Το Νόμπελ Φυσικής 2009 απενεμήθη κατά το ήμισυ στον Charles Kao για τα πρωτοποριακά επιτεύγματα του σχετικά με τη μετάδοση του φωτός μέσα σε οπτικές ίνες για τις τηλεπικοινωνίες, ενώ το υπόλοιπο μισό από κοινού στους Willard Boyle και George Smith των εργαστηρίων Bell για την εφεύρεση της διάταξης συζευγμένου φορτίου, δηλαδή του αισθητήρα CCD.
Το φετινό βραβείο Νόμπελ Φυσικής απονέμεται για δύο επιστημονικά επιτεύγματα που συνέβαλαν στην διαμόρφωση των θεμελίων της δικτυωμένης σημερινής κοινωνίας. Τα επιτεύγματα αυτά έχουν δημιουργήσει πολλές πρακτικές καινοτομίες, για την καθημερινή ζωή, αλλά αποτελούν και νέα εργαλεία για την επιστημονική εξερεύνηση. Το 1966, ο Charles Kao (των Εργαστηρίων Τηλεπικοινωνιών Harlow της Μεγάλης Βρετανίας) έκανε μια ανακάλυψη που οδήγησε σε μια σημαντική πρόοδο στις οπτικές ίνες. ΟCharles Kao υπολόγισε προσεκτικά πώς να διαβιβάσει φως σε μεγάλες αποστάσεις μέσω των οπτικών ινών από γυαλί. Με μία ίνα από καθαρό γυαλί (χωρίς προσμίξεις) θα ήταν δυνατή η μετάδοση φωτεινών σημάτων σε μια απόσταση πάνω από 100 χιλιόμετρα, σε σύγκριση με τα 20 μέτρα μόνο που μπορούσαμε με τις διαθέσιμες ίνες στη δεκαετία του 1960. Ο ενθουσιασμός του Kao ενέπνευσε κι άλλους ερευνητές να μοιραστούν το όραμά του για τις μελλοντικές δυνατότητες των οπτικών ινών. Η πρώτη άκρως καθαρή ίνα κατασκευάστηκε με επιτυχία μόλις τέσσερα χρόνια αργότερα, το 1970.
Σήμερα οι οπτικές ίνες αποτελούν το σύστημα που ‘τρέφει’ κυριολεκτικά την κοινωνία της επικοινωνίας μας, αντικαθιστώντας τα χάλκινα καλώδια. Αυτές οι ίνες από γυαλί χαμηλής απώλειας έχουν διευκολύνει τα μέγιστα για μια παγκόσμια ευρυζωνική επικοινωνία, όπως το Διαδίκτυο. Το φως ρέει σε λεπτές ίνες από γυαλί, και μεταφέρει σχεδόν το σύνολο της τηλεφωνίας και της κίνησης των δεδομένων προς κάθε κατεύθυνση. Κείμενα, μουσική, εικόνες και βίντεο μπορεί να μεταφερθούν σε όλο τον κόσμο μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου.
Μια ακτίνα φωτός ταξιδεύει μέσα από την ίνα κάνοντας συνεχώς ανακλάσεις γιατί ο δείκτης διάθλασης του γυαλιού είναι ελαφρώς μεγαλύτερος από το δείκτη διάθλασης του περιβάλλοντος υλικού. Το βασικό κεντρικό τμήμα είναι της τάξεως των 10 μm ενώ η υπέρυθρη ακτίνα έχει μήκος κύματος 1.55 μm για να έχουμε πολύ μικρές απώλειες.
Αν επρόκειτο να ξεδιαλύνουμε όλες τις ίνες του γυαλιού που βρίσκονται σήμερα σε όλο τον κόσμο, θα παίρναμε ένα μόνο νήμα με μήκος πάνω από ένα δισεκατομμύριο χιλιόμετρα – το οποίο είναι αρκετά για να περικυκλώσουν τον πλανήτη μας περισσότερα από 25 000 φορές – και αυξάνεται κατά χιλιάδες χιλιόμετρα ανά ώρα .
