معرفی کتاب کریستال های فوتونی

 انتشارات دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی کتاب کریستال فوتونی: افزاره ها، فیبرها، نانوساختارها و حسگرها را چاپ و روانه بازار کرده است. این کتاب حاصل کار دکتر سعید علیایی و مهندس احمد محب زاده بهابادی است و کار ویرایش علمی این کتاب را دکتر نصرت الله گرانپایه انجام داده اند. این کتاب در قطع وزیری و در 263 صفحه، در 11 فصل نوشته شده است. برای تهیه کتاب می توان به سایت انتشارات دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی مراجعه کرد.

پیش­گفتار مولفان

 

کم­تر از 30 سال از معرفی کریستال­های فوتونی دوبعدی نمی­گذرد، اما سیر پرشتاب تحولات علمی و جذابیت این حوزه از علم باعث شده است در همین مدت انواع ساختارهای کریستال فوتونی طراحی، مدل­سازی، شبیه­سازی، بهینه­سازی و ساخته شوند، طوری­که همه­روزه روش­های جدیدی برای طراحی و ساخت انواع افزاره­های منطقی، موج­برها و حسگرهای کریستال فوتونی در نشریات معتبر روز دنیا گزارش می­شود. این موضوع بر پتانسیل بالای این شاخه از علم گواهی دارد. این در حالی است که نخستین ساختار کریستال فوتونی دوبعدی در سال 1996 یعنی 20 سال پیش ساخته شد. پیشرفت قابل توجه در این حوزه از علم باعث شده است که امیدها برای داشتن سامانه­های تمام نوری و جایگزینی الکترون با فوتون، بیش از پیش ایجاد گردد.

با توجه به ضرورت پرداختن به این حوزه از علم، این کتاب قصد آن دارد تا در عین سادگی، به مباحث روز کریستال­های فوتونی بپردازد. بدون شک پرداختن به همه زوایای این موضوع، از حوصله یک کتاب خارج است اما سعی شده است تا ضمن مروری بر مفاهیم و کلیات کریستال­های فوتونی به شرح مختصری از فیبرها و موج­برها، افزاره­ها و نانوساختارهای کریستال فوتونی پرداخته شود. عمده بحث این کتاب به حسگرهای کریستال فوتونی اشاره دارد که حاصل چند سال تدریس و پژوهش در آزمایشگاه تحقیقاتی نانوفوتونیک و اپتوالکترونیک[1] است. حسگرهایی مانند حسگر زیستی، حسگر گاز، حسگر فشار و حسگر جابه­جایی در این کتاب بررسی شده­اند و در حد حوصله خواننده، به جزئیات طراحی و تشریح عملکرد آن­ها پرداخته شده است. برای این منظور تاریخچه و مقدمه­ای از کریستال­های فوتونی را به همراه مفاهیم رایج آن­ها در فصل نخست آورده­ایم. شرحی بر روش­های تحلیل و مروری اجمالی بر افزاره­های کریستال فوتونی نیز به ترتیب در فصل­های دوم و سوم آمده است. فصل چهارم به موضوع فیبرهای کریستال فوتونی می­پردازد که در آن سعی شده است از سیر پیدایش این فیبرها تا انواع آن­ها مورد بررسی قرار گیرد. کلیات حسگرهای کریستال فوتونی و مفاهیم رایج در آن­ها در فصل پنجم آمده است و پس از آن از فصل­های ششم تا یازدهم انواع مختلفی از حسگرهای کریستال فوتونی بررسی می­شود.

به منظور سهولت دسترسی خوانندگان محترم به معادل کلمه­ها، علاوه بر قراردادن زیرنویس­ها، در انتهای کتاب، واژه­نامه فارسی به انگلیسی و انگلیسی به فارسی آورده شده است تا ضمن ایجاد متنی روان و با واژه­های اصیل فارسی، امکان دسترسی سریع به اصل واژه نیز فراهم گردد. نمایه انتهای کتاب نیز سریع­ترین راه برای دستیابی به مفاهیم، بدون صرف وقت زیاد برای جستجو در متن کتاب است.

