مهندسی اپتیک و لیزر
این دسته برای کتاب‌های نور و لیزر در مهندسی است؛ از مبانی اپتیک هندسی و موجی تا دستورکارهای آزمایشگاه اپتیک و لیزر پیشرفته.
کتاب‌های این دسته۱ کتاب
نوری که از صفحه‌ی گوشی به چشم شما می‌رسد، پرتوی که در کابل نوری اینترنت خانه‌تان می‌دود، دستگاهی که در کارگاه ورق فلز را می‌برد و اسکنر باری که قیمت را از روی جعبه می‌خواند، همه به یک دانش بستگی دارند: مهندسی اپتیک و لیزر. این صفحه برای دانشجوی فیزیک و مهندسی، پژوهشگر و علاقه‌مندی نوشته شده که می‌خواهد بداند کتاب مهندسی اپتیک و لیزر را از کجا شروع کند، چه مباحثی در آن است و برای آزمایشگاه چه منبعی لازم دارد.
فعلا موجودی این دسته کم است و دو کتاب دارد: یک دستورکار آزمایشگاه و یک کتاب درباره‌ی اپتیک فوریه. برای همین در این مقاله بیشتر راهنمای موضوع می‌نویسیم و نشان می‌دهیم هر شاخه‌ی این رشته چه کتابی می‌خواهد. مشخصات دقیق هر کتاب در صفحه‌ی خودش است.
اپتیک علم نور است: نور چگونه تولید می‌شود، چطور حرکت می‌کند، چگونه از عدسی و آینه می‌گذرد و با ماده چه می‌کند. لیزر هم نوع خاصی از نور است که از منبع‌هایی می‌آید که پرتوی بسیار منظم و پرانرژی و تک‌رنگ تولید می‌کنند. مهندسی اپتیک و لیزر این دانش را به دستگاه و سامانه تبدیل می‌کند: از دوربین و میکروسکوپ گرفته تا برش‌دهنده‌ی صنعتی و شبکه‌ی نوری.
این رشته جایی میان فیزیک و مهندسی برق است. از فیزیک مفهوم و معادله می‌گیرد و از مهندسی، طراحی، ساخت و سنجش. دانشجوی این رشته هم باید معادله‌های ماکسول را بفهمد و هم بتواند روی میز آزمایشگاه یک آینه را چند میلی‌متر جابه‌جا کند و اثرش را ببیند.
اگر بخواهیم سه ستون اصلی را نام ببریم، این‌ها را می‌گوییم: اپتیک هندسی و موجی، لیزر و برهم‌کنش نور با ماده، و فوتونیک و کاربردهای آن. کتاب‌های این دسته معمولا در یکی از همین سه محور یا در ترکیب‌شان قرار می‌گیرند.
در فهرست کتاب‌جم این رشته زیر مجموعه‌ی فنی و مهندسی قرار دارد. اگر به جنبه‌ی الکترونیکی نور، مثل آشکارساز و مدار، علاقه دارید، دسته‌ی مهندسی برق کتاب‌های هم‌جوار دارد. اگر بحث ساخت قطعات و مکانیک نگه‌داری آینه و عدسی برایتان مهم است، به مهندسی مکانیک نگاه کنید. و اگر پردازش تصویر و شبیه‌سازی می‌خواهید، دسته‌ی مهندسی کامپیوتر کمک می‌کند.
همین همپوشانی نشان می‌دهد که رشته‌ی اپتیک و لیزر چقدر میان‌رشته‌ای است. بسیاری از دانشجوهای این رشته کتاب‌هایی از شاخه‌های دیگر هم می‌خرند و این طبیعی است. توصیه‌ی ما این است که کتاب تخصصی را نگه دارید و کتاب‌های عمومی مهندسی را هم در دسترس داشته باشید.
هر کتاب اپتیک معمولا از دو نگاه به نور شروع می‌کند. در اپتیک هندسی نور را پرتو مستقیم می‌بینیم که در محیط‌ها می‌شکند و بازتاب می‌شود. با همین ساده‌سازی می‌شود عدسی، آینه، منشور و بیشتر دستگاه‌های تصویربرداری را طراحی کرد. قانون‌های بازتاب و شکست و معادله‌ی عدسی نازک از همین‌جا می‌آیند.
