از زمانی که من وارد دانشگاه شدم (مهر ۹۱) تقریبا میشه گفت که دو اتفاق مهم دنیای نور و فوتونیک رو پشت سر گذاشتم. اولی سال جهانی نور بود (۹۳). اونسال دانشگاه بهشتی میزبان «۲۱امین کنفرانس اپتیک و فوتونیک و ۷امین کنفرانس مهندسی و فناوری فوتونیک» در ایران بود و من به عنوان خبرنگار این کنفرانس توی اکثر برنامهها شرکت میکردم. خیلی برنامه خوبی بود و حسابی هم خرج کرده بودند! خلاصه که خوش گذشت و از همه جهات برای من منجر به یک تجربه هیجانانگیز شد. به نظرم حرفهایترین رویدادی بود که در عمرم در ایران دیده بودم! اما خب اینکه حالا این همه پول از کجا اومد و چهطور برنامهای با اون کیفیت برگزار شد توی بهشتی رو نمیدونم. بگذریم! رویداد بعدی، مهر ۹۷ بود. اون سال جایزه نوبل فیزیک به سه نفر، با سهمهای مختلف، برای نوآوریهای پیشگامانه در زمینه فیزیک لیزر تعلق گرفت.
از دو سال پیش هم، سازمان ملل، تصمیم گرفت که روز ۱۶ ماه می یا ۲۸ اریبهشت رو به عنوان روز جهانی نور اعلام کنه. علت این تاریخ هم برمیگرده به ۶۰ سال پیش، وقتی که اولین لیزر دنیا کار کرد! مردم امسال به خاطر کرونا، در خونه و پشت کامپیوترهاشون با هشتگ #SEETHELIGHT این روز جشن گرفتند و رویدادهای آنلاین برگزار کردند. این نوشته رو بخونید!
یکی از سه برنده نوبل فیزیک سال ۲۰۱۸، خانومی بود به اسم دانا استریکلند که سومین زنی بود که برنده این جایزه میشد در تاریخ. قبل از ایشون، خانم ماریا مایر برنده این جایزه شده بود که اختلاف زمانی این دو نفر بیشتر از ۵۰ ساله! خانم دانا استریکلند، استاد دانشگاه واترلو کانادا هستند و طبیعتا کارشون فیزیک لیزر هست. فیزیک لیزر در حقیقت زیرمجموعهای از فیزیک اتمی حساب میشه و به تعبیر دیگهای، بخشی از شاخه علم فوتونیک. در مورد فوتونیک، امین مطلبی نوشته که پیشنهاد میکنم اون رو بخونید.
توی این ویدیو خانم استریکلند مفهوم لیزر رو در چند مرحله، از مقدماتی تا حرفهای توضیح میده:
یادگیری فیزیک لیزر
اگر علاقهمند هستید که فیزیک لیزر رو یاد بگیرین طبیعتا باید درسهایی مثل الکترومغناطیس و مکانیک کوانتومی رو خیلی خوب یادبگیرید. دست کم در اندازهای که بچههای رشته فیزیک توی دوره لیسانس یاد میگیرند. قبلا در مورد یادگیری آنلاین این دو موضوع در اینجا نوشتم. به طور خاص، دورههایی که در ادامه اومده بهتون در درک فیزیک لیزر میتونه کمک کنه:
اگر هنوز الکترومغناطیس و مکانیک کوانتومی نمیدونید، خوبه که این چیزها رو ببینید:
سال ۲۰۱۸ زمانی که جایزه نوبل فیزیک اعلام شد، یکی از خبرهای عجیب که دست به دست میشد این بود که خانم استریکلند صفحه ویکیپدیا نداشت! برای خیلیها سوال شده بود که چرا اصلا این اتفاق، یعنی ساخته نشدن صفحه ویکیپدیا برای یه همچین آدمی، افتاده؟! آیا این مربوط به اینه که ایشون خانومه و نه آقا یا چی؟! بازتابی از اون اتفاقات و پاسخ به خیلی از پرسشها رو میتونید در اینجا بخونید. اما بد نیست به عنوان یک حاشیه، اشاره کنم به اینکه حتی الان اگه صفحه گوگل اسکالر خانم استریکلند رو ببینید، عددی که h-index نشون میده شما رو متعجب خواهد کرد؛ عددی به ظاهر کم، برای برنده شدن یک جایزه نوبل در علم! بحث بیشتر در مورد این موضوع، نه کار منه و نه علاقهای دارم که بهش بپردازم. همون توضیح بنیاد ویکیمدیا در مورد صفحه نداشتن ایشون به نظرم ایدههای خوبی از برخورد دنیای بیرون از دانشگاه با دانشگاه رو نشون میده. برهمکنش اهل دانشگاه با همدیگه هم بمونه داخل محافل خودشون. بگذریم!
