I dette blogginnlegget skal vi utforske hvordan viktigheten av elektrisitet og fremtiden for laserteknologi henger sammen i den moderne verden.
Elektrisitet har blitt uunnværlig i den moderne verden. Vi bruker den ikke bare til fysiologiske behov som mørke, kulde og varme, men vi er også avhengige av den for transport, kommunikasjon og opptak. Elektrisitet dekker ikke bare våre daglige behov, den spiller en viktig rolle i økonomien og industrien på tvers av alle områder. For eksempel er utviklingen av avanserte teknologier som industriroboter, elektriske kjøretøy og smarte nett avhengig av en pålitelig strømforsyning. I denne sammenhengen er elektro- og informasjonsteknikk posisjonert som en nøkkelteknologi som vil drive samfunnets fremtid, og bruksområdene for elektrisitet er uendelige. Derfor finnes det utallige karriereveier ved Institutt for elektro- og informasjonsteknikk.
Hovedfagene, eller underfagene, innen elektronikk og informasjonsteknologi er grovt delt inn i systemfeltet, elektronikkfeltet og datafeltet. Systemfeltet omhandler store systemer som kjører på elektrisitet. Signalanalyse og kommunikasjon, nettverk, kraftoverføring og -mottak, markedsanalyse, kontrollteknikk og så videre er alle en del av systemfeltet. Dette feltet er spesielt viktig for vedlikehold og utvikling av nasjonal infrastruktur og blir stadig viktigere for store prosjekter som smarte byer. Elektronikk, derimot, er mindre og mer detaljert. Analoge og digitale kretser, nanoenheter og deres integrering i bioteknologi dekkes alle av elektronikk. Dette feltet gir kjerneteknologien for smarttelefoner, bærbare enheter og medisinske enheter vi bruker hver dag. Informatikk betyr bokstavelig talt studiet av datamaskiner, og innen elektroteknikk er fokuset mer på maskinvare. Dette er noe forskjellig fra informatikk, som vektlegger programvare. Maksimering av effektiviteten til maskinvare og utvikling av nye strukturer er viktige forskningsområder innen elektro- og informasjonsteknikk. På grunn av dette mangfoldet fokuserer bachelorstudier på grunnleggende utdanning som er felles for mange felt, slik at studentene enkelt kan tilpasse seg ethvert felt.
I denne introduksjonen til hovedfaget vil vi fokusere på lasere innen elektronikk. En laser er en enhet som kontinuerlig sender ut lys med samme bølgelengde og fase. Jeg valgte lasere som tema for denne artikkelen fordi de er svært teknologiintensive, men de er også veldig kjente for allmennheten. I dag brukes lasere innen en rekke felt, inkludert helsevesen, kommunikasjon og underholdning. For eksempel brukes lasere i øyekirurgi for å fremskynde restitusjonstiden for pasienter, i telekommunikasjon for å øke dataoverføringshastighetene dramatisk, og i underholdning, som lasershow, har de blitt en del av livene våre.
Lasere utnytter fenomenet at atomer i en eksitert tilstand sender ut lys når de går over til en stabil tilstand. Lyset som sendes ut i naturlig tilstand har imidlertid forskjellige faser og bølgelengder, og beveger seg ikke langt. Men hvis man skaper en situasjon der det eksiterte atomet treffes av lys med samme bølgelengde som lyset det sender ut, vil det eksiterte atomet sende ut lys med samme bølgelengde, fase og bevegelsesretning som lyset det treffer. Dette kalles indusert emisjon, og lasere er et dramatisk eksempel på indusert emisjon.
En enkel laser lages ved å plassere et oscillerende materiale inne i et rør og feste speil i begge ender. Når en bryter slås på, sendes en spesifikk bølgelengde av lys ut fra det oscillerende materialet. Når dette lyset reflekteres gjennom speilene, kolliderer det med andre utstrålende materialer og blir mer intenst gjennom indusert emisjon. Denne prosessen gjentas hundrevis eller tusenvis av ganger inne i røret, og deretter passerer lyset gjennom speilet og blir synlig for øynene våre.
Røde lasere er vanlige i hverdagen. Det er imidlertid sjelden å finne lasere i andre farger. Dette er fordi fargen på laseren har å gjøre med det oscillerende materialet som er forhåndsladet for å produsere lyset. Energien til atomer er kvantisert, noe som betyr at de bare kan sende ut bestemte bølgelengder av lys. For å lage en laser med en ønsket farge, må du finne atomer som sender ut lys med riktig bølgelengde, de må være enkle å holde eksiterte, og de må være rimelige å kommersialisere. Det er vanskelig å finne et oscillerende materiale som oppfyller alle disse kravene, og det er derfor laserpekere for tiden bare er tilgjengelige i et begrenset antall farger.
Når det gjelder LED-pærer, som nylig har blitt populære som lyskilde, finnes det allerede et bredt utvalg av farger kommersielt tilgjengelig. Sammenlignet med utviklingsæraen for LED-pærer har det imidlertid vært tidkrevende å konstruere en skjerm med fulle LED-pærer. For å lage en skjerm med fulle LED-pærer var det nødvendig å realisere og kommersialisere en blåfarget LED, og de japanske forskerne som løste dette problemet ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 2014. Hvis vi kan utvikle og kommersialisere lasere i forskjellige farger som LED-pærer, kan vi også se frem til Nobelprisen.
Et annet problem med lasere er bruken av dem i våpen. Krig er selvsagt ikke bra, og burde heller ikke være det, men land erkjenner dette og prøver å styrke forsvaret sitt. Hvis lasere i seg selv kunne brukes som våpen, ville det ikke da være flott for forsvaret å avskjære innkommende objekter, eller til og med montere dem på fly for å bombe dem?
Dette er imidlertid en vanskelig idé, fordi for å angripe må du bruke høyenergilys, som mister energi når det beveger seg gjennom atmosfæren. Når den kraftige laseren kolliderer med luftmolekylene, omdanner den dem til plasma og mister sin egen energi og bevegelsesretning. Dette fenomenet kalles blooming, og laserstråler i atmosfæren bruker det. Selv om en kraftig laser treffer et mål uten å miste mye energi, vil partikkelskyen som skapes av fordampningen av materialet ved treffpunktet spre laseren og gjøre den ineffektiv som et våpen.
I denne artikkelen lærte vi hva lasere er, deres egenskaper og karakteristikker. Lasere er en blanding av optikk og kvantemekanikk, og kan beskrives som et felt som kombinerer fysikk og elektroteknikk. Laserteknologi har mange potensielle bruksområder i fremtiden og kan føre til nye industrielle innovasjoner. Hvis du er interessert i å lære mer om lasere, kan du se kursene Introduksjon til kvantemekanikk og optoelektronikk ved School of Electrical and Computer Engineering. Det er også en spennende utfordring å utforske nye muligheter for lasere gjennom konvergens av ulike disipliner.
