آیا آنتن های رادیویی می توانند نور مرئی ساطع کنند؟

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesamiرهام حسامی

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1622

سپاس: 3160

جنسیت:

تماس:

آیا آنتن های رادیویی می توانند نور مرئی ساطع کنند؟

پست توسط rohamjpl »

لیزر قرمز
لیزر کاربردی ترین معادل نور مرئی آنتن رادیویی است.
بله، آنتن‌های رادیویی می‌توانند نور مرئی ساطع کنند، اما احتمالاً نه آنطور که شما فکر می‌کنید. اگر انرژی کافی را به یک آنتن رادیویی پمپ کنید، می توانید آن را تا زمانی که بدرخشد و نور مرئی را از طریق فرآیند تابش حرارتی منتشر کند، گرم کنید. با این حال، یک آنتن رادیویی معمولی نمی‌تواند نور مرئی که حامل اطلاعات است، مانند آنچه در امواج رادیویی انجام می‌دهد، ساطع کند. با این حال، دستگاه های دیگری نیز وجود دارند که می توانند این کار را انجام دهند.
همانطور که ممکن است آموخته باشید، امواج الکترومغناطیسی در فرکانس های مختلفی از رادیو، مادون قرمز، مرئی و فرابنفش گرفته تا اشعه ایکس و گاما می آیند. نور قرمز ساطع شده توسط یک چوب درخشان اساساً با موج رادیویی ساطع شده توسط روتر Wi-Fi شما یکسان است. هر دو امواج الکترومغناطیسی هستند. نور قرمز فرکانس بسیار بالاتری نسبت به موج رادیویی دارد (فرکانس اندازه‌گیری است که موج در هر ثانیه چند چرخه را تکمیل می‌کند). از آنجایی که آنها اساساً یکسان هستند، ممکن است وسوسه شوید که به این نتیجه برسید که می توانید با افزایش فرکانس مداری که آنتن را هدایت می کند، یک آنتن رادیویی نور مرئی کنترل شده را ساطع کنید. در حالی که این در نگاه اول منطقی است، واقعیت خواص مواد آنتن ها مانع می شود. یک آنتن رادیویی با استفاده از مدارهای الکتریکی برای فشار دادن الکترون‌ها به آنتن به سمت بالا و پایین کار می‌کند و باعث می‌شود که میدان‌های الکتریکی الکترون‌ها نیز بالا و پایین شوند. سپس این میدان های الکتریکی نوسانی به صورت امواج رادیویی الکترومغناطیسی دور می شوند. فرکانس موج رادیویی برابر با فرکانسی است که در آن الکترون ها را به سمت بالا و پایین آنتن فشار می دهید.
یک آنتن رادیویی روتر معمولی Wi-Fi امواج رادیویی با فرکانس 2.4 گیگاهرتز (2.4 میلیارد سیکل در ثانیه) منتشر می کند که با طول موج 12.5 سانتی متر مطابقت دارد. به طور کلی، یک آنتن رادیویی زمانی امواج را به بهترین شکل ساطع می کند که طول آن برابر با طول موج موج رادیویی یا نصف یا یک چهارم طول موج باشد. بنابراین جای تعجب نیست که آنتن های روتر وای فای شما حدود 12.5 سانتی متر طول دارند. در مقابل، طول موج نور آبی حدود 470 نانومتر است. برای اینکه به شما ایده بدهم، این صد برابر کوچکتر از کوچکترین سلول بدن شماست. نور آبی دارای طول موجی است که حدود 300000 برابر کوچکتر از موج رادیویی Wi-Fi است. یک آنتن رادیویی با اندازه معمولی به دلیل این عدم تطابق اندازه، به سادگی بیش از حد بزرگ است که به طور مؤثر نور مرئی ساطع می کند. حتی اگر بتوانیم بر مشکلات مادی غلبه کنیم. ممکن است فکر کنید که می‌توانیم اندازه آنتن را کاهش دهیم تا با طول موج نور مرئی مطابقت داشته باشد، اما چنین آنتنی باید فقط 1000 اتم طول داشته باشد. ساخت چنین آنتن کوچکی دشوار است، اما غیرممکن