راستش چیزی که سبب شد این متن رو بنویسم، دیدن این تصویر از گروه خانم استریکلند در دانشگاه واترلو بود:
عکس دسته جمعی از گروه لیزرهای فوقسریع دانشگاه واترلو – ۲۰۱۷ – نگاره از ویکیپدیا
این عکس که شبیه به یک عکس خونوادگی میمونه در حقیقت تصویری از آدمهاییه که در حرفهایترین سطح، مشغول به انجام کار علمی هستند. یکی از این آدمها (خانم مسن آبیپوش) برنده جایزه نوبل در فیزیک هست و بقیه هم تیم تحقیقاتی ایشون رو تشکیل میدن که حضورشون در این عکس، تنوعی از سن و سال، جنسیت، وزن، تیپ، نژاد، فرهنگ، ملیت، عقیده و … رو نشون میده! واقعیت اینه که دانشگاهها این شکلی هستند و طیفی از آدمهای مختلف با سلیقهها و ویژگیها شخصیتی متفاوت رو در بر میگیره که همهشون در یک چیز، دستکم، مشترک هستند: انجام دادن کار زیاد!
به نظرم این تصویر و تصاویر مشابه برای کسایی که دوست دارن وارد کار پژوهشی بشن و آینده شغلی خودشون رو در دانشگاه بسازن این ارمغان رو داره که دانشمند شدن نه به قیافهس و نه به تیپ و عقیده آدما! دانشمند شدن به صبر، پشتکار، حوصله، خونواده حمایتگر و شانس نیاز داره. از طرف دیگه ممکنه این عکس این ایده رو به ذهنها بیاره که این آدمها همیشه این قدر خندان و خوشحال هستند! نه این طوری نیست! حتی ممکنه همیشه هم اینقدر خوش لباس و آراسته نباشن! بالاخره آدمها موقع عکس گرفتن سعی میکنن بهترین حالت از خودشون رو ثبت کنند! برای همین درسته که این جور تصویرها، یک جمع شاد و سرزنده رو نشون میده ولی نباید فراموش کنیم که پشت هر عکس دست جمعی در علم، کلی خون دل، شکست، تلاش مجدد و بدشانسی میتونه نشسته باشه!
جمله آخر این نوشته هم باشه تعمیمی از حرف مریم میرزاخانی که:
علم، زیباییهاشو فقط به اونایی که صبور هستند نشون میده!
راستش نور همیشه برای من جذابترین قسمت فیزیک و آزمایشهاش بوده اما در مورد رشته فوتونیک تا قبل از شروع لیسانس هیچ چیز نمیدونستم. میخوام در طول این متن برای بچههایی بنویسم که لیسانسشون رو به اتمامه و میخوان برای کنکور ارشد آماده بشن یا حتی برای دوستان دبیرستانی که به نور علاقه دارن و میخوان مستقیماً برن دنبالش و از دنیای پرهیاهوی فیزیک و درسهای به ظاهر طاقتفرسای نظری سریعتر بگذرن. (همینجا بگم تا یادم نرفته که اینکار به نظر جذابتره ولی اصلاً توصیهش نمیکنم. در ادامه توضیحش میدم!)
