فیبر نوری چگونه کار می کند؟

Fiber optic work principle

فیبر نوری چگونه کار می کند؟

اگر مقاله “فیبر نوری چیست؟” را خوانده باشید، دیدیم که فیبر نوری از دو بخش اصلی به نام هسته و غلاف تشکیل شده است که ضریب شکست هسته اندکی بیشتر از ضریب شکست غلاف است و بارها شنیده ایم که نور با بازتاب های متوالی درون هسته منتشر می شود. برای اینکه بفهمیم فیبر نوری چگونه کار می کند، بیایید دو سناریو برای انتشار نور در فیبر نوری در نظر بگیریم:

سناریوی اول:

بیابید فرض کنیم دیواره داخلی هسته با یک لایه بازتاب کننده عالی مثل طلا پوشانده شده است و نور با برخورد به این دیواره می تواند بازتاب کند و دوباره به درون هسته برگردد. اما آیا واقعا این بازتاب ها شبیه انعکاس نور از آینه هستند؟ برای پاسخ به این سوال باید حساب کنیم که اگر دیواره داخلی هسته با عنصری مانند طلا که بازتاب کننده خیلی خوبی هست پوشش داده شود، چه میزان اتلاف در نور خروجی از فیبر نوری در یک مسافت معین ایجاد خواهد شد.

طلا در طول موج ۸۰۰ نانومتر ۹۵ درصد نور را بازتاب می کند. حال برای سادگی محاسبات فرض کنید قطر هسته یک میلیمتر است و نور در هر سانتیمتر یک بازتاب درون هسته انجام میدهد. با این حساب نور پس از مسافت یک متر، ۱۰۰ بار بازتاب می یابد و این بازتاب ها موجب ۲۲ دسی بل تضعیف در نور می شوند. (بعدا در مقاله تضعیف در فیبر نوری، در مورد دسی بل و پدیده تضعیف به طور مفصل با شما صحبت خواهیم کرد). واضح است که در مسافت های طولانی، دیواره های هسته باید بسیار بازتابی تر از طلا باشد تا اتلاف کمی داشته باشیم.

در صورت استفاده از پوشش های دی الکتریک چندگانه به جای طلا در دیواره هسته، بازتاب هایی به بزرگی ۹۹ درصد خواهیم داشت، اما اگر پوششی با بهره ۹۹. ۹۹ درصد نیز داشته باشیم تلفات هنوز به اندازه ۰.۰۴۳ دسی بل در متر یا ۴۳ دسی بل در کیلومتر خواهد بود (با فرض ۱۰۰ بازتاب در هر متر). بنابراین این سناریو جواب نمی دهد و باید به دنبال راه حل دیگری برای هدایت نور درون هسته باشیم.

سناریوی دوم: 

این بار مثل قبل، نور را با بازتاب های متوالی درون هسته برمی گردانیم اما نه با بازتاب آینه ای، بلکه با استفاده از پدیده ای فیزیکی به نام بازتاب کلی داخلی.

پدیده بازتاب کلی داخلی پدیده ای است که می تواند بازتاب با بهره ۱۰۰ درصد بوجود آورد. تفاوت بازتاب ۱۰۰% و ۹۹.۹۹% شاید مهم به نظر نرسد، اما هنگامی که در صدها هزار بازتاب ضرب می شود، این تفاوت بهبود خیلی موثری در تلفات کل خواهد داشت.

در فیزیک اول دبیرستان خوانده ایم که وقتی نور از محیطی با ضریب شکست بیشتر به محیطی با ضریب شکست کمتر می رود، سه حالت پیش می آید:


۱. اگر نور با زاویه ای کمتر از زاویه حد به مرز دو محیط بتابد دچار شکست میشود. تصویر بالا سمت چپ
۲. اگر نور دقیقا با زاویه حد به مرز دو محیط بتابد، نه به محیط دوم وارد می شود و نه به محیط اول برمیگردد، بلکه در مرز دو محیط منتشر خواهد شد. تصