اپتیک و فوتونیک برای انرژی و محیط زیست

اپتیک و فوتونیک برای انرژی و محیط زیست

اپتیک و فوتونیک در تولید انرژی، حفظ انرژی و نظارت بر پیامدهای هر دو بر محیط زیست حیاتی هستند.

نقش فوتونیک در حفظ انرژی:

روشنایی حالت جامد: طیف الکترومغناطیسی تولید شده از گرمایش رشته تنگستن در یک لامپ رشته ای، عمدتاً طیف مادون قرمز را با بخش کوچکی در ناحیه مرئی پوشش می دهد.

نمایشگرهای تخت: محرک کلیدی برای نمایشگرهای صفحه تخت، پیشرفت در فناوری سیلیکون آمورف بود. در نمایشگرهای ماتریس فعال، هر پیکسل با یک مدار راه انداز هدایت می شود و به قطعات الکترونیکی لایه نازک با مساحت بزرگ نیاز است.

مدیریت نور برای کاربردهای نمایشگر و روشنایی: مدیریت نور یک جنبه مهم برای روشنایی حالت جامد و کاربردهای نمایشگر است که دارای LEDهای غیرآلی یا OLED هستند، به ویژه در رابطه با راندمان استخراج نور این دستگاه ها.

ارتباطات و اتصالات نوری: استفاده از اپتیک در مخابرات کاملاً شناخته شده است. مقدار داده ای که روی یک موج رمزگذاری می شود، با فرکانس موج حامل سیگنال تعیین می شود. بنابراین، توسعه ارتباطات شامل استفاده از فرکانس‌های موج حامل بالاتر است که از طریق طیف فرکانس رادیویی و فراتر از آن به فرکانس‌های نوری افزایش می‌یابد. علاوه بر موج حامل فرکانس بسیار بالا، مزیت تعیین کننده ارتباطات نوری در دسترس بودن فیبرهای نوری برای نگه داشتن سیگنال در فواصل بسیار زیاد با تلفات بسیار کم بوده است.

نانوفوتونیک و بلورهای فوتونیک

نانوفوتونیک و بلورهای فوتونیک

نانوفوتونیک روشی برای مطالعه خواص مواد در محدوده نانومتری با استفاده از نور، تنظیم امواج نوری با مواد ساختاری کوچکتر از طول موج آنها، یا تغییر خواص نوری ماده توسط میدان های نوری کنترل شده است.

بلورهای فوتونیک مواد درشت متخلخل با خواص جالب به ویژه خواص نوری هستند.

استراتژی های ساخت بلورهای فوتونیک:

1. بلورهای فوتونیک یک بعدی: در یک بلور فوتونیک یک بعدی، لایه‌های ثابت دی الکتریک مختلف نیز می‌توانند به یکدیگر رسوب کرده یا به هم بچسبند تا یک شکاف باند در یک جهت ایجاد کنند. توری براگ نمونه ای از این نوع کریستال فوتونی است. بلورهای فوتونیک یک بعدی اغلب همسانگرد یا ناهمسانگرد هستند که دومی به عنوان سوئیچ نوری کاربرد بالقوه دارد.

2. بلورهای فوتونیک دوبعدی: در دو بعد، حفره‌هایی را نیز می‌توان در بستری ایجاد کرد که نسبت به طول موج تشعشعی که شکاف باند برای مسدود کردن آن برنامه‌ریزی شده است شفاف باشد. شبکه های مثلثی و مربعی سوراخ ها با موفقیت به کار می روند.

3. بلورهای فوتونیک سه بعدی

چندین نوع ساختار وجود دارد که ساخته می شوند:

ساختار چوبی: «میله‌ها» بارها با لیتوگرافی پرتو حکاکی می‌شوند، پر می‌شوند و با لایه‌ای از آخرین مواد پوشانده می‌شوند. از آنجا که فرآیند تکرار می شود، کانال های حک شده در هر لایه عمود بر لایه زیر و موازی و خارج از فاز با کانال های دو لایه زیر هستند.