فوتونیک چیه؟
فوتونیک رو چند مدل تعریف میکنن. سادهترینش اینه که فوتونیک، علمی است که در آن به نور میپردازند! همینقدر کلی! یا یکم کاملترش اینه که فوتونیک، علمی است که در آن به تولید و کنترل و آشکارسازی امواج نوری و فوتونها میپردازیم. حتی کمی دقیقتر بخواییم نگاه کنیم میتونیم بگیم فوتونیک علم و تکنولوژیای است که در آن به تولید و استفاده از نور و دیگر انرژیهای تابشی مشغولیم که واحد کوانتومیشون فوتونه (که با تقریب خوبی بیشتر طیف الکترومغناطیسی رو شامل میشه به جز امواج رادیویی و ریزموجها که معمولاً تو حیطه برق مخابرات و اینا باهاشون کار میکنیم). گذشته از این تعاریف، یادمه که استاد درس فوتونیک۱ هم تعریف جالبی ارائه داد. ایشون میگفت فوتونیک علم و فناوری تولید، انتقال، دستکاری و دریافت اطلاعات به وسیله نور هست. من این تعریف رو بشخصه بسیار میپسندم. حالا چرا اسم فوتونیک گذاشتن روی این زمینه علمی؟ خب انگار اون زمان (یعنی سال ۷۰–۱۹۶۰ میلادی) از الکترونیک تقلید کردن! الکترونیک علم استفاده از جریان الکترونهاست و حالا که سیلی از فوتونها داریم، خب اسمشو میذاریم فوتونیک. ☺
مردم تو فوتونیک دارن چیکار میکنن؟ فوتونیک کجاهاست؟
تقریباً همه دانشگاههای دنیا به نحوی مشغول تحقیق در زمینه فوتونیک هستن. اکثراً در دانشکده فیزیک و دانشکده برق یا گاهی به صورت یک مؤسسه یا مرکز تحقیقات جدا، مشغول کار بر روی حوزههای مختلف فوتونیک هستند. همونطور که در ادامه میبینید به دلیل تنوع موضوعات، این که در دانشکدههای مختلف بهش بپردازند، اصلاً چیز عجیبی نیست. حالا که از اسم و تعریفش گفتم، قبل از این که بگم تو دنیا متخصصان فوتونیک مشغول چه مدل کارهایی هستن، میخوام چندتا از حوزههای کلی علمیش رو براتون بگم. اولیش که اینقدر معروفه که خیلی جاها اصلاً علم فوتونیک رو به اون میشناسن رو قطعاً حدس زدین تا الان: لیزرها! البته علم فوتونیک بسیار بسیار وسیعتر از این حرفهاست و انواع لیزرها فقط یه بخشی از اون هستن. در ادامه ما فیبر نوری، اپتیک غیر خطی، الکترواپتیک (یعنی موادی که وقتی نور بهشون میخوره خواص الکتریکیشون عوض میشه)، فتوولتائیک (فناوری استفاده شده در ساخت سلولهای خورشیدی)، LEDها، طیفسنجی، مدارات مجتمع، دانش و فناوری امواج تراهرتز، اپتیک کوانتومی، اپتیک نیمهرساناها و البته خود اپتیک (نورشناسی)! بله.اپتیک به عنوان شاخهای از فیزیک رو هم میشه در واقع زیرشاخهای از فوتونیک طبقهبندی کرد. زیرشاخهای بسیار وسیع که مطالعه خود اون یک رشته تخصصی است و سالها وقت میخواد.
نمایی از یک چیدمان اپتیکی در دانشگاه نبراسکا که برای شتابدهی الکترون به کار میرود.