نیست. زمینه نوظهور نانوآنتن‌های پلاسمونیک دقیقاً همین کار را انجام می‌دهد، همانطور که در پایان این مقاله به آن خواهم پرداخت. حتی اگر چنین آنتن کوچکی را با موفقیت بسازید، باز هم باید یک مدار الکترونیکی بسازید که بتواند الکترون ها را با فرکانس مناسب آنتن را بالا و پایین کند. فرکانس نور آبی حدود 640 THz (640 تریلیون چرخه در ثانیه) است. مدارهای الکترونیکی فقط می توانند جریان های الکتریکی را هدایت کنند که در بهترین حالت در صدها گیگاهرتز (صدها میلیارد سیکل در ثانیه) نوسان می کنند. اگر سعی کنید بالاتر بروید،
حتی اگر توانستید آنتن رادیویی بسازید که به اندازه کافی کوچک باشد که با طول موج نور آبی مطابقت داشته باشد و توانستید دستگاهی بسازید که بتواند الکترون ها را در فرکانس نور آبی به حرکت درآورد، باز هم یک مشکل اساسی وجود دارد: ساختار اتمی مواد آنتن برای نوسانات الکترونی با طول موج بزرگ، ماده آنتن یکنواخت به نظر می رسد و مقاومت قابل توجهی ندارد. در مقابل، برای نوسانات در مقیاس نانو، الکترون‌ها بیشتر به اتم‌ها برخورد می‌کنند و قبل از اینکه فرصتی برای انتشار انرژی خود به عنوان نور داشته باشند، انرژی خود را به اتم‌ها از دست می‌دهند. حرکت منظم الکترون ها به سرعت به حرکت بی نظم اتم ها منتقل می شود. از نظر ماکروسکوپی، می گوییم که وقتی فرکانس خیلی زیاد است، بیشتر انرژی الکتریکی قبل از اینکه فرصتی برای انتشار به عنوان نور داشته باشد، به گرمای هدر رفته تبدیل می شود.
بنابراین، سه مانع اصلی عبارتند از: اندازه کوچک مورد نیاز برای آنتن، مشکل در یافتن راهی برای هدایت الکترون ها در فرکانس بالا، و تمایل الکترون های فرکانس بالا برای از دست دادن انرژی خود برای گرما. با استفاده از سه روش مختلف می توان تا حدی بر این موانع غلبه کرد: (1) الکترون ها را در حالت های اتمی/مولکولی کوچک و موضعی که در آن نمی توانند به اتم ها برخورد کنند و سپس با استفاده از این واقعیت که آنها به طور طبیعی نوسانات الکترون را هدایت می کنند، قفل می شوند. هنگامی که بین حالت‌ها تغییر می‌کنند، نوسان می‌کنند، (2) الکترون‌ها را از خلأ با سرعت بالا از کنار آهن‌رباها شلیک می‌کنند، و (3) آنتن‌هایی در مقیاس نانو با شکل دقیق می‌سازند و با استفاده از نور فرودی، نوسانات الکترون را هدایت می‌کنند.
روش اول دقیقاً نحوه عملکرد لیزر سنتی است. موادی انتخاب می شوند که الکترون های خاصی در حالت های مفید قفل شده باشند. الکترون ها به حالت های جدید برانگیخته می شوند و سپس تحریک می شوند تا به حالت های اولیه خود برگردند. الکترون‌ها در لیزر سنتی به جای اینکه بین دو نقطه در فضا به عقب و جلو نوسان کنند، بین دو حالت اتمی/مولکولی به عقب و جلو نوسان می‌کنند. این نوع مختلف تکان دادن باعث می شود که فرکانس نوسان زیاد باشد و به جلوگیری از برخورد الکترون ها به اتم ها کمک می کند و در نتیجه انرژی خود را برای گرما از دست می دهند. مشکل برخورد الکترون ها با اتم ها هنوز در لیزرها مشکل است (دانشمندان این اثر را "گسیل فونون" می نامند)، اما این یک مانع غیرقابل عبور نیست. از آنجایی که لیزرها منابع کنترل شده نور مرئی هستند، می توان از آنها برای ارسال اطلاعاتی مشابه نحوه انتقال اطلاعات توسط امواج رادیویی استفاده کرد. در حقیقت، کابل‌های فیبر نوری حاوی پرتوهای نوری حامل اطلاعات هستند که توسط لیزر ایجاد شده‌اند (اگرچه، بیشتر فیبرهای نوری به دلایل کارایی از نور مادون قرمز به جای نور مرئی استفاده می‌کنند). همچنین می توان از لیزر برای ارسال نور مرئی حامل اطلاعات از فضای آزاد استفاده کرد. این تنظیمات ارتباط بی سیم نوری نامیده می شود.