در اپتیک موجی نور را موج می‌بینیم. اینجا پدیده‌هایی مثل تداخل، پراش و قطبش وارد می‌شود. آزمایش دو شکاف یانگ نمونه‌ی کلاسیک است: نور از دو شکاف باریک می‌گذرد و روی پرده الگوی نوار روشن و تاریک می‌سازد. این آزمایش نشان می‌دهد نور رفتار موجی دارد و بسیاری از دستگاه‌های سنجش دقیق از همین اصل استفاده می‌کنند.
پایه‌ی ریاضی این بخش‌ها حساب دیفرانسیل و انتگرال، معادله‌های دیفرانسیل و مقداری جبر خطی است. برای همین بهتر است پیش از خرید کتاب سطح بالاتر، ریاضیات عمومی را مرور کرده باشید. اگر ریاضی‌تان ضعیف است، کتاب مقدماتی‌تر انتخاب کنید و بعد بالا بروید.
نام لیزر از عبارتی انگلیسی به معنای تقویت نور با گسیل القایی ساخته شده است. اصل فیزیکی آن، یعنی گسیل القایی، را آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۷ پیش‌بینی کرد. نخستین لیزر کارا در سال ۱۹۶۰ ساخته شد و از آن به بعد کاربردهایش در صنعت، ارتباطات، پزشکی و پژوهش گسترش یافت.
ویژگی‌های نور لیزر این‌هاست: تقریبا تک‌رنگ است، پرتو باریکی دارد که کم پخش می‌شود، و فازش منظم است که به آن همدوسی می‌گویند. همین ویژگی‌ها باعث می‌شود لیزر برای برش دقیق، سنجش فاصله، ارتباط نوری و آزمایش‌های فیزیکی مناسب باشد.
هر لیزر سه بخش اصلی دارد: محیط فعال که نور را تقویت می‌کند، منبع انرژی که آن را تحریک می‌کند و کاواک نوری که نور را میان دو آینه رفت‌وبرگشت می‌دهد. کتاب‌های درسی لیزر به همین ترتیب پیش می‌روند: اول اتم و ترازهای انرژی، بعد وارونی جمعیت، بعد کاواک و بعد انواع لیزر مثل گازی، حالت جامد و نیمه‌رسانا.
یکی از قشنگ‌ترین بخش‌های این رشته اپتیک فوریه است. ایده‌ی اصلی این است که یک عدسی در شرایط مناسب، تبدیل فوریه‌ی نوری که به آن می‌رسد را در صفحه‌ی کانونی خود می‌سازد. یعنی عدسی همان کاری را می‌کند که کامپیوتر با یک برنامه‌ی ریاضی انجام می‌دهد، اما با سرعت نور.
این ویژگی کاربردهای زیادی دارد. مثلا می‌توان در صفحه‌ی کانونی فیلتر گذاشت و بخشی از فرکانس‌های تصویر را حذف کرد. نتیجه این است که نویز یا الگوی ناخواسته‌ای از تصویر برداشته می‌شود. به این کار فیلتر کردن فضایی می‌گویند و در پردازش تصویر نوری و بعضی سامانه‌های تشخیص الگو کاربرد دارد.
کتابی با عنوان «آشنایی با اپتیک فوریه» از همین حوزه است. از اسمش پیداست که مقدمه‌ای برای ورود به این موضوع است. کسی که می‌خواهد تبدیل فوریه را در اپتیک ببیند و بفهمد چرا آن‌قدر مهم است، معمولا از چنین کتابی شروع می‌کند. برای دانشجویی که پیش‌تر با تبدیل فوریه در درس سیگنال و سیستم آشنا شده، اپتیک فوریه فرصتی است تا آن ریاضی را به صورت فیزیکی ببیند.
اپتیک را بدون آزمایشگاه نمی‌شود کامل یاد گرفت. نور را نمی‌بینید مگر با چیدن آینه و عدسی، تنظیم زاویه‌ها و مشاهده‌ی الگوها. برای همین درس آزمایشگاه اپتیک و لیزر در دانشگاه‌ها واحد جداگانه‌ای دارد و دستورکار مخصوص می‌خواهد.
کتاب «راهنما و دستورکار آزمایشگاه اپتیک و لیزر پیشرفته» از همین جنس است. از عنوانش برمی‌آید که راهنمای انجام آزمایش‌های سطح پیشرفته است. دستورکار خوب معمولا این بخش‌ها را دارد: هدف آزمایش، نظریه‌ی لازم، وسایل، مراحل انجام، جدول‌های ثبت داده و پرسش‌هایی برای تحلیل نتیجه. دانشجو با کمک آن می‌تواند پیش از رفتن به آزمایشگاه آماده شود.
