Undervisningsbog til gymnasial fysikundervisning - Optiske horisonter

Kapitel 1 - Brydninger - Nye optiske materialer med nanostruktur klæder lyset på til at bryde grænser

af Mike van der Poel og Alexandra Boltasseva

Optikken er inde i en brydningstid. En stadig bedre adgang til at strukturere materialerne helt ned på nanometerskala og en forståelse af hvad der virkelig sker, når lyset flyder gennem dem har betinget muligheden for at skræddersy optiske materialer med egenskaber, man før kun kunne drømme om. Vil du gerne have langsomt lys? Altså lys der flyder som sej sirup ned gennem bølgelederen, mens det dovent skvulper ind og ud af de nanometer store krystaller? Eller måske foretrækker du en usynlighedskappe? Altså en kappe, som får lyset til at flyde uden om en forhindring som vandet i bækken løber omkring en sten. Det handler ikke kun om betagelsen af smukke naturfænomener. Som lyset i dag flyder i forskningslaboratorier, kan det snart komme til at give dig hurtigere internetforbindelse, superlinser eller biler som kan køre sikkert i tåge. Nøglen til at lære lyset nye tricks hedder brydningsindeks.

Kapitel 2 - Kvanteoptik i et farvet vakuum - Anvendelser af nanoteknologi og nanofotonik

af Søren Stobbe, Philip Trøst Kristensen og Peter Lodahl

Højeffektive solceller, lynhurtige lasere og kvantekryptografikoder, der er umulige at bryde. Dette er nogle af de mange spændende perspektiver for anvendelser af halvleder kvanteoptik. Indenfor kvanteoptikken udnytter man de kvantemekaniske egenskaber ved stof og lys til at opnå effekter, der er helt forskellige fra hvad vi kender fra den klassiske fysik. Ikke desto mindre er disse nye fænomener virkelige, da de er påvist i eksperimenter. De kvanteoptiske effekter udforskes og udnyttes i særlige materialer som kaldes fotoniske krystaller. Disse materialer har meget specielle optiske egenskaber, som kan designes efter behov. Fotoniske krystaller fremstilles med avancerede moderne metoder indenfor nanoteknologien. Nanoteknologi er også forudsætningen for at fremstille kvantepunkter, som kan opfattes som "kunstige atomer", der er få nanometer store. Kvantepunkter udgør en af grundbyggestenene i nanofotonik. I dette kapitel vil vi give en introduktion til fysikken bag disse begreber og se eksempler på nogle af de anvendelser fotoniske krystaller og kvantepunkter forventes at få i fremtiden.

Kapitel 3 - Nanoteknologi i masseproduktion - Halvledere, lasere og avancerede optiske komponenter

af Kresten Yvind, David Larsson og Per Lunnemand Hansen

Nanoteknologi defineres normalt som teknologi til at opnå fordelagtige egenskaber ved at lave strukturer mindre en 100nm. Dette er for øjeblikket et varmt emne, som i medierne ofte forbindes med ny og banebrydende teknologi. Ikke desto mindre har flere brancher arbejdet med nanoteknologi i årtier. Resultatet af dette arbejde er nu i masseproduktion, så du også hjemme har adskillige nanoteknologiske produkter. Eksempelvis er de mest avancerede elektronik-chips og de diodelasere der sidder i enhver DVD kritisk afhængig af, at vi kan fremstille ting med nanometers præcision. Alle de steder hvor vi som almindelige forbrugere har råd til at kommer i nærheden af lasere, f.eks. laser pointer, laser printere, DVD disc (nu Blue Ray disc), laser skanner (stregkodeskanner) og laser mus, er det et stykke avanceret nanoteknologi, nemlig halvlederlaseren, der leveret lyset. Endelig er halvlederlaseren, sammen med den optiske fiber og optiske halvlederdetektor, grundlaget for optisk kommunikation og dermed internettet.