عقیق‌های معکوس یا کریستال‌های کلوئیدی معکوس: کره‌ها اغلب اجازه دارند در یک شبکه مکعبی بسته‌بندی شده و معلق در یک حلال رسوب کنند. سپس یک سخت کننده معرفی می شود که از مقدار اشغال شده توسط حلال، یک جامد شفاف تولید می کند. سپس کره ها با اسیدی مانند اسید هیدروکلریک حل می شوند.

برنامه مدیریت نوآوری و کارآفرینی

برنامه مدیریت نوآوری و کارآفرینی در رشته مهندسی اپتیک و لیزر با تیم مهندس شکوفه ساتری

لیزرهای آبشاری کوانتومی

لیزرهای آبشاری کوانتومی

این دوره اصول اولیه دستگاه های ساطع کننده نور نانوفوتونیکی و آشکارسازهای نوری، از جمله نیمه هادی فلزی، عایق نیمه هادی فلزی، و اتصالات pn، رساناهای نوری، فتودیودهای بهمنی و لوله های مولتی پلایر را پوشش می دهد. ساختارهای با ابعاد کم، کلاس کاملاً جدیدی از دستگاه ها را امکان پذیر می کند. در سفری به من بپیوندید تا بفهمید چگونه این اتفاق می‌افتد و نمونه‌های قدرتمندی از فناوری‌های موفق مانند لیزر آبشار کوانتومی را بررسی کنید. ماژول 1 لیزر آبشار کوانتومی را پوشش می‌دهد، یک طراحی لیزری مبتنی بر انتقال بین زیر باند، که لیزرهای با طول موج بسیار طولانی را قادر می‌سازد. همچنین در مورد لیزرهایی صحبت خواهد کرد که بر روی انتقال درون باند، با استفاده از ساختارهای کم ابعاد، که امکان کنترل بیشتر بر غلظت حامل را فراهم می‌کنند، صحبت خواهد کرد.

نانوفوتونیک و آشکارسازها

معرفی نانوفوتونیک و آشکارسازها

این دوره به دستگاه های ساطع کننده نور نانوفوتونیکی و آشکارسازهای نوری، از جمله نیمه هادی های فلزی، عایق های نیمه هادی فلزی و اتصالات pn می پردازد. ما همچنین رساناهای نوری، فتودیودهای بهمنی، و لوله‌های فتو ضرب‌کننده را پوشش خواهیم داد. مجموعه مسائل هفتگی تکالیف شما را به چالش می کشد تا اصول تجزیه و تحلیل و طراحی را که در آماده سازی برای مسائل دنیای واقعی پوشش می دهیم به کار ببرید.

نتایج یادگیری دوره

در پایان این دوره شما قادر خواهید بود…

   (1) از اثرات نانوفوتونیکی (ساختارهای کم ابعاد) برای مهندسی لیزر استفاده کنید

   (2) ساختارهای با ابعاد کم را در طراحی دستگاه فوتونیک اعمال کنید

   (3) آشکارساز نوری را برای سیستم و کاربرد معین انتخاب و طراحی کنید

لیزر در یک میکرودیسک سیلیکونی هیبریدی کمیاب

نشان می دهد که بهره نوری و لیزر در یک تشدید کننده میکرودیسک سیلیکونی خاکی کمیاب هیبریدی فوق فشرده در 1.9 میکرومتر، با بازده شیب داخلی 60 درصد و توان خروجی بیش از 1 مگاوات روی تراشه منتشر می شود. لیزر تولیوم با استفاده از مراحل پس پردازش در دمای پایین و ساده در مقیاس ویفر ساخته شده است که پتانسیل ادغام در مقیاس بزرگ تقویت کننده های یکپارچه باند 2 میکرومتر و منابع نور را در میکروسیستم های فوتونی سیلیکونی پیشرفته باز می کند.

مروری بر میکرولیزرهای اپتوفلویدیک فیبر: ساختارها، ویژگی ها و کاربردها

میکرولیزرهای اپتوفلویدیک فیبر

لیزر نوری فیبر (FOFL) یکی از مرزهای چند رشته ای است که ریشه عمیقی در زمینه های لیزر، فیبرهای نوری و میکروسیالات دارد.

مشاهده شکافتن نقطه ویل درجه دوم (شارژ-2) در بلورهای فوتونیک مادون قرمز نزدیک

نقاط ویل انحطاط توپولوژیکی در ساختار نواری رسانه های تناوبی هستند که به دلیل بار توپولوژیکی عدد صحیح خود در برابر اغتشاشات مقاوم هستند.

به طور تجربی تقسیم یک نقطه درجه دوم ویل بار-2 را به دو نقطه ویل خطی با بار-1 در بلورهای فوتونی سه بعدی میکروچاپ شده نشان می دهد و طیف تفکیک شده با زاویه آنها را در مادون قرمز نزدیک از طریق طیف سنجی فروسرخ تبدیل فوریه اندازه گیری می کند.

حالت و پلاریزاسیون-تقسیم مولتی پلکس بر اساس نیوبات لیتیوم بارگیری شده با نیترید سیلیکون بر روی پلت فرم عایق

حالت و پلاریزاسیون-تقسیم مالتی پلکس روی یک لایه نازک لیتیوم نیوبات روی پلت فرم عایق (LNOI). با معرفی نیترید سیلیکون به عنوان ماده بارگیری در بالای تراشه فوتونیک LNOI، دستگاه ها را می توان با مدولاتورهای الکترواپتیکی پرسرعت ادغام کرد تا به مدارهای مجتمع فوتونیک با ظرفیت بالا و کم هزینه مناسب برای کاربردهای ارتباط داده دست یابد، در حالی که از اچ کردن مستقیم جلوگیری می کند. لیتیوم نیوبات

توسعه دارو می تواند با استفاده از اثر فوتونیک جدید تسریع شود

نانوساختارهای نیمه هادی پیچ خورده نور قرمز را به نور آبی پیچ خورده در حجم های کوچک تبدیل می کنند که ممکن است به ایجاد داروهای کایرال کمک کند.

دانشمندان دانشگاه باث و دانشگاه میشیگان نشان داده اند که نیمه هادی های پیچ خورده در مقیاس نانو نور را به شیوه ای جدید کنترل می کنند. این اثر می تواند برای تسریع کشف و ایجاد داروهای نجات دهنده زندگی و همچنین فناوری های فوتونیکی مورد استفاده قرار گیرد.

اثر فوتونیک می تواند به توسعه سریع و غربالگری آنتی بیوتیک های جدید و سایر داروها از طریق اتوماسیون کمک کند - اساساً شیمیدانان رباتیک. این یک ابزار تجزیه و تحلیل جدید برای غربالگری با کارایی بالا ارائه می دهد، تکنیکی برای بررسی کتابخانه های عظیم ترکیبات شیمیایی.

یک نمونه دقیقه از هر ترکیب، یک چاه را روی یک میکروپلیت بسته بندی می کند. چاه ها می توانند به اندازه یک میلی متر مکعب کوچک باشند و یک بشقاب به اندازه یک شکلات می تواند هزار عدد از آنها را در خود جای دهد.

برای برآورده ساختن الزامات شیمی روباتیک نوظهور، چاه ها بسیار کوچک می شوند - برای روش های تحلیلی فعلی بسیار کوچک. بنابراین، روش‌های اساساً جدیدی برای تجزیه و تحلیل داروهای احتمالی مورد نیاز است.

جزئیات این مطالعه در Nature Photonics گزارش شده است.

یکی از اندازه‌گیری‌های اصلی در اکتشاف دارو، کایرالیته یا چرخش مولکول است. سیستم‌های بیولوژیکی، مانند بدن انسان، معمولاً یک جهت را بر دیگری ترجیح می‌دهند - فرهای چپ‌دست یا راست‌دست.

در بهترین حالت، یک مولکول دارویی با پیچش اشتباه هیچ کاری انجام نمی دهد، اما در بدترین حالت، می تواند منجر به آسیب شود. اثر آشکار شده توسط دانشمندان اجازه می دهد کایرالیته در حجم هایی که 10000 برابر کوچکتر از یک میلی متر مکعب هستند اندازه گیری شود.

