین مواردی مشخصا عباتند از هالوژنهای گاز نادر مانند ArF ، KrF و XeCl. اگر نمودار انرژی بر حسب فاصله بین مولکلی را برای حالت پایه یک مولکول معمولی رسم کنیم منحنی با یک انرژی مینیمم در حالت جدایی در حالت پایه مولکول بدست می‌آوریم. چنین منحنی‌هایی را می‌توان برای حالتهای تحریکی بدست آورد. ولی برای دیمرها گر چه حالتهای تحریکی دارای مینیمم است ولی حالت پایه دارای مینیمم نیست.

ایجاد جمعیت معکوس

بطور وضوح در حالت تعادل مولکولهای کمی در حالت پایه وجود دارند و مولکولها ناپایدارند. از اینرو نمی‌توان تحریک را مستقیم از حالت پایه بدست آورد. چندین امکان برای تحریک غیر مستقیم در تخلیه وجود دارد. برای مثال در ArF مراحل زیر اتفاق می‌افتد. ابتدا برخورد الکترونی داریم:

یونهای منفی با یونهای مثبت موجود مولکول تحریک شده را تولید می‌کنند:

با وجود این راه غیر مستقیم ، چنین واکنشهایی می‌تواند در تحریک کردن مولکولهای دیمر بسیار مؤثر باشد. به دلیل جمعیت کم در حالت پایه ، جمعیت معکوس به راحتی حاصل می‌شود. حتی وقتی که لیزر در حال کار است جمعیت حالت پایه خالی باقی می‌ماند، به دلیل آنکه حالت پایه ناپایدار است. به محض آنکه مولکول در حالت پایه قرار می‌گیرد اتمها به سرعت از یکدیگر جدا می‌شوند و مولکول تجزیه می‌شود.

فرآیند دمش

برای دمش این لیزرها تخلیه الکتریکی ، پرتوهای الکترونی و حتی پرتوهای فوتونی بکار می‌روند، گر چه در لیزرهای تجارتی معمولا از روش تخلیه الکتریکی استفاده می‌شود. دمش بسیار قوی به منظور ایجاد واکنشهای فوق مورد نیاز است که منجر به عمل لیزر به صورت ضربانی می‌شود. تجهیزاتی مانند آنچه در لیزر ازت به منظور دمش لیزر مورد نیاز است. بعضی از مواقع با استفاده از پرتوهای ماوراء بنفش و یا پرتوهای ایکس گازی محفظه تخلیه ابتدا کمی یونیزه می شود که تخلیه الکتریکی را بعدا سرعت می بخشد. غالبا تجهیزاتی نیز به منظور تعویض نوع گاز و تغییر طول موج لیزر نیز ساخته می‌شود. در هر صورت ضروری است بطور منظم گاز داخل محفظه لیزر تعویض شود تا از کاهش و تغییر خروجی لیزر ممانعت شود. لازم به توضیح است که بعضی از این مواد بخصوص گاز فلوئور سمی است.

توان و بازه فرکانسی

تعداد نسبتا زیادی لیزرهای اگزایمر ساخته شده‌اند که ناحیه طول موجهای 120 تا 500 نانومتر را در بر می‌گیرند. بعضی از آنها به خصوص XeF و KrF دارای کارآیی مؤثر 15-10% می‌باشند. توان ماکزیمم تا 1 ژول با توان متوسط حدود 200 وات قابل حصول است. چنین ضربانهای با توان بالا به خصوص جهت دمش لیزرهای رنگی مورد نیاز است.

نور می تواند به الکترونهای موجود در یک فلز انرژی بدهد و موجب شود که این الکترونها با انرژی جنبشی خاصی سطح فلز را ترک کنند . چون فلز در بدو امر بدون بار است از دست رفتن الکترونها در فلز بار مثبت به جا می گذارد . هر گاه یک رسانا در جایی گذاشته شود که بتواند الکترونها را جمع آوری کند این رسانا بار منفی پیدا می کند . چنین وسیله ای که چشم الکترونی نامیده میشود می تواند برای تولید جریان الکتریکی از نور خورشید مورد استفاده قرار گیرد . توجه داشته باشید که وقتی تجمع بار زیاد می شود الکترونها به علت بار منفی موجود در کلکتور رانده می شوند ( و بار فلز فرار الکترونها را مشکل تر می کند) و در نتیجه الکترونها سرگردان شده و به راه ( نادرستی ) می روند . آن چه برای رفع این مشکل لازم است نوعی (راهرو یک طرفه ) است که امکان می دهد الکترون ها فقط در یک جهت جریان پیدا کنند . این کار تا اندازه محدودی با ساختن صفحه ای حساس به نور ، از فلزی که الکترونها ی خود را به سهولت آزاد کند ، و ساختن کلکتوری از یک فلز که چنین خاصیتی را نداشته باشد ، انجام می شود .