Grunden til den store popularitet af halvlederlaseren er den lille størrelse, høje effektivitet og at komponenterne udfører en direkte "omformning" mellem elektroner (strøm) og fotoner (lys). At halvlederlaseren er en effektiv omformer af elektrisk energi til lysenergi bruges ikke bare direkte som i anvendelserne ovenfor, men også som lysforsyning til store lasersystemer. Disse er reelt lysomformere, dvs. de tager lyset fra én lyskilde og laver det om til en anden, mere intens laserstråle, der så kan bruges til at skære i stål eller lignende. Halvlederlaseren er således for fotonikken, hvad strømforsyning-en er for elektronikken.

Kapitel 4 - Nyt lys på ukendt land - Terahertz teknologi

af David Cooke, Dmitry Turchinovich, Uffe Møller, Finn Eichhorn og Peter Uhd Jepsen

I dette kapitel skal vi på en rejse ind i optikkens grænseland. De fleste mennesker forbinder optik med synligt lys - typiske eksempler på optiske systemer er mikroskoper og kikkerter. Kilderne til belysning eller undersøgelse af forskellige ting er som regel glødepærer eller lasere. Men når vi nu har sagt "synligt" lys, så må der jo også være noget, der kan kaldes "usynligt" lys. Hvis vi sender hvidt lys gennem et prisme og videre på et stykke hvidt papir, ses en regnbue af farver fra mørkerød til dybt blåviolet. Denne palette af farver kaldes også for det synlige spektrum.

Det menneskelige øje er i stand til at registrere lys med bølgelænger mellem 800 nm og 400 nm. Lys med længere bølgelænger end synligt lys, kaldes for infrarødt lys og lys med kortere bølgelænger kaldes for ultraviolet lys.Vi vil kigge nærmere på det elektromagnetiske frekvensområde, der ligger på grænsen mellem det fjerne infrarøde og mikrobølgeområdet. Dette spektralområde er meget spændende både fra et videnskabeligt synspunkt og med henblik på en lang række nye anvendelser, men det har hidtil ligget relativt ubemærket hen, fordi man har manglet udstyr til frembringelse og detektering af strålingen.

Kapitel 5   - Lysets vej - Lyslederens anatomi, udviklingshistorie og fremtidsudsigter

af Jesper Lægsgaard

Den virtuelle verden vokser. Internettet finder hele tiden nye anvendelser som hver især vender op og ned på sin egen lille del af tilværelsen. I skrivende stund er IP-telefoni (Skype og konkurrenter), Second Life og YouTube eksempler på nyere internetfænomener – når du læser disse linjer, virker de måske allerede temmelig gammeldags. E-handel og online computerspil udvikler sig hurtigt, og IP-TV (TV via internet i stedet for radiobølger) er lige om hjørnet. I en lang periode fra midten af 90’erne og frem voksede verdens samlede internettrafik med mere end 100% om året. I de seneste par år (2005-2006) er den procentuelle vækst dæmpet lidt, men er dog stadig 30-50% pr. år, så målt i bits og bytes er væksten stadig tiltagende.

Bagved den virtuelle verden på computerskærmen ligger en højteknologisk (og særdeles virkelig!) underverden, bestående af computerchips, harddiske, kommunikationsnetværk og andet nødvendigt isenkram. Hvis den virtuelle verden skal blive ved med at vokse, er det helt nødvendigt, at denne underverden vokser med. I dette afsnit skal vi bevæge os ned i den del af underverdenen, hvor kommunikationsvejene, det fysiske internet, mellem verdens computere løber. Disse veje består af hårtynde tråde af hyperrent glas, lysledere, hvori lyssignaler overfører information med svimlende fart. Lyslederteknologien har været en afgørende forudsætning for internettets eksplosive udbredelse fra midten af 90’erne, og har bl.a. klart udkonkurreret telekommunikation via satelitter, selv på forbindelserne imellem kontinenter. I tilgift har teknologien fundet anvendelser på en række andre områder, såsom sensorteknik, lasersystemer, belysning, mm. En del af disse anvendelser beskrives andre steder i denne bog. I dette afsnit er fokus på selve lyslederne. Vi skal se på hvordan disse lysledere virker, hvad det er de kan i forhold til andre teknologier, og hvad der skal til for at de kan holde trit med væksten i den virtuelle verden.