ما درباره‌ی محتوای دقیق این کتاب چیزی جز آنچه از عنوانش برمی‌آید ادعا نمی‌کنیم. اگر از درس شما خواسته‌اند دستورکار مشخصی را بگیرید، عنوان را با فهرست منابع درس مقایسه کنید و مشخصات کتاب را در صفحه‌اش بخوانید.
هر کتاب آزمایشگاه لیزر باید به ایمنی اهمیت بدهد، چون پرتو لیزر می‌تواند به چشم آسیب جدی بزند. چند اصل کلی که در همه‌ی دستورکارها تکرار می‌شود این‌هاست:
این‌ها فقط اصل‌های کلی‌اند و جای آموزش رسمی ایمنی در آزمایشگاه شما را نمی‌گیرند. همیشه دستورالعمل مسئول آزمایشگاه را در اولویت بگذارید.
برای انتخاب کتاب در این رشته، این پرسش‌ها را از خودتان بپرسید.
کتاب درسی نظریه را توضیح می‌دهد و کتاب آزمایشگاه روش انجام آزمایش را. هر دو لازم‌اند ولی جای هم را نمی‌گیرند. اگر درس آزمایشگاه دارید، دستورکار مخصوص همان درس را بگیرید.
بعضی کتاب‌ها ریاضی سنگین دارند و بعضی شهودی‌ترند. برای شروع، کتابی انتخاب کنید که با آن راحت باشید و بعد سطح را بالا ببرید.
اپتیک فوریه به تبدیل فوریه نیاز دارد. لیزر به فیزیک مدرن و مکانیک کوانتومی مقدماتی. اگر پیش‌نیاز را ندارید، اول آن را جبران کنید.
مبانی اپتیک ثابت است، اما فناوری‌های لیزر و فوتونیک تغییر می‌کنند. برای مباحث پایه، کتاب قدیمی‌تر هم مشکلی ندارد، ولی برای کاربردها بهتر است منبع تازه‌تر ببینید.
مشخصات ناشر و مؤلف هر کتاب در صفحه‌ی خودش است. کتاب‌های آزمایشگاه معمولا به دانشگاه یا دپارتمان خاصی وابسته‌اند و ممکن است با دستورکار درس شما هماهنگ نباشند. پیش از خرید با استاد مشورت کنید.
شاید بپرسید این همه نظریه به چه کاری می‌آید. پاسخ در زندگی روزمره است.
همین کاربردها نشان می‌دهد چرا این رشته هم برای پژوهش و هم برای صنعت جذاب است. دانشجویی که پایه‌ی محکم داشته باشد، می‌تواند در هر کدام از این مسیرها بیفتد.
اگر تازه وارد این رشته شده‌اید، مسیر پیشنهادی ما این است. البته درس‌های دانشگاه‌تان اولویت دارد.
این ترتیب برای همه یکسان نیست، اما پایه‌ی محکم هر مرحله به مرحله‌ی بعد کمک می‌کند. اشتباه رایج این است که کسی بدون پایه‌ی موجی سراغ لیزر برود و بعد به مشکل بخورد.
اپتیک پر از فرمول است، ولی هر فرمول از یک پدیده‌ی فیزیکی می‌آید. اگر فقط حفظ کنید، در آزمایشگاه که نتیجه با انتظارتان نمی‌خواند، سردرگم می‌شوید.
در اپتیک شکل‌ها و نمودارها نصف مطلب‌اند. هر شکل کتاب را خودتان دوباره بکشید تا مسیر پرتوها را بفهمید.
در آزمایشگاه اپتیک، جابه‌جایی کوچک یک آینه نتیجه را تغییر می‌دهد. یاد بگیرید خطا را تخمین بزنید و در گزارش بنویسید.
گزارش آزمایشگاه فرصت فکر کردن است. اگر نتیجه با نظریه نمی‌خواند، دلیلش را جست‌وجو کنید. همین کار شما را مهندس می‌کند.
فارغ‌التحصیلان اپتیک و لیزر معمولا در آزمایشگاه‌های پژوهشی، صنایع ساخت دستگاه‌های اپتیکی، شرکت‌های فناوری و دانشگاه‌ها کار می‌کنند. عده‌ای هم به مقطع بالاتر می‌روند. آینده‌ی شغلی به مهارت‌ها و شرایط بازار بستگی دارد و ما وعده‌ی دقیقی نمی‌دهیم، اما این‌که نور در فناوری‌های آینده نقش دارد جای شک نیست.