روش دوم نحوه عملکرد لیزر الکترون آزاد است. در این حالت، الکترون‌ها از خلاء با سرعت بسیار بالا شلیک می‌شوند و سپس یک سری آهن‌ربا اعمال می‌شود تا الکترون‌ها با فرکانس بالا به جلو و عقب حرکت کنند و در نتیجه نور مرئی ساطع کنند. یک لیزر الکترون آزاد که برای وادار کردن الکترون‌ها به تکان خوردن در فرکانس 640 هرتز طراحی شده است، در واقع نور آبی را به روشی کنترل‌شده ساطع می‌کند. از آنجایی که لیزرهای الکترون آزاد برای عملکرد به محفظه‌های خلاء و شتاب‌دهنده‌های الکترونی پرقدرت نیاز دارند، لیزرهای الکترون آزاد بیشتر در محیط آزمایشگاهی استفاده می‌شوند.
روش سوم نحوه عملکرد نانوآنتن های پلاسمونیک است. از بین تمام دستگاه هایی که نور مرئی را به روشی کنترل شده ساطع می کنند، نانوآنتن های پلاسمونیک نزدیک ترین آنها به آنتن های رادیویی سنتی است. نانوآتن پلاسمونیک یک آنتن فلزی در مقیاس نانو با شکل دقیق است که تشدیدهای پلاسما در آن برانگیخته می‌شود (نوسان‌های الکترون دسته‌دار). از آنجایی که نانوآنتن‌های پلاسمونیک به الکترون‌هایی متکی هستند که بین یک نقطه در فضا و نقطه دیگر مانند آنتن‌های رادیویی سنتی به جلو و عقب حرکت می‌کنند، وقتی در فرکانس‌های نور مرئی کار می‌کنند، تلفات حرارتی هنوز یک مشکل بزرگ است. به همین دلیل، نانوآنتن‌های پلاسمونیک نوری هنوز هم چیزهای عجیب و غریب آزمایشگاهی هستند و منابع عملی نور مرئی کنترل‌شده نیستند. از آنجایی که لیزرها به طور فزاینده ای ارزان، کوچک و قابل اعتماد می شوند، وجود ندارد. واقعاً انگیزه ای برای توسعه نانوآنتن های پلاسمونیک برای انتشار نور مرئی حامل اطلاعات است. علاوه بر این، از آنجایی که مدارهای الکترونیکی نمی‌توانند در فرکانس‌های نوری کار کنند، نانوآنتن‌های پلاسمونیک نمی‌توانند با اتصال آنها به یک مدار الکترونیکی تحریک شوند. آنها باید با برخورد با نور فرودی هیجان زده شوند. به این ترتیب، نانوآنتن‌های پلاسمونیک اصلاً شبیه آنتن‌های سنتی نیستند. آنها بیشتر شبیه اجسام پراکنده هستند.
توجه داشته باشید که راه های زیادی برای ایجاد نور مرئی وجود دارد. آتش سوزی، لامپ های رشته ای، لامپ های فلورسنت، لوله های تخلیه گاز، واکنش های شیمیایی. اما هیچ یک از این راه ها نور مرئی را به صورت کنترل شده ایجاد نمی کند (یعنی نور مرئی منسجم) به طوری که اطلاعات زیادی را بتوان روی امواج نور حمل کرد، مانند آنچه در مورد امواج رادیویی انجام می شود.
به طور خلاصه، اگر می خواهید یک آنتن رادیویی نور مرئی ساطع کند، کافی است آن را گرم کنید. اگر می خواهید یک آنتن سنتی نور مرئی را به صورت کنترل شده ساطع کند تا بتوانید اطلاعات را منتقل کنید، شانسی ندارید. خوشبختانه دستگاه های دیگری نیز وجود دارند که می توانند با استفاده از نور مرئی اطلاعات را انتقال دهند که کاربردی ترین آنها لیزر است.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضاتصویر
تصویر

ارسال پست