Ένα μεγάλο μέρος της κίνησης των δεδομένων αποτελείται από ψηφιακές εικόνες, οι οποίες αποτελούν το δεύτερο μέρος του βραβείου. Το 1969, οι Willard Boyle και George Smith (των εργαστηρίων Bell) επινόησαν την πρώτη επιτυχημένη τεχνολογία απεικόνισης, χρησιμοποιώντας ψηφιακό αισθητήρα, δηλαδή ένα CCD (διάταξη συζευγμένου φορτίου ή Charge-Coupled Device). Η τεχνολογία CCD κάνει χρήση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, τη θεωρία του Αλβέρτου Αϊνστάιν για την οποία τιμήθηκε με Νόμπελ το 1921. Σε αυτό το φαινόμενο το φως μετατρέπεται σε ηλεκτρικά σήματα. Η πρόκληση κατά τον σχεδιασμό ενός CCD ήταν να συγκεντρωθούν και να διαβαστούν τα μηνύματα σε ένα μεγάλο αριθμό πίξελ, σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Η διάταξη CCD χρησιμοποιείται σήμερα στις ψηφιακές κάμερας φέρνοντας επανάσταση στην φωτογραφία, όπου το φως συλλαμβάνεται πάνω σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα αντί για το φιλμ. Η ψηφιακή μορφή διευκολύνει την επεξεργασία και τη διανομή αυτών των εικόνων παντού. Η τεχνολογία CCD χρησιμοποιείται επίσης σε πολλές ιατρικές εφαρμογές, π.χ. για την απεικόνιση του εσωτερικού του ανθρώπινου σώματος, τόσο για την διάγνωση όσο και για τη μικροχειρουργική.
Η ψηφιακή φωτογραφία βεβαίως έχει γίνει ένα αναντικατάστατο εργαλείο σε πολλούς τομείς της έρευνας. Η διάταξη CCD προσφέρει νέες δυνατότητες για να απεικονίσουμε κάτι που στο παρελθόν ήταν αόρατο. Μας έδωσε πεντακάθαρες εικόνες από μακρινούς τόπους στο σύμπαν μας, καθώς και από τα βάθη των ωκεανών.
Η διάταξη συζευγμένου φορτίου CCD, είναι στην πραγματικότητα ένας καταχωρητής ολίσθησης, μια πολύ μικρή πλάκα πάνω στην οποία βρίσκονται διατεταγμένα έως και μερικά εκατομμύρια στοιχεία ενός ημιαγώγιμου υλικού ευαίσθητου στο φως (συνήθως πυρίτιο) και χρησιμεύει για τη λήψη ειδώλων (φωτογραφιών ή βίντεο). Όταν ο ανιχνευτής εκτίθεται σε μια φωτεινή πηγή, σε καθένα απ’ αυτά τα στοιχεία απελευθερώνονται ηλεκτρικά φορτία (ηλεκτρόνια) σε ευθεία αναλογία με τα φωτόνια που πέφτουν πάνω στο στοιχείο.
Μετά την έκθεση στο φως ο αριθμός των συγκεντρωμένων ηλεκτρονίων στο κάθε στοιχείο καθορίζει τη φωτεινότητα του αντίστοιχου σημείου πάνω στο μόνιτορ με το οποίο είναι συνδεδεμένος ο ανιχνευτής CCD. Έτσι η φωτογραφημένη εικόνα ανασυντίθεται σημείο προς σημείο στην οθόνη.
Τα πλεονεκτήματα του CCD σε σχέση με τις φωτογραφικές πλάκες είναι πολλά μεταξύ των οποίων είναι τα εξής:
- Μεγαλύτερη ευαισθησία – καταφέρνουν να «συλλαμβάνουν» σχεδόν το 60% των φωτονίων που πέφτουν πάνω τους, έναντι μόνο 5% των πλακών, άρα απαιτείται λιγότερος χρόνος για την πόζα.
- Δυνατότητα ψηφιακής επεξεργασίας των φωτογραφιών. Η κεφαλή που περιέχει τον αισθητήρα είναι φτιαγμένη με τέτοιο τρόπο, ώστε να φιλοξενείται στη θέση του φακού του τηλεσκοπίου.
- Χρησιμεύει για τη φωτογράφιση των αστέρων ή των γαλαξιών γιατί κεφαλή που περιέχει τον αισθητήρα είναι φτιαγμένη με τέτοιο τρόπο, ώστε να φιλοξενείται στη θέση του φακού του τηλεσκοπίου.
Τον Ιανουάριο του 2006, στους Boyle και Smith απονεμήθηκε από την Εθνική Ακαδημία Μηχανικών βραβείο για το έργο τους σχετικά με τον ανιχνευτή CCD.
Πηγή: Επιτροπή βραβείων Νόμπελ
Leave a Comment