برای پژوهشگرها کتاب‌های تخصصی‌تر لازم می‌شود و معمولا از مقاله‌ها و منبع‌های به‌روزتر هم استفاده می‌کنند. اما هیچ‌کس از پایه‌ی محکم بی‌نیاز نیست. همین کتاب‌های اولیه‌ی اپتیک و لیزر پایه‌ی همه‌ی مقاله‌ها هستند.
اگر می‌خواهید ببینید همین دانش چطور با شیمی و مواد ارتباط پیدا می‌کند، دسته‌ی مهندسی شیمی هم می‌تواند مفید باشد؛ خیلی از روش‌های سنجش در شیمی به نور و طیف‌سنجی وابسته است. همچنین سری به دسته‌ی فنی و مهندسی بزنید تا کتاب‌های بیشتری ببینید.
فوتونیک شاخه‌ای است که به جای الکترون، با فوتون یعنی ذره‌ی نور کار می‌کند. فیبر نوری یکی از موفق‌ترین کاربردهای آن است: رشته‌ی شیشه‌ای بسیار نازکی که نور را با بازتاب کامل داخلی در خود نگه می‌دارد و از فاصله‌های دور عبور می‌دهد. اینترنت پرسرعت امروز بخش بزرگی از حجم داده‌اش را از همین راه منتقل می‌کند.
دانشجوی مهندسی اپتیک و لیزر معمولا در دوره‌ی کارشناسی با مفهوم فیبر نوری آشنا می‌شود و در مقاطع بالاتر وارد جزئیات می‌شود: انواع فیبر، تضعیف سیگنال، پراکندگی و تقویت‌کننده‌های نوری. این مباحث با مهندسی مخابرات هم مرز دارند و اگر علاقه‌مند آن سمت هستید، دسته‌ی مهندسی برق کتاب‌های مکمل دارد.
فوتونیک فقط ارتباطات نیست. حسگرهای نوری، تصویربرداری، انرژی خورشیدی و حتی محاسبه‌ی نوری همه از همین خانواده‌اند. کسی که پایه‌ی اپتیک و لیزر را خوب بداند، می‌تواند بعدا به هرکدام از این شاخه‌ها وارد شود.
یکی از قدرت‌های اپتیک این است که می‌تواند فاصله‌ها و تغییرها را در حد کسری از طول موج نور اندازه بگیرد. تداخل‌سنج‌ها، مانند ابزاری که در آزمایش‌های کلاسیک فیزیک استفاده می‌شود، نور را به دو مسیر تقسیم می‌کنند و دوباره ترکیب می‌کنند. اگر طول یک مسیر حتی کمی عوض شود، الگوی تداخل جابه‌جا می‌شود. با شمردن این جابه‌جایی می‌توان طول‌ها را بسیار دقیق اندازه گرفت.
قطبش نور هم موضوع جالبی است. نور موج عرضی است و راستای نوسانش می‌تواند مشخص باشد. عینک‌های آفتابی قطبیده، نمایشگرها و بعضی روش‌های سنجش از قطبش استفاده می‌کنند. در آزمایشگاه اپتیک معمولا با تیغه‌های قطبنده و کندکننده کار می‌کنید و یاد می‌گیرید نور را در راستای دلخواه بچرخانید.
این آزمایش‌ها به دانشجو نشان می‌دهد اپتیک فقط کتاب نیست. هر جابه‌جایی کوچک، هر پرتو کج، نتیجه را عوض می‌کند و این حساسیت همان چیزی است که این رشته را هم دشوار و هم دلنشین می‌کند.
برای این‌که حس آزمایشگاه اپتیک و لیزر را بگیرید، یک آزمایش ساده را مرحله‌به‌مرحله تصور کنید: پراش نور لیزر از یک شکاف باریک.
چنین چرخه‌ای در هر دستورکار آزمایشگاهی، از جمله دستورکارهای سطح پیشرفته، پیدا می‌شود. آزمایش‌های پیشرفته‌تر پیچیده‌ترند، اما منطقشان همین است: نظریه، چیدمان، مشاهده، تحلیل و گزارش.
اگر بخواهید از روز اول کتابخانه‌ی کوچکی برای رشته‌تان بچینید، پیشنهاد ما این ترکیب است. البته لازم نیست همه‌ی این‌ها را یک‌جا بخرید.
