211service.com
Nobel for revolutionære optiske teknologier
Det 2009 Nobelprisen i fysik er blevet tildelt tre forskere, hvis arbejde har dannet grundlag for moderne telekommunikation og digital billedbehandling. Prisen anerkender Charles K. Kao, hvis opdagelser førte til et gennembrud inden for fiberoptik, og Willard S. Boyle og George E. Smith, der opfandt CCD (charge-coupled device) billedsensoren.
Nobelprismodtagere: Vinderne af dette års Nobelpris i fysik er fra top til bund Charles K. Kao, tidligere fra Standard Telecommunication Laboratories, og Willard S. Boyle og George E. Smith, tidligere fra Bell Laboratories.
Optiske fibre bærer næsten alle telekommunikationsdata og udgør rygraden i internettet. Når det kombineres med laseren og transistoren, har opfindelsen af en effektiv optisk fiber med lavt tab gjort næsten øjeblikkelig kommunikation mulig over hele kloden, sagde H. Frederick Dylla, direktør for American Institute of Physics, i en erklæring.
Arbejdet blev udført i midten af 1960'erne. Opfindelsen af laseren i begyndelsen af 1960'erne ansporede forskere til at udvikle et praktisk transmissionsmedium for lys, som kan transmittere data meget hurtigere end radiobølger. Optiske fibre virkede dog ikke lovende på det tidspunkt på grund af deres høje dæmpningshastigheder: kun omkring 1 procent af det lys, der sendes gennem fiberen, ville blive transmitteret så langt som 20 meter.
Kaos indsigt var at fokusere ikke kun på lysets fysik, men på selve mediets materielle egenskaber. I 1966, som en ung ingeniør ved Standard Telecommunication Laboratories i Harlow, U.K., opdagede Kao de underliggende årsager til dæmpning i optisk fiber: jernurenheder fik den til at absorbere og sprede lyset. Rent glas, foreslog han, ville være en bedre bærer og ville også give omkostningsfordele.
Efter yderligere undersøgelser af, hvordan lys af forskellige bølgelængder bevæger sig gennem forskellige medier, pegede Kao og hans kolleger på siliciumdioxid som det bedste materiale. Men siliciumdioxid er svært at arbejde med. Et team af forskere ved Corning Glass Works realiserede Kaos designs i 1970 ved at bruge et højtryksreaktionskammer til at danne de første optiske fibre med lavt tab, og andre ved Bell Laboratories forfinede fremstillingsteknikken for at nedbringe omkostningerne.
Moderne optiske fibre er endnu bedre end hvad Kao forudsagde og mister kun 5 procent af lyset over en afstand på en kilometer. I 1988 blev den første interkontinentale optiske fiber, som var 6.000 kilometer, lagt mellem Europa og Amerika; i dag er der over en milliard kilometer optisk fiber rundt om i verden, og der kommer mere til hver dag.
Den anden halvdel af dette års Nobelpris i fysik går til opfinderne af CCD, en enhed, der konverterer billeder til elektriske signaler og derved revolutionerer fotografering og digital billeddannelse.
Mens Kaos arbejde voksede ud af en fælles indsats for at finde et bedre telekommunikationsmedium, var Boyle og Smiths uventede. De udviklede CCD'en på Bell Labs i 1969, efter at have skitseret det grundlæggende design under en timelang brainstormsession. Princippet bag CCD er den fotoelektriske effekt, som til dels blev teoretiseret af Albert Einstein, hvilket gav ham Nobelprisen i 1921 . Når de bliver bombarderet af en foton, udsender nogle materialer en elektron. Boyle og Smiths design er en siliciumchip, hvis overflade er dækket af et gitter af kondensatorer, der lagrer de elektroner, der skabes, når chippen belyses. Hver kondensator er en pixel. Antallet af elektroner lagret ved hver kondensator er proportional med intensiteten af lyset i den del af billedet. Billedet kan aflæses ved at trække ladningerne af CCD'en.
Fordelen ved CCD i forhold til lysfølsomme kemiske film og endda det menneskelige øje er dens høje følsomhed. Over hele lysspektret, fra infrarød til røntgenstråler, kan CCD'er fange 90 procent af de indkommende fotoner. Øjet eller et filmkamera fanger kun 1 procent af disse fotoner.
Et år efter deres opfindelse lavede Boyle og Smith et videokamera baseret på den digitale billedsensor; i 1981 bragte Sony den på markedet første CCD-kamera , Mavica. Astronomer var tidlige adoptanter og har brugt sensorerne til at fange billeder af fjerne himmellegemer, som hidtil var usynlige.
I dag møder CCD en vis konkurrence fra en anden digital-billed-chip, der er opfundet omkring samme tid - CMOS (komplementær metal-oxid-halvleder). Begge enheder er afhængige af den fotoelektriske effekt. Mens CCD'en dirigerer elektroner fra chippen i en enkelt strøm for at blive udlæst, udlæses data fra CMOS-pixel på stedet, hvilket sparer strøm og forlænger batteriets levetid. CMOS er dog ikke så følsom som CCD, hvilket stadig har fordele til avancerede applikationer som astronomi og medicinsk billedbehandling.