در انتها جا دارد از کلیه عزیزانی که در تالیف این کتاب ما را یاری کرده‌اند تشکر کنیم. لازم است از داوران گرامی که این کتاب را بازبینی و با ارائه نکات و پیشنهادهای ارزنده، ما را در جهت بهبود نگارش علمی و محتوایی یاری رساندند تشکر و قدردانی نماییم. کتاب کریستال­های فوتونی از مقدمه ارزشمند استاد ارجمند، جناب آقای دکتر نصرت­ا... گرانپایه عضو محترم هیات علمی دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی بهره­مند گردید و ویراستاری علمی که توسط ایشان از محتوای کتاب انجام شد، بر غنای علمی آن دوچندان افزود. بنابراین جا دارد از دقت نظر و حوصله ایشان صمیمانه تشکر و قدردانی نماییم. از دوست عزیزمان، آقای مهندس صابر یحیی­پور برای تهیه طرح جلد کتاب سپاسگزاریم. همچنین لازم است مراتب عمیق قدردانی خود را تقدیم سرکار خانم نجیبی کنیم که با حوصله فراوان، ویرایش ادبی متن را بر عهده گرفتند. و در انتها از کلیه دانش­آموختگان آزمایشگاه تحقیقاتی نانوفوتونیک و اپتوالکترونیک به­خصوص خانم­ها مهندس فهیمه تقی­پور، مهندس سمیرا نجفقلی­نژاد، مهندس عالیه نراقی و مهندس حمیده محسنی­راد و آقایان مهندس علی­اصغر دهقانی، مهندس مرتضی عزیزی و مهندس حسن آرمان سپاسگزاریم.

هرچند مطالب کتاب بارها و بارها مطالعه و ویرایش شده است، اما در داشتن اشکالات شکلی و مفهومی خالی از ایراد نیست. بدون شک دریافت پیشنهادهای ارزنده خوانندگان گرامی، ما را در بهبود سطح علمی و ادبی این مجموعه در ویرایش­های بعدی یاری­گر خواهد بود.

 

سعید علیائی[2] و احمد محب­زاده­بهابادی

بهار 1395

---

[1] Nano-photonics and Optoelectronics Research Laboratory (NORLab)

[2] [e-mail]

پیش­گفتار ویراستار

 

«اَبِ[1]»، فیزیک‏دان، دانشمند اپتیکی، کارآفرین، و مصلح اجتماعی آلمانی، به همراه «شات[2]» شیمیدان و متخصص شیشه، و «زایس[3]»، طراح و سازنده افزاره­های اپتیکی، بنیاد تولید افزاره­های اپتیکی نوین را بنا نهاده بودند. اَبِ در سال 1873 میلادی، اعلام نمود که وضوح افزاره­های اپتیکی چون تلسکوپ، میکروسکوپ، و ... ارتباطی با کیفیت افزاره­های ساخته شده نداشته، با «پراش نور[4]» محدود می‏شود، که در واقع به طول موج نور و گشودگی عددی وسیله وابسته است. مفهوم این عبارت این بود که به­عنوان مثال میکروسکوپ نمی‏تواند دو ذره با فاصله کم‏‏تر از نصف حاصل­ضرب طول موج نور و گشودگی عددی عدسی را از یک‏دیگر تمیز دهد. این اصل که به «حد پراش[5] افزاره­ها» موسوم شد، تا یک قرن بدون کوچک­ترین شکی مورد احترام و پیروی بود.