ترکیب کتاب‌ها را با پیشرفتتان عوض کنید. در سال اول احتمالا اپتیک و ریاضی را بیشتر می‌خوانید، در سال‌های بعد لیزر و آزمایشگاه. کتاب‌های قدیمی را هم دور نریزید، چون پایه‌ی مباحث ثابت است و بازگشت به آن‌ها همیشه مفید است.
اگر دانش‌آموز یا داوطلب دوره‌ی بالاتری هستید و می‌خواهید بدانید آیا مهندسی اپتیک و لیزر به درد شما می‌خورد، چند نکته را در نظر بگیرید. این رشته فیزیک و ریاضی زیاد دارد. اگر از حل مسئله لذت می‌برید و صبر لازم برای کار آزمایشگاهی دارید، مناسب است. اگر بیشتر به کار عملی و ساختن علاقه دارید، بخش آزمایشگاهی آن هم برایتان جذاب خواهد بود.
یک راه برای امتحان کردن این است که یک کتاب مقدماتی اپتیک بخوانید و ببینید بحث‌هایش برایتان جذاب است یا نه. اگر خواندن درباره‌ی تداخل، پراش و لیزر کنجکاوتان کرد، احتمالا در مسیر درستید. اگر کاملا خسته‌کننده بود، شاید بهتر باشد شاخه‌های دیگر مهندسی را هم بررسی کنید.
در نهایت، انتخاب رشته را فقط با یک مقاله یا یک کتاب نکنید. با دانشجوها و استادهای این رشته حرف بزنید و از نزدیک آزمایشگاه را ببینید. کتاب‌ها کمک می‌کنند ولی جای تجربه‌ی مستقیم را نمی‌گیرند.
خیلی از دانشجوها با اصطلاح‌ها می‌لغزند. این چند واژه را از اول بشناسید تا خواندن کتاب‌ها روان‌تر شود.
هر کتاب ممکن است تعریف‌ها را کمی متفاوت بیان کند، ولی معنای کلی همین است. اگر جایی گیر کردید، به تعریف‌ها برگردید و دوباره بخوانید.
یک کتاب اپتیک مقدماتی که اپتیک هندسی و موجی را با هم بگوید. بعد سراغ لیزر بروید. اگر درس دانشگاهی دارید، کتاب معرفی‌شده‌ی استاد را در اولویت قرار دهید.
اگر ریاضیات دانشگاهی و ایده‌ی تبدیل فوریه را می‌شناسید، بله. اگر نه، اول آن‌ها را مرور کنید. کتابی مثل «آشنایی با اپتیک فوریه» از عنوانش برمی‌آید که مقدمه‌ای برای این موضوع است.
پیش از هر جلسه‌ی آزمایشگاه. اگر آماده بروید، وقت آزمایشگاه صرف فهمیدن می‌شود و نه فقط دنبال کردن مراحل.
برای مطالعه‌ی نظری بله. ولی انجام واقعی آزمایش‌های لیزر بدون تجهیزات و مسئول ایمنی مناسب نیست. هیچ‌وقت لیزر قدرتمند را بدون آموزش و نظارت به کار نبرید.
ریاضیات عمومی، فیزیک پایه، معادله‌های دیفرانسیل و مقداری آشنایی با موج و الکترومغناطیس. برای لیزر، فیزیک مدرن هم مفید است.
عنوان و فهرست مطالب را با سرفصل درس مقایسه کنید. از استاد بپرسید کدام فصل‌ها لازم است. مشخصات هر کتاب در صفحه‌ی خودش است.
بله، نسخه‌ی چاپی را می‌توانید آنلاین سفارش بدهید. قیمت و موجودی هر کتاب هر روز به‌روز می‌شود.
مهندسی اپتیک و لیزر رشته‌ای است که نظریه‌ی زیبا و کاربرد فراوان را کنار هم دارد. از اپتیک هندسی و موجی تا لیزر و اپتیک فوریه، هر مرحله چیزی به دانش شما اضافه می‌کند. کتاب‌های این دسته، از جمله دستورکار آزمایشگاه پیشرفته و کتاب مقدمه‌ی اپتیک فوریه، نقطه‌ی شروعی برای همین مسیرند.
پایه را محکم کنید، در آزمایشگاه با احتیاط کار کنید و از مشاهده‌ی پدیده‌ها لذت ببرید. کتاب‌های این دسته را ببینید و نسخه‌ی چاپی مورد نیازتان را آنلاین سفارش بدهید.