خب ازین موارد هم بگذریم. میخوام توضیح بدم تو دنیا فوتونیک رو برای چه چیزهایی استفاده میکنند و این شاخههایی که گفتیم کجاها تو زندگی به دردمون خوردن و قراره بخورن. قبل از هر چیزی این رو بگم که یکی از مهمترین وظایف علم فوتونیک، پر کردن خلأهاییه که الکترونیک در زندگی ما قادر به پر کردنشون نیست. نیازهایی که با پیشرفت الکترونیک و مخابرات ایجاد شدن و حالا دیگه ما به این حدی که داریم قانع نیستیم یا نیاز مارو نمیتونن برطرف کنن. مثل افزایش سرعت اینترنت یا افزایش پهنای باند برای انتقال دادهها یا امثالهم که با فیبرها و موجبرهای نوری سعی در بهبودشون داریم چون میدونیم سرعت نور تقریباً ۱۰ برابر سرعت برقه (جریان الکترونی) پس میتونه تا حد زیادی سرعت انتقال اطلاعات و همچنین پهنای باند را زیاد کنه و همچنین موج نور بر خلاف الکترونها در مدهای خاص و قابل تنظیم حرکت میکنه که با هم تداخل نمیکنند پس امکانش هست که حتی مثلاً سه میلیون مکالمه همزمان تلفنی را توسط تنها یک فیبر نوری منتقل کنیم! پس در کل باید قطعاتی بسازیم و استفاده کنیم که به جای الکترون از فوتون استفاده کنن که این میشه بخشی از فوتونیک که به مدارات مجتمع میشناسنش؛ همون چیزی که در بالا هم ازش اسم برده بودم.
اگر بخوام ادامه بدم میتونم به کاربرد نور (لیزرها) در بریدن و جوش دادن و سوراخکاری تقریباً هرچیزی یعنی از فلزها تا پارچه و پوست انسان بگم، میشه از کاربردهای فوقالعاده طیفسنجی نوری در انواع و اقسام بخشها از نجوم و دریافت و تحلیل دادههای آسمانی تا مواد و نمونههای مختلف اطرافمون که به تشخیص مواد سازنده اونا نیاز داریم، گفت، یا از دانش نسبتاً جدید تراهرتز گفت که به دلیل ویژگیهای منحصر به فرد خودش (مثلا جذب بسیار زیاد در آب یا بازتاب بسیار زیاد از سطح فلزها یا عبور با جذب بسیار پایین از موادی مثل پارچه یا پلاستیک) بسیار محبوب شدهاست، در صنایع نظامی لیزرها و ادوات اپتیکی مثل دوربینها یا آشکارسازها بسیار کمک کننده هستند، در حیطه تشخیص و درمان پزشکی، استفاده از نور، تجربه بسیار موفقی بودهاست؛ برای مثال در عملهای جراحی داخلی یا پوست و مخصوصاً چشم که بسیار حساس است، لیزرهای توانپایین بدون آسیب زدن به بافت کلی چشم میتوانند آن را به خوبی بشکافند، در صنایع کشاورزی برای کنترل کیفیت رشد و همچنین داشتن تصاویر بزرگ مقیاس و با کیفیت از نحوه حاصلدهی محصول از فتونیک استفاده میشه. موارد دیگه از استفاده شامل تولید انرژی پاک و استفاده از قطعات فتوولتائیک (سلولهای خورشیدی) برای تولید انرژیه. کاربردهای بسیار جالب و متنوع دیگری هم در صنایع هوافضا و نانوتکنولوژی و مهندسی اطلاعات و امنیت و تولید و فناوری زیستی داره که به خودتون میسپرمش.
نمونهای از لیزر تراپی که برای خونرسانی و درمان بافت از آن استفاده میشود.
فوتونیک در ایران
در وهله اول باید بدونین فوتونیک یک علم تجربیه که برای پیشرفت کردن در اکثر زمینههای اون، نیاز به تجهیزات و آزمایشگاههای پیشرفته و دقیقی هست. وضعیت کشور ما رو هم که میدونید در این زمینهها. پس صادقانه بهتون بگم که توقعتون رو بیارین پایین از همین الان! ☹
از بهترین دانشگاههایی که در مقطع لیسانس، رشته اپتیک و لیزر رو دارن میشه به دانشگاه مالک اشتر (وابسته به وزارت دفاع) یا دانشگاه شهید باهنر کرمان یا دانشگاه بناب و دانشگاه صنعتی ارومیه اشاره کرد. البته همونطور که در ابتدای متن هم گفتم توصیه شخصی من این هست که حتی اگر میخوایین در رشته فوتونیک وارد شین و فعالیت کنین در مقطع لیسانس سعی کنین فیزیک بخونین و در یک دانشگاه خوب هم بخونین؛ دلیلم البته هم تجربهایه که با دیدن دوستان و اطرافیان تو دوران کارشناسی ارشد به دست آوردم. از طرف دیگه، یک دانشجوی خوب فیزیک، مجبوره سختکوش و با دانش وسیعتری بار بیاد. وقتی شما لیسانس فیزیک میگیرید باید علیالاصول دید خوبی به مباحثی مثل مکانیک کوانتومی و فیزیک حالت جامد و مکانیک آماری داشته باشید که تا جایی که من خبر دارم در رشته اپتیک و لیزر بسیار سطحی این مباحث رو تدریس میکنن (حداقل نسبت به دانشکدههای فیزیک) در حالی که بسیار بسیار دونستن این مفاهیم در درک شاخههای مختلف فوتونیک راهگشاست.