حجم کوچک ممکن برای ثبت این اثرات، خاصیت تغییر بازی است که محققان را قادر می‌سازد تا از مقادیر بسیار کمی از داروهای گران قیمت استفاده کنند و هزاران برابر داده‌های بیشتری را جمع‌آوری کنند.

نیکلاس کوتوف، نویسنده همکار مطالعه و استاد برجسته دانشگاه علوم شیمی و مهندسی ایروینگ لانگمویر، دانشگاه میشیگان

این تکنیک به ساختاری بستگی دارد که تحت تأثیر طرح های بیولوژیکی است که در آزمایشگاه کوتوف فرموله شده است. تلورید کادمیوم، نیمه هادی که به طور گسترده در سلول های خورشیدی استفاده می شود، به نانوذراتی که شبیه بخش های کوتاه یک نوار پیچ خورده هستند، مهندسی شده است. اینها به شکل مارپیچ جمع می شوند و از روشی که پروتئین ها جمع می شوند تقلید می کنند.

مارپیچ های نیمه هادی کوچک که با نور قرمز روشن می شوند، نور جدیدی تولید می کنند که آبی و پیچ خورده است. نور آبی نیز در جهت خاصی ساطع می شود که جمع آوری و تجزیه و تحلیل آن را آسان می کند. تریفکتا از اثرات نوری غیرمعمول به شدت نویزهایی را که مولکول ها و ذرات نانومقیاس دیگر در مایعات بیولوژیکی ایجاد می کنند کاهش می دهد.

نیکلاس کوتوف، استاد برجسته دانشگاه ایروینگ لانگمویر در علوم و مهندسی شیمی، دانشگاه میشیگان

برای استفاده از این اثرات در غربالگری با توان بالا برای کشف دارو، نانوذرات مونتاژ شده در مارپیچ ممکن است با یک داروی نامزد ترکیب شوند. هنگامی که نانومارپیچ ها با دارو یک مجموعه قفل و کلید تشکیل می دهند و به تقلید از هدف دارو می پردازند، پیچش نانومارپیچ ها به طور قابل توجهی تغییر می کند. این تغییر در پیچش را می توان از طریق نور آبی محاسبه کرد.

«کاربرد داروها در حال حاضر فقط یک مسئله توسعه فناوری است. گام بعدی ما جستجوی بودجه برای این توسعه است.

تشکیل نور آبی از قرمز نیز در توسعه دارو در نمونه هایی که به پیچیدگی بافت های بیولوژیکی نزدیک می شوند مفید است. تقسیم دو رنگ نور از نظر فنی آسان است و به کاهش نویز نور، منفی کاذب و مثبت کاذب کمک می کند.

در حالی که محققان آزمایش‌هایی را برای آزمایش مفهوم بیولوژیکی آزمایش می‌کردند، بسته شدن و تاخیرهای COVID-19 هر بار باعث تغییر شکل نمونه‌های پروتئین می‌شد.

پسادکتر سمت من، جی یونگ کیم، و دکتری. دانشجوی لوکاس اوهنوتک در سمت حمام، آنها قهرمان هستند. آن‌ها سعی می‌کردند در شیفت‌های شبانه کار کنند، حتی زمانی که خیلی محدود بود.

نیکلاس کوتوف، نویسنده همکار مطالعه و استاد برجسته دانشگاه علوم شیمی و مهندسی ایروینگ لانگمویر، دانشگاه میشیگان

این مطالعه از انجمن سلطنتی، شورای تأسیسات علم و فناوری و شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی در بریتانیا و دفتر تحقیقات دریایی ایالات متحده حمایت مالی دریافت کرد.

کوتوف همچنین جوزف بی و فلورانس وی سیکا استاد مهندسی و استاد مهندسی شیمی، علم و مهندسی مواد، و علم و مهندسی ماکرومولکولی است.

حفاظت از پتنت توسط دانشگاه میشیگان ثبت شده است. این دانشگاه همچنین به دنبال شرکای تجاری برای تجاری سازی فناوری جدید است.