با اختراع لیزر و پس از آن ساخت فیبر نوری حوزه شاخه اپتیک در فیزیک آنقدر گسترده گردید و کاربردهای آن آنقدر زیاد شد که شاخه ای جدید در علم متولد گردید که به فوتونیک موسوم گردید. این شاخه جدید در سه گرایش الکترونیک، مخابرات و فیزیک کار خود را شروع نمود.
پیشرفت روز افزون تکنولوژی و ساخت قطعات الکترونیکی کوچک و کوچکتر تا به آنجا ادامه یافته است که امروزه پیش بینی می شود که در چند سال آینده دیگر نتوان قطعاتی از این کوچکتر ساخت که قادر به عبور جریان الکتریسیته باشند به گونه ای که در آنها عبور یک الکترون برابر خواهد بود با برقراری جریان و عدم عبور آن یعنی قطع جریان الکتریکی. این مساله باعث شده تحلیل مدارات دیگر از حوزه الکترونیک کلاسیک خارج شده و بررسی چنین سیستمی بر عهده مکانیک کوانتم نهاده شود که دارای مشکلات خود می باشد. این امر باعث شده تا دانشمندان به فکر جایگزینی برای الکترون بیافتند تا مشکلات الکترون را نداشته باشد و در اولین گزینه ها فوتون یعنی کوانتای نور را جایگزینی مناسب یافتند. پس از این پس باید به دنبال ساخت ادواتی بود که جای ادوات الکترونیکی را در مدارات بگیرد و در آنها فوتون نقش اساسی را بازی کند. تحقیقاتی که این هدف را دنبال می کنند در حوزه فوتونیک شاخه الکترونیک آن بررسی می شود و بر عهده این بخش است.

شکست نور در منشور

به راستی این رنگها از کجا می‌آیند؟!

نیوتن دریافت آن چیزی را که چشمهای ما به عنوان نور سفید می‌بینند در حقیقت مخلوطی از رنگهای گوناگون است که شکست آنها پس از منشور یکسان نیست و برای نور سرخ از همه رنگهای دیگر کمتر و برای نور بنفش از همه بیشتر است. نیوتن برای اثبات شکستهای متفاوت از دو منشور استفاده کرد و دوباره توانست نور سفید را بدست آورد. اما هنوز یک سوال دیگر باقی بود و آن این بود که چرا نور باید، رنگهای مختلفی را دارا باشد؟!
جنس نور

نیوتن به دنبال جنس نور بود. دو نظریه در این زمینه وجود داشت: اول آنکه نور از مجموعه‌ای از ذرات تشکیل شده است که بر خطی راست و به سرعت در حال حرکتند و دوم آنکه نور مجموعه‌ای از امواج است که بسیار کوچکند و در مسیری مستقیم حرکت می‌کنند. نکته بسیار قابل توجه در مورد امواج این بود که آنها می‌توانند خمیده شوند، این امر زمانی رخ خواهد داد که امواج با موانع برخورد کنند. شما می‌توانید خمیده شدن امواج آب را در برخورد با موانع ببینند. همچنین صدایی را که در یک طرف کنج دیوار می‌شنوید، می‌توانید در طرف دیگر آن کنج نیز گوش کنید، پس امواج صدا باید در اطراف آن کنج خمیده شده باشند. از سوی دیگر می‌دانید که اگر نور به یک طرف کنج بتابد خمیده نمی‌شود، به عبارت دیگر شما نمی‌توانید شخصی را از طرف دیگری ‌از کنج دیوار مشاهده کنید.
به همین دلیل بود که نیوتن تصور می‌کرد، نور جریانی از ذرات متحرک کوچک است، نه جریانی از امواج. اما همه دانشمندان با او موافق نبودند. یک هلندی به نام کریستین هویگنس نظریه موجی بودن نور را قبول داشت. او عقیده داشت که امواج کوچک بسادگی امواج بزرگ خمیده نمی‌شوند و اگر نور از امواج بسیار کوچک تشکیل شده باشد، به هیچ وجه خمیده نخواهد شد! او با نیوتن مخالف بود، هر چند که بسیاری عقیده داشتند که نیوتن بزرگترین دانشمند جهان است.

با این حال ، حتی ممکن است بزرگترین دانشمند جهان هم دچار اشتباه شود. شخصی به نام یانگ این مشکل را حل کرد. او در کار طبابت و تنظیم دایرة المعارف بریتانیکا استاد بود و ختی نوشته‌های مصریان را برای نخستین بار ترجمه کرد. با این وجود علاقه بسیاری به آزمایشهای مربوط به نور داشت. یانگ صوت را مطالعه کرد و فهمید هنگامی که دو صدا به هم می‌رسد، از هم می‌گذرند.

گاهی اوقات یک صدا ، صدای دیگر را کاملا حذف می‌کند. اما اگر موجهای صدا طولهای متفاوتی داشته باشند، موج بلندتر از موج کوتاهتر جلو می‌افتد و برای مدتی ، صدا بلندتر از حالت عادی خواهد شد، اما مدتی بعد سکوت برقرار می‌شود و این امر پی در پی ادامه خواهد داشت. اگر نور جریانی از ذرات باشد، این وضع پیش نمی‌آید، زیرا یک ذره نمی‌تواند دیگری را حذف کند. در سال 1801 میلادی ، یانگ با فرستادن یک باریکه نور از دو شکاف باریک متفاوت بسیار نزدیک به هم آزمایشی انجام داد.