در سال 1987، یابلونوویچ[6] در مقاله‏ای در دوم ژوئن و جان[7] در 18 مه، کریستال‏های فوتونی را معرفی کردند. کریستال‏های فوتونی، به­خصوص یک بعدی آن از سال 1887 مورد مطالعه قرار گرفته‏بودند، ولی عبارت «کریستال‏های فوتونی» برای اولین بار توسط یابلونوویچ مطرح شد. کریستال فوتونی از ساختار متناوب عایق یا رسانا-عایق تشکیل می‏شود. همان‏طور که کریستال‏های نیم‏رسانا به خاطر متناوب بودن پتانسیل الکتریکی، بر حرکت الکترون‏ها تاثیر می‏گذارند، کریستال‏های فوتونی همین وضعیت را نسبت به حرکت فوتون‏ها دارند. این مشابهت نتیجه مشابهت معادله شرودینگر در فیزیک حالت جامد و معادله هلم‏هولتز در انتشار میدان الکترومغناطیسی است. ضریب شکست در معادله هلم‏هولتز، همان نقش پتانسیل الکتریکی در معادله شرودینگر را بازی می‌کند. فوتون‌ها (معادل ذره‌ای امواج الکترومغناطیسی) بسته به طول موجشان می‌توانند از درون کریستال‏های فوتونی عبور کنند یا بازتاب شوند. محدوده طول موج‏هایی که اجازه عبور ندارند را باند ممنوعه فوتونی می‏نامند (شبیه باند انرژی ممنوعه الکترونی در نیم‏رساناها). عدم انتشار نور در باند ممنوعه نشان داد که می‏توان نور را تا حد بسیار کم­تر از حد پراش متمرکز کرد. در شرایطی که در علم الکترونیک ابعاد مدارهای مجتمع روز به روز کوچک‏تر می‏شد، علم فوتونیک با محدودیت حد پراش افزاره­ها روبه­رو بود، که پیدایش کریستال‏های فوتونی در کنار سایر کشفیات هم‏چون متاماده‏ها[8] توسط بوز[9] و وِسِلاگو[10]، پلاسمونیک توسط پاین[11] و بوهم[12]، و گرافین توسط گایم[13]، نووُزلاو[14]، و همکاران این       محدودیت را برای افزاره­های نوری از بین برد. پژوهش­ها در زمینه رفع مشکل‏های کریستال‏ فوتونی، متاماده، پلاسمونیک، و گرافین در جریان است و در آینده‏ای نزدیک شاهد طراحی و ساخت افزاره­های نوری در زیر حد پراش و مدارهای مجتمع فوتونیک خواهیم بود.

کتاب «کریستـال‏هــای فـوتـونــی: افزاره‏ها، فیبرها، نانوساختارها، و حسگرها»‏ توسط همکار گرامی جناب آقای دکتر سعید علیائی و مهندس احمد محب‏زاده بهابادی در 11 فصل تهیه شده است. در دو فصل اولیه این کتاب به معرفی، مشخصه‏ها، و روش‏های تحلیل کریستال‏های فوتونی پرداخته شده است. در فصل سوم به­بعد افزاره‏های کریستال فوتونی هم‏چون فیبرهای کریستال فوتونی هسته هوا و هسته جامد، حسگرهای کریستال فوتونی زیستی، فشار، جابه­جایی، و گاز مبتنی بر کریستال‏های فوتونی و تشدیدگرهای کریستال فوتونی طراحی و تحلیل شده‏اند. یکی از مشخصه‏های جالب این کتاب این است که در فصل‏های کاربردی سوم به‏بعد کارهای تئوری دکتر علیائی نیز مطرح شده، که هماهنگی و انطباق خوبی با کارهای سایر گروه‏ها دارد. خصوصیت جالب دیگر کتاب استفاده از واژه‏های فارسی مورد تایید فرهنگستان زبان و ادب فارسی است. کتاب، مفاهیم علمی مرتبط با کریستال‏های فوتونی را به زبانی ساده طرح و تحلیل کرده، که استفاده از آن را به دانش‏پژوهان در کلیه مقطع‏های تحصیلی و پژوهشی توصیه می‏کنم.

نصرت‏ا... گرانپایه

دانشکده مهندسی برق

دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

بهار 1395

---

[1] Ernst Karl Abbe (Jan. 23, 1840 –Jan. 14, 1905)

[2] Friedrich Otto Schott (Dec. 17, 1851 – Aug. 27, 1935)

[3] Carl Zeiss (Sept. 11, 1816 – Dec. 3, 1888)

[4] Light Diffraction

[5] Diffraction limit

[6] Eli Yablonovitch (Dec. 15, 1946, Austria)

[7] Sajeev John (1957, India)

[8] Metamaterials

[9] Jagadish Chandra Bose (Nov. 30, 1858, Bangladesh – Nov. 23 1937, India)

[10] Victor Veselago (1929 Ukraine)

[11] David Pines (June 8, 1924, USA)

[12] David Bohm (Dec. 20, 1917, USA - Oct. 27, 1992, UK)

[13] Sir Andre Konstantin Geim (Oct. 21, 1958, Russia)

[14] Sir Konstantin Novoselov (Aug. 23, 1974, Russia)