Kapitel 6   - Kraftig som en laser, hvidere end solen - Superkontinuumsgenerering - den ultimative hvidlyskilde

af Michael Frosz og Ole Bang

Vi bruger lys overalt i vores hverdag. Men lys er ikke bare lys. Afhængigt af hvad formålet er, bruger vi lys med forskellige egenskaber. Hvis vi skal læse en bog efter solnedgang, tænder vi for glødepæren, som giver et behageligt blødt hvidt lys. Vil vi høre musik sætter vi en CD på, som kun kan aflæses ved hjælp af en laser gemt inden i CD-afspilleren. Lys fra en almindelig laser består af elektromagnetiske bølger med næsten den samme bølgelængde, dvs. at lyset har en bestemt farve. Det hvide lys fra glædepæren indeholder derimod alle synlige farver. Glødepærens lys spredes ud i alle retninger, men lyset fra laseren breder sig kun ganske lidt ud, selvom strålen tilbagelægger store afstande. Man siger, at laserlyset er rumligt kohærent, og det medfører, at man kan fokusere laserlyset ned til en meget lille pletstørrelse.

Men hvad gør man, hvis man har brug for at kombinere to af disse lyskilders vigtige egenskaber: hvidt lys (de elektromagnetiske bølger har mange forskellige bølgelængder, hvilket igen svarer til at lyset indeholder mange farver) samtidig med at lyset er rumligt kohærent? En sådan lyskilde ville faktisk have mange forskellige vigtige anvendelser. For eksempel ville den kunne bruges til at lave en slags mikroskopi-billeder af hud, helt uden at man behøver at skære et stykke af huden af, som man ellers er nødt til at gøre for at putte hudprøven ind i et almindeligt mikroskop. Man kunne forestille sig at kombinere flere lasere med hver deres farve, men det er dyrt, besværligt, og lyset bliver ikke tilstrækkeligt rent hvidt.

I det følgende beskriver vi, hvordan man kan lave lys, som både er rumligt kohærent og indeholder mange farver, nemlig et såkaldt superkontinuum.

Kapitel 7   - Think Big - Fra passive lysledere til fibre, der forstærker

af Karsten Rottwitt

Udviklingen af moderne kommunikationsmidler, herunder ikke mindst optisk kommunikation, har gjort det muligt at kommunikere enorme datamængder, ikke kun over korte afstande, men hele verden rundt. Optisk kommunikation har derfor været en betydningsfuld årsag til, at vi nu lever i en global tid.

Lys er fascinerende på mange måder. Ikke alene er lys det, som gør os i stand til at se noget, men det indeholder også en enestående kapacitet til at overføre information. Lys er et elektromagnetisk felt, kendetegnet ved en udbredelseshastighed og en frekvens, d.v.s. et bestemt antal svingninger af det elektriske felt per sekund på et bestemt sted. Forholdet mellem udbredelseshastigheden og frekvensen bestemmer lysets bølgelængde - eller det vi opfatter som lysets farve. Optiske frekvenser strækker sig generelt fra få nm (ultraviolet) til få mm (infrarødt). Det menneskelige øje kan opfatte bølgelængder i området fra 380 nm til 740 nm, svarende til et frekvens interval fra 405 THz til 700 THz, hvor 1 THz=10¹² Hz. Skønt dette er et begrænset område er det synlige område et meget bredt frekvensbånd i sammenligning med frekvensbåndet af almindelig tale som fylder nogle få kHz, eller for den sags skyld et konventionelt TV signal som fylder 6 MHz. Det er netop det ekstremt store forhold mellem lysets frekvens sammenlignet med de få kHz, hhv. 6 MHz, der skal bruges til telefoni, hhv. TV, som gør det muligt at overføre exceptionelt store mængder information.

