211service.com
Nobelprijs voor revolutionaire optische technologieën
De 2009 Nobelprijs voor natuurkunde is toegekend aan drie onderzoekers wier werk de basis heeft gevormd voor moderne telecommunicatie en digitale beeldvorming. De prijs erkent Charles K. Kao, wiens ontdekkingen leidden tot een doorbraak in glasvezel, en Willard S. Boyle en George E. Smith, die de CCD-beeldsensor (charge-coupled device) uitvonden.
Nobelprijswinnaars: De winnaars van de Nobelprijs voor natuurkunde dit jaar zijn, van boven naar beneden, Charles K. Kao, voorheen van Standard Telecommunication Laboratories, en Willard S. Boyle en George E. Smith, voorheen van Bell Laboratories.
Glasvezels dragen bijna alle telecomdata en vormen de ruggengraat van het internet. In combinatie met de laser en de transistor heeft de uitvinding van een efficiënte, verliesarme optische vezel bijna onmiddellijke communicatie over de hele wereld mogelijk gemaakt, zei H. Frederick Dylla, directeur van het American Institute of Physics, in een verklaring.
Het werk werd gedaan in het midden van de jaren zestig. De uitvinding van de laser in het begin van de jaren zestig spoorde onderzoekers aan om een praktisch transmissiemedium voor licht te ontwikkelen, dat gegevens veel sneller kan verzenden dan radiogolven. Optische vezels leken op dat moment echter niet veelbelovend vanwege hun hoge demping: slechts ongeveer 1 procent van het licht dat door de vezel wordt gestuurd, zou tot 20 meter worden doorgelaten.
Kao's inzicht was om zich niet alleen te concentreren op de fysica van licht, maar ook op de materiële eigenschappen van het medium zelf. In 1966 ontdekte Kao als jonge ingenieur bij Standard Telecommunication Laboratories in Harlow, VK, de onderliggende oorzaken van demping in optische vezels: ijzerverontreinigingen zorgden ervoor dat deze het licht absorbeerde en verstrooide. Zuiver glas, zo suggereerde hij, zou een betere drager zijn en ook kostenvoordelen opleveren.
Na verder onderzoek naar hoe licht van verschillende golflengten door verschillende media reist, wezen Kao en zijn collega's op siliciumdioxide als het beste materiaal. Maar siliciumdioxide is moeilijk om mee te werken. Een team van onderzoekers van Corning Glass Works realiseerde Kao's ontwerpen in 1970, met behulp van een hogedrukreactiekamer om de eerste optische vezels met laag verlies te vormen, en anderen bij Bell Laboratories verfijnden de productietechniek om de kosten te verlagen.
Moderne optische vezels zijn zelfs beter dan wat Kao voorspelde, ze verliezen slechts 5 procent van het licht over een afstand van een kilometer. In 1988 werd de eerste intercontinentale optische vezel van 6.000 kilometer gelegd tussen Europa en Amerika; vandaag zijn er meer dan een miljard kilometer glasvezel over de hele wereld, en elke dag komen er meer bij.
De andere helft van de Nobelprijs voor natuurkunde van dit jaar gaat naar de uitvinders van de CCD, een apparaat dat beelden omzet in elektrische signalen en zo een revolutie teweegbrengt in fotografie en digitale beeldvorming.
Terwijl Kao's werk voortkwam uit een gezamenlijke inspanning om een beter telecommunicatiemedium te vinden, was dat van Boyle en Smith onverwacht. Ze ontwikkelden de CCD in Bell Labs in 1969, nadat ze het basisontwerp hadden geschetst tijdens een brainstormsessie van een uur. Het principe achter de CCD is het foto-elektrisch effect, dat gedeeltelijk werd getheoretiseerd door Albert Einstein, waardoor hij de Nobelprijs 1921 . Sommige materialen zenden een elektron uit wanneer ze worden gebombardeerd door een foton. Het ontwerp van Boyle en Smith is een siliciumchip waarvan het oppervlak is bedekt met een raster van condensatoren die de elektronen opslaan die worden gecreëerd wanneer de chip wordt verlicht. Elke condensator is een pixel. Het aantal elektronen dat bij elke condensator is opgeslagen, is evenredig met de intensiteit van het licht in dat deel van het beeld. Het beeld kan worden uitgelezen door de ladingen van de CCD af te trekken.
Het voordeel van de CCD ten opzichte van lichtgevoelige chemische films en zelfs het menselijk oog is de hoge gevoeligheid. Over het hele lichtspectrum, van infrarood tot röntgenstraling, kunnen CCD's 90 procent van de binnenkomende fotonen opvangen. Het oog of een filmcamera legt slechts 1 procent van deze fotonen vast.
Een jaar na hun uitvinding maakten Boyle en Smith een videocamera op basis van de digitale beeldsensor; in 1981 bracht Sony de eerste CCD-camera , de Mavica. Astronomen waren early adopters en hebben de sensoren gebruikt om beelden vast te leggen van verre hemellichamen die voorheen onzichtbaar waren.
Tegenwoordig wordt de CCD geconfronteerd met enige concurrentie van een andere chip voor digitale beeldvorming die rond dezelfde tijd is uitgevonden: CMOS (complementaire metaaloxide-halfgeleider). Beide apparaten vertrouwen op het foto-elektrisch effect. Terwijl de CCD elektronen in een enkele stroom van de chip afleidt om te worden uitgelezen, worden gegevens van CMOS-pixels ter plaatse uitgelezen, wat energie bespaart en de levensduur van de batterij verlengt. CMOS is echter niet zo gevoelig als CCD, wat toch voordelen heeft voor geavanceerde toepassingen zoals astronomie en medische beeldvorming.