اما تاکنون چشمی الکترونی که بتواند به عنوان یک منبع انرژی مفید به کار آید ساخته نشده است . یک ( راهرو یک طرفه ) بهتر ممکن است به صورت ساندویچی از دو لایه ماده متفاوت ساخته شود به طوری که نور را جذب کند و الکتریسیته را بسیار بهتر از یک عایق ولی نه به خوبی یک فلز هدایت کند . سیلیسم و ژرمانیوم نمونه های خوبی از این گونه موادند ( که نیم رسانا نامیده می شوند) . خاصیت اتصالی بین دو نیم رسانا ی مناسب این است که جریان الکتریکی در آن ها فقط در یک جهت می تواند جریان پیدا کند.

هرگاه نور به اتصال مذکور برخورد کند ، همچنان که درباره چشم الکترونی دیدیم ، سبب جدایی بار می شود . جدایی بار بین دو لایه اختلاف پتانسیل ایجاد می کند ، این فرایند را اثر فوتوولتایی می‌گویند زیرا نور ولتاژ ایجاد می کند . هرگاه مداری آن دو را به هم متصل کند ولتاژ جریان الکتریکی به وجود می‌آورد . این(ساندویچ )را فوتوسل یا سلول خورشیدی می نامند .

چند چیز مانع می شود که سلول خورشیدی تمام انرژی نور را به الکتریسیته تبدیل کند . نخست آن که مقداری از نور باز تابیده می شود و مقداری از آن هم به طور مستقیم از سلول می گذرد ، این نور هرگز مورد استفاده سلول قرار نمی گیرد . دوم آن‌که هرچند اتصال مذکور (راهروی یک طرفه ) خوبی است ولی کامل نیست . بدین معنی از بارهای + و – ایجاد شده در واقع بار دیگر درون سلول با هم ترکیب می‌شوند این زاییده را (بار ترکیب) می‌گویند . نتیجه کلی این رویداد آن است که مقداری از انرژی به الکتریسیته تبدیل نشده بلکه سبب گرم کردن سلول می شود .

پژوهشگران در این‌باره دو هدف عمده را برای اصلاح سلولهای خورشیدی دنبال می کنند .

1 - باز ترکیب بارهای + و – را کاهش میدهند تا سلول در حد ممکن کارآیی پیدا کند .

2- سلول هایی بسازند که تولید انبوه آن‌ها به طور ارزان امکان پذیر باشد .

وقتی جسم کدری میان یک پرده و یک چشمه نقطه‌ای نور قرار گیرد، سایه‌ای پیچیده متشکل از نواحی روشن و تاریک ایجاد می‌شود. این اثر به آسانی قابل روییت است، اما یک چشمه نسبتا قوی ضروری است. لامپی با شدت زیاد که از یک سوراخ کوچک می‌درخشد، این کار را به خوبی انجام می‌دهد. اگر به نقش سایه حاصل از یک قلم ، تحت روشنایی یک چشمه نقطه‌ای نگاه کنید یک ناحیه روشن غیر معمولی در کناره خواهید دید.

حتی نواری با روشنایی ضعیف در وسط این سایه تشکیل می‌شود. به سایه‌ای که توسط دستتان در امتداد نور خورشید ایجاد می‌شود، نگاهی دقیق بیندازید. معمولا پراش مربوط به موانع شفاف مورد نظر قرار نمی‌گیرد. هر چند اگر در شب رانندگی کرده باشید، در حالیکه چند قطره باران بر روی شیشه عینکتان نشسته باشد، فریزهای روشن و تاریک را مشاهده خواهید کرد.

