211service.com
Nobel za rewolucyjne technologie optyczne
ten 2009 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki został przyznany trzem naukowcom, których praca stała się podstawą nowoczesnej telekomunikacji i obrazowania cyfrowego. Nagroda jest przyznawana Charlesowi K. Kao, którego odkrycia doprowadziły do przełomu w światłowodach, oraz Willardowi S. Boyle i George'owi E. Smithowi, którzy wynaleźli czujnik obrazu CCD (ang. Charge-coupled device).
Laureaci Nobla: Laureatami tegorocznej Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki są, od góry do dołu, Charles K. Kao, dawniej ze Standard Telecommunication Laboratories oraz Willard S. Boyle i George E. Smith, dawniej z Bell Laboratories.
Światłowody przenoszą prawie wszystkie dane telekomunikacyjne i stanowią szkielet Internetu. W połączeniu z laserem i tranzystorem wynalazek wydajnego, niskostratnego światłowodu umożliwił niemal natychmiastową komunikację na całym świecie, powiedział w oświadczeniu H. Frederick Dylla, dyrektor Amerykańskiego Instytutu Fizyki.
Prace wykonano w połowie lat 60. XX wieku. Wynalezienie lasera na początku lat 60. zachęciło naukowców do opracowania praktycznego medium transmisyjnego dla światła, które może przesyłać dane znacznie szybciej niż fale radiowe. Jednak światłowody nie wydawały się wówczas obiecujące ze względu na ich wysokie współczynniki tłumienia: tylko około 1 procent światła przesyłanego przez światłowód byłby transmitowany na odległość 20 metrów.
Wgląd Kao polegał na skupieniu się nie tylko na fizyce światła, ale także na materialnych właściwościach samego medium. W 1966 roku, jako młody inżynier w Standard Telecommunication Laboratories w Harlow w Wielkiej Brytanii, Kao odkrył podstawowe przyczyny tłumienia w światłowodzie: zanieczyszczenia żelazem powodowały jego pochłanianie i rozpraszanie. Zasugerował, że czyste szkło byłoby lepszym nośnikiem, a także wiązałoby się z niższymi kosztami.
Po dalszych badaniach nad sposobem, w jaki światło o różnych długościach fal przechodzi przez różne media, Kao i jego koledzy wskazali, że najlepszym materiałem jest dwutlenek krzemu. Ale dwutlenek krzemu jest trudny w obróbce. Zespół naukowców z Corning Glass Works zrealizował projekty Kao w 1970 roku, używając wysokociśnieniowej komory reakcyjnej do utworzenia pierwszych światłowodów o niskiej stratności, a inni z Bell Laboratories udoskonalili technikę produkcji, aby obniżyć koszty.
Nowoczesne światłowody są nawet lepsze niż przewidywał Kao, tracąc zaledwie 5 procent światła na dystansie kilometra. W 1988 r. między Europą a Ameryką ułożono pierwsze międzykontynentalne światłowód o długości 6000 kilometrów; obecnie na całym świecie jest ponad miliard kilometrów światłowodów, a każdego dnia przybywa ich więcej.
Druga połowa tegorocznej Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki trafia do twórców CCD, urządzenia, które przekształca obrazy na sygnały elektryczne, tym samym rewolucjonizując fotografię i obrazowanie cyfrowe.
Podczas gdy praca Kao wyrosła z skoordynowanych wysiłków mających na celu znalezienie lepszego medium telekomunikacyjnego, Boyle and Smith's był nieoczekiwany. Opracowali CCD w Bell Labs w 1969 roku, po naszkicowaniu podstawowego projektu podczas godzinnej sesji burzy mózgów. Zasadą CCD jest efekt fotoelektryczny, który został częściowo wymyślony przez Alberta Einsteina, co dało mu Nagroda Nobla w 1921 r. . Niektóre materiały bombardowane fotonem emitują elektron. Projekt Boyle'a i Smitha to chip krzemowy, którego powierzchnia pokryta jest siatką kondensatorów, które przechowują elektrony powstałe podczas świecenia chipa. Każdy kondensator to piksel. Liczba elektronów przechowywanych na każdym kondensatorze jest proporcjonalna do natężenia światła w tej części obrazu. Obraz można odczytać, ściągając ładunki z CCD.
Przewagą CCD nad światłoczułymi filmami chemicznymi, a nawet ludzkim okiem, jest wysoka czułość. W całym spektrum światła, od podczerwieni po promieniowanie rentgenowskie, matryce CCD mogą przechwytywać 90 procent nadchodzących fotonów. Oko lub kamera filmowa przechwytuje tylko 1 procent tych fotonów.
Rok po ich wynalezieniu Boyle i Smith stworzyli kamerę wideo opartą na cyfrowym czujniku obrazu; w 1981 roku Sony wprowadziło na rynek pierwsza kamera CCD , Mavica. Astronomowie przyjęli je na początku i wykorzystali czujniki do przechwytywania obrazów odległych obiektów niebieskich, które dotychczas były niewidoczne.
Dziś CCD napotyka pewną konkurencję ze strony innego układu do obrazowania cyfrowego, wynalezionego mniej więcej w tym samym czasie – CMOS (komplementarny półprzewodnik z tlenku metalu). Oba urządzenia opierają się na efekcie fotoelektrycznym. Podczas gdy CCD kieruje elektrony z chipa w jednym strumieniu do odczytania, dane z pikseli CMOS są odczytywane na miejscu, co oszczędza energię i wydłuża żywotność baterii. Jednak CMOS nie jest tak czuły jak CCD, co nadal ma zalety w zaawansowanych zastosowaniach, takich jak astronomia i obrazowanie medyczne.