Kapitel 8   - Krystaller i dobbelt forstand - Fusion af fladskærm og lysleder

af Anders Bjarklev, Thomas Tanggaard Alkeskjold og Lara Scolari

I vores moderne samfund er innovation et af de oftest anvendte og mest populære begreber, og mange mener, at netop innovationen er vejen til fortsat velstand her i landet såvel som i hele Europa. Der iværksættes nye politiske initiativer for at fremme innovationen, og der optræder talrige eksperter i den offentlige debat, i virksomheder, og i alle samfundets institutioner med løsningsforslag til at fremme innovationen. En af de vanskeligheder, som vi imidlertid alle står overfor i forhold til innovationens udfordring, er den, at vejen fra idé til nyt konkret fremskridt ofte er lang og knudret. Vi kender nok også alle til, at der kræves mange forsøg før man faktisk står med noget der virker, og det gælder alt lige fra udviklingen af en ny middagsret, et nyt stykke musik, en stor skriftlig opgave, eller ikke mindst en ny teknisk-videnskabelig idé.

Det faktum, at der oftest kræves mange (og deriblandt også mislykkede) forsøg kan man også udtrykkes ved, at skabelse af nye ting som hovedregel sker gennem en ihærdig indsats. Vi ved dog også alle, at det ikke alene er gjort hermed, idet ethvert fagområde kræver viden, som kan udnyttes til at sortere i og fravælge mindre succesfulde resultater og dermed lede os frem til egentlige fremskridt.

Kapitel 9   - Dit vindue til verden - Fiber til hjemmene

af Idelfonso Tafur Monroy

Fiber til hjemmet (eller på engelsk: Fiber-to-the-home - FTTH), eller måske ligefrem "Fiber til forbrugerens enemærker" (der på engelsk kendes som: fiber to the customer premises - FTTCP) er ikke alene nye akronymer i det danske sprog, men dækker også over teknologier, der leverer bredbånds telekommunikation baseret på fiber-optiske kabler og de tilknyttede optiske og elektroniske komponenter. Disse teknologier muliggør levering af adskillige avancerede serviceprodukter såsom telefon, bredbånds internet forbindelse, samt "high definition" TV – alt sammen leveret over den samme optiske fiber direkte til hjem eller kontor. I fremtiden kan FTTH teknologien i endnu højere grad blive vores vindue til verden, når sågar tre-dimensionale bevægelige billeder bliver leveret gennem 3D TV, og spil bliver tilgængelige gennem en bredbånds forbindelse direkte ind i dagligstuen.

Kapitel 10 - Meldinger fra dérude, hvor elektronikken ikke kan følge med - At bryde terabit/s muren - om ultrahurtig optisk kommunikation

af Leif Oxenløwe, Michael Galili og Hans Christian Mulvad Hansen

Opfindelsen af laseren er en af de absolut største bedrifter i det 20’ende århundrede. Laseren har nemlig vist sig at være umådelig interessant ikke alene i Star Wars og i forskningsverdenen, men også i mange sammenhænge i vores hverdag. Laseren er nemlig et fantastisk godt eksempel på hvordan det at forstå fundamentale aspekter af naturen kan udnyttes til at skabe et værktøj med umådeligt mange anvendelser. Således anvendes lasere i dag i f.eks. CD/DVD afspillere, stregkode-skannere, til laser svejsning, operationer, underholdning, undervisning, på byggepladser som rette-snore og mange andre steder, såvel som i forskningslaboratorier til at køle atomer, til at bremse lys, til spektroskopi, til biologisk analyse og meget andet. Ved at forstå lysets natur, og derefter tøjle det, har man skabt et storslået redskab. Det undrer ikke, at laseren siden sin opfindelse i 1960 har givet anledning til ikke mindre end 13 nobelpriser (senest i 2005) til fysikere, der arbejder med em-ner relateret direkte til laseren. Den vigtigste anvendelse af laseren er dog nok optisk kommunikation.