تاریخچه

اولین مطالعه تفضیلی منتشر شده درباره انحراف نور از مسیر مستقیم توسط فرانسسیکو گریمالدی در قرن هفدهم انجام گرفت و آن را پراشه نامید.

انواع پراش

پراش فرانهوفر

فرض کنید که یک مانع کدر حاوی یک روزنه کوچک داریم که امواج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. صفحه مشاهده ، پرده‌ای است موازات با مانع کدر ، دورتر بودن صفحه مشاهده به آرامی باعث تغییر پیوسته در فریزها می‌شود. در فاصله خیلی دور از مانع نقش تصویر شده بطور قابل ملاحظه‌ای پخش خواهد شد. بطوری که به روزنه واقعی بی‌شباهت است و یا شباهت اندکی با آن خواهد داشت. از آنجا به بعد حرکت دادن پرده تنها اندازه نقش پراش را تغییر می‌دهد ولی شکل آن را بدون تغییر می‌گذارد. این پراش را فرانهوفر یا پراش میدان- دور می‌گویند.

پراش فرنهوفر تک شکاف

در این نمونه شکاف مستطیل شکل که پهنای کوچک و طول چند سانتی متردارد، در مقابل منبع نور قرار می‌گیرد. پرتوهای نور بعد از عبور از شکاف بر روی پرده تشکیل تصویر می‌دهند، که قسمت مرکزی در مقایسه با کناره‌ها شدت بیشتری دارد. نقش‌های پراش در اطراف این ناحیه بوضوح دیده می‌شود و ضمن اینکه شدت نور با دور شدن از ناحیه مرکزی کاهش ی‌یابد، نوارهای تاریک در بین نوارهای روشن قابل روییت است.

شکاف دوگانه

در این نمونه مانع کدر که در مقابل نور قرار می‌گیرد از دو شکاف مستطیل شکل موازی تشکیل شده است. هر روزنه به خودی خود همان نقش پراش تک شکافی را روی پرده دید ایجاد خواهد کرد. در هر نقطه روی پرده سهم‌های مربوط به این دو شکاف روی هم می‌افتد. گرچه دامنه هر کدام از آنها اساسا باید باهم مساوی باشد، ممکن است اختلاف فاز قابل توجهی پیدا کنند. در داخل قله مرکزی پراش وجود خواهد داشت. ممکن است یک بیشینه تداخل و یک کمینه پراش با یک مقدار از (زاویه انحراف از قسمت مرکزی) متناظر باشند. در چنین حالتی نوری وجود ندارد، که در آن موقعیت دقیق در تداخل شرکت کند و قله حذف شده را مرتبه گم شده می‌نامند.

پراش فرنل

فرض کنید یک مانع کدر حاوی روزنه کوچک که اموج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. در این حالت صفحه مشاهده پرده‌ای موازی با مانع است. در این شرایط یک تصویر از روزنه بر روی پرده می‌افتد، که علی‌رغم وجود برخی فریزهای جزیی در اطراف محیط آن ، به روشنی قابل تشخیص است. بتدریج که صفحه مشاهده از مانع دور می‌شود، تصویر روزنه گر چه هنوز به راحتی قابل تشخیص است، هرچه شکل مشخص‌تری به خود می‌گیرد، و این در حالی است که فریزها نمایانتر می‌شوند. این پدیده مشاهده شده پراش فرنل یا میدان- نزدیک نامیده می‌شود.

اصل بابینه

دو پرده پراشان را مکمل می‌گویند، هرگاه نواحی شفاف روی یک پرده با نواحی کدر پرده دیگر و بر عکس متناظر باشند. وقتی که دو پرده مکمل روی هم بیافتند، آشکار است که ترکیب آنها کاملا کدر است.

توری پراش

آرایه‌ای تکراری از عناصر پراشان ، نظیر روزنه‌ها یا موانعی که اثر آنها ایجاد تغییرات متناوبی در فاز ، دامنه یا هر دوی آنها در یک موج خروجی است، یک توری پراش نامیده می‌شود. غالبا توریهای تخت تراشه‌ای ، یا شیارهایی تقریبا مستطیلی چنان سوار می‌شوند که بردار انتشار فرودی تقریبا بر هر یک از وجوه شیارها عمود باشند.