باریکه‌های نور در نقاطی همدیگر را حذف می‌کنند و در نقاطی دیگر بر هم اضافه می‌شوند و این عمل بصورت متناوب و درست همانند صوتهای موسیقی و تغییرات آنها صورت می‌گیرد. هنگامی که دو باریکه نور همدیگر را حذف می‌کنند، می گوییم که باریکه ها با هم تداخل کرده اند، یا اینکه تداخل ایجاد شده است. به این ترتیب نوارهای روشن و تاریک "فریزهای تداخلی" نامیده می‌شوند. با این آزمایش مسأله حل شد و معلوم گردید که حق با هویگنس است و نیوتن اشتباه می‌کرده است.
طول موج نور

نور از موجهایی بسیار ریز تشکیل شده است. یانگ از روی پهنای فریزهای تداخلی توانست طول یک موج نور را محاسبه کند. این طول را طول موج می‌نامند. با این محاسبه معلوم شد که طول موج نور حدود 20000/1 سانتیمتر است. البته همه امواج نور دارای طول یکسانی نیستند. نور سرخ بلندترین طول موج را دارد و نور بنفش کوتاهترین طول موج را دارا است. هر قدر طول موج کوتاهتر باشد، نور بیشتر شکسته می‌شود و به همین دلیل است که منشور رنگها را از هم جدا می‌کند.

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.

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 .

صدها آزمایش گوناگون ثابت کرده که امواج نوری ووجود دارند .این امواج بر خلاف امواج آب و امواج صوتی . در خلاء نیز انتشار می یابد . نور . امواج رادیویی امواج مادون قرمز .امواج ماوراء بنفش و امواج (روتنگن ) همگی به خانواده بزرگ (امواج مغناطیسی ) تعلق دارند .
ماون قرمز به نوبه خود نسبت به نور قرمز از طول موج بلندتری برخودار است . در حالی که نور مارواءبنفش دارای طول موج کوتاهتری از نور بنفش بوده و اشعه رونتگن در جای خود طول موج کوتاهتر ی از نور ماوراء بنفش دارد . تا آغاز قرن حاضر این طور تصور می شد که با توجه به آگاهی ذهنی که انسان از نور به عنوان موج دارد به تمام خصوصیات نو ر پی برده و آن را کاملاً شناخته است .ولی با ظهور فیزیکدانهای بزرگی چون "پلانک " و "اینشتین " این تصور تغییر یافت .
آنها یک بار دیگر نشان دادند که در قلمرو سریتعترینها و کو چکترینها قوه تخیل و درک و استنباط ما از کار باز می ایستد و عاجر می ماند و طبیعت دراین زمینه کاملاً مغایر با آنچه انتظارداریم رفتار می کند . اینشتین به این مطلب پی برد که :انرژی مربوط به یک موج الکترو مغناطیسی همواره در مجموعه ها و بسته های کوچک یا به اصطلاح در "کوانت ها " یا ذره های معنین منتقل می شوند که امروزه آنها را "فوتون "یا "ذره نوری " می نامند . بطور خلاصه بسته به اینکه چه نوع آزمایشی بر روی نور انجام می شود و چه تجربه ای در حال اجرا است .نور می تواند به صورت موج یا ذره نمودار شود.
هر چه طول موج نو کوتاهتر باشد انرژی ذره نوری مربوط به آن بیشتر است . نور آبی طول موج کوتاهتری از نور قرمز دارد به همین دیلیل فوتونهای نور آبی انرژی بیشتری نسبت به فوتونهای نور قرمز دارند . پرتوهای "رونتگن " طول موجی باز هم کوتاهت ر دارند و در نتیجه فوتونهای اشعه رونتگن ، پر انرژی هستندمثلاَ تشعشعات رونتگن می توانند در عمق بدن اسنان نفوذ کنند و این خاصیتی است که پزشکان ،آگاهانه از آن برای تشخیص شکستگی استخوانها ،استفاده می کنند .
ذر ات نوری یا "فوتونها " مانند اتمها یا الکترونها دارای جرم نیستند و در تمام طول عمر خود با سرعت نور در حرکت هستند .
البته خیلی مشکل می توان تصور کر د که ذراتی بدوون جرم وجود داشته باشند ولی با خودانرژی به این طرف و آن طرف حمل کنندو یا اینکه نو یک بار به صورت موج و بار دیگر به صورت جریان ذره ای نمودار شود . اما این دقیقاَ خصوصیات فیزیک جدید در قرن بیستم است .البته می توامسیر جریانات را در سرزمین اتمها از طریق ریاضیات محاسبه کرد .برای این منظور معامله ای وجود دارد که می توان با آن انرژی نو را با توجه به طول موج آن محاسبه کرد ،ولی تصور و تخیل ما اغلب اوقات برای درک سیر تحولات طبیعی در قلمر و کوچکترینها و سریعترینها محدود و ناتوان است .
شاید مغز ما و به پیروی از آن نیروی تصور و تخیل ما از ابتدا برای درک مسایلی چون اتمها و کیهان پیش بینی نشده بوده و بلکه برای این بوده که فرضاً در جستجوی غذای خودباشیم ،و یا اینکه که غارخود را پیدا کنیم ،یا اینکه حیوان درنده ای مثل شیر را در جنگل تشخیص دهیم و به عبارت دیگر چیزهایی را تجزیه و تحلیل و ارزیابی کنیم که یک سانتیمتر، یک متر و یا یک کیلو متر اندازه دارند و سریعتر از 100کیلو متر در ساعت حر کت نمی کنند.