Kapitel 11 - Når telefonen melder optaget - Ressourceplanlægning i telenet

af Lars Staalhagen og Villy Bæk Iversen

Det globale telenet er det mest komplekse system, der er skabt af mennesker. Alligevel er det nemt for almindelige abonnenter at benytte det, men for at det kan lade sig gøre, er der mange problemstillinger, der skal løses. Et generelt problem er, hvordan man mest hensigtsmæssigt fordeler ressourcer i telenettet, så abonnenterne så godt som altid kan foretage opkald, når de ønsker det. Hvis et opkald ikke kan foretages på grund af manglende ressourcer i telenettet, vil abonnenten høre en optaget-tone. En optaget-tone kan derfor både betyde, at den man ringer til er i gang med en anden samtale, men også at opkaldet ikke kan foretages på grund af manglende ressourcer i telenettet. En løsning på problemet vil være at overdimensionere telenettet, så der altid vil være ressourcer nok, men dette er ikke hensigtsmæssigt set fra teleoperatørens side, da der er store omkostninger ved at etablere et telenet.

Kapitel 12 - Hvordan virker internettet - Grafer, knudepunkter og netværk

af Michael Berger, Henrik Wessing, Jacob Buron, Sarah Ruepp, Brian Mortensen go Jose Soler Lucas

Hvordan opstod Internettet?, Hvordan fungerer det? og hvordan får vi adgang til Internettet gennem lokalnet, Fiber og ADSL. Hvad sker der med data, som skal finde vej i Internettet – hvordan finder man den optimale rute? Det er blandt andre disse spørgsmål, som kapitlet i det følgende vil forsøge at besvare.

Internettets udvikling

Principperne bag Internettet, som vi kender det i dag, blev udviklet tilbage i 60erne og 70erne. Kommunikationsnetværk var på dette tidspunkt ikke noget ukendt begreb, idet telefonen allerede havde eksisteret i mange år. Imidlertid fandt man, at telefonnettet ikke var velegnet, når computere og maskiner skal snakke sammen, hvilket der er flere grunde til. For det første får man en dårlig udnyttelse af nettets ressourcer med faste forbindelser mellem alle computere, som typisk kun snakker sammen sporadisk. For det andet er telefonnettets hierarkiske arkitektur meget sårbar over for nedbrud i de store centraler, hvilket især militæret havde fokus på. For således at gøre kommunikation mere effektiv og mindre sårbar overfor nedbrud, f.eks ved atomare sprængninger, opfandt man en ny type af netværk baseret på overførsel af data-pakker – det såkaldte pakkekoblede netværk

Kapitel 13 - Kampen mod støj - Når matematikken forbedrer det digitale udsyn

af Knud Jørgen Larsen

Telekommunikation foregår nu til dags i meget stor udstrækning med digitale signaler, dvs. signaler hvor der kun er et begrænset antal muligheder at vælge blandt. Vi plejer at kalde dem symboler. Mest hyppigt forekommende er bit, der som nok bekendt kun kan antage værdierne 0 og 1, men der findes også mere komplicerede eksempler som f.eks. alle tal fra 0 til 9 eller 0 til 255. Det er i virkeligheden en gammel teknik: Røgsignaler, Signalflag for skibe, Optisk telegraf, eller Morsetelegrafi. Den store fidus ved digitale signaler, er at man kan genkende grundformerne selv om de bliver forvrængede og andre signaler blander sig, f.eks. vil skyerne fra røgsignaler kunne genkendes selv om de ændrer form og signalflagene kan skelnes fra alle de andre farvede ting i en havn osv. Fra telefonens opfindelse (A.G. Bell 1876) ændredes dette til overførsel af analoge signaler: Talen bliver via en mikrofon omsat til en elektrisk spænding, som så via ledninger når frem til modtagerens højttaler. Her er der i første omgang ikke nogle definerede grundformer, alle spændinger er mulige. Vi kalder sådanne signaler analoge. Transmission af analoge signaler er stadig meget udbredt: TV, radio og telefoni på fastnettet. Visse dele af disse systemer anvender dog også digitale signaler internt, men på den sidste strækning til brugeren er transmissionen endnu analog i de fleste tilfælde.

Ordforklaring

Her finder du en lavopløselig udgave af bogen: Optiske horisonter (16.807 KB)