در تحصیلات تکمیلی هم مهمترین مرکزی که در کشور این رشته رو داره، پژوهشکده لیزر و پلاسما دانشگاه شهید بهشتیه. همچنین دانشگاه علم و صنعت، دانشگاه خوارزمی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی در علوم پایه زنجان، دانشگاه تبریز، دانشگاه زنجان، دانشگاه زاهدان، دانشگاه شهرکرد، دانشگاه صنعتی شیراز، دانشگاه کاشان، دانشگاه سنندج، دانشگاه رشت، دانشگاه ملایر، دانشگاه بابلسر و دانشگاه رفسنجان هم از طریق کنکور کارشناسی ارشد فوتونیک پذیرش دانشجو دارند؛ البته همونطور که گفتم باید بسیار زیاد به این نکته توجه کنین که این رشته یک علم تجربیه و تجهیزات و آزمایشگاهها حرف بسیار زیادی رو در اون میزنن پس برای انتخاب دانشگاه به این نکته بسیار دقت کنید که بعداً پشیمون نشین.
اگر بخوام در حد یک بند توضیح بدم که اینجا در ایران، مهمترین و بیشترین مباحثی که استادها و دانشجوهاشون دارن کار میکنن روش چه چیزهایی هستن، میتونم به موضوعاتی مثل ساخت انواع لیزر، ساخت انواع حسگر به کمک فیبر نوری، فوتونیک مواد آلی و پلیمری، دانش و فناوری تراهرتز (فعلا به صورت شبیهسازی)، انواع مختلف میکروسکوپی و تصویربرداری از جمله عکسبرداری از بافتهای زیستی، بایوفوتونیک، تحقیق بر روی انبرکهای نوری، پلاسمونیک (محلی برای توضیح این مبحث بسیار جذاب در این متن نبود ولی توصیه میکنیم حتماً یه سرچی بکنید در موردش)، اپتیک کوانتومی، تحقیق و توسعه سلولهای خورشیدی، حسگرهای نیمهرسانا، انواع طیفسنجی، نانو فوتونیک اشاره کنم.
البته مباحث دیگری هم شاید باشند که احتمالاً نسبت به موارد ذکر شده اهمیت کمتری دارند. به هر حال، تلاش بر این بوده که مهمترین و برجستهترین موضوعاتی که در دانشگاههای داخل کشور به آنها پرداخته میشه ر مطرح کنم. باز هم تأکید میکنم که مثلاً وقتی گفته میشه در داخل کشور برخی آزمایشگاهها به کار بایوفوتونیک مشغول هستند، اصلاً و به هیچ عنوان نمیشه کار شون رو با آزمایشگاههای بسیار مجهز و اساتید خارج از ایران مقایسه کرد. تفاوتها گاهی ناامید کننده هستند.
در پایان و به عنوان سخن آخر
تحصیل در رشته فوتونیک همواره سختیها و مشقات خاص خودش مثل کار کردن با ادوات آزمایشگاهی قدیمی یا نبود امکانات آزمایشگاهی، کمی عقب بودن از باقی دنیا به دلیل تحریم و … رو به همراه داره. اما برای عاشقان سینهچاک نور، این موضوعات محدودیت نیست و قطعاً موضوعات بسیار جالب و چالشبرانگیزی رو میشه پیدا کرد که هم دست اول باشند و هم با همین امکانات هم به پژوهش در موردشون پرداخت. مهم، دید علمی و درست به دنیا و به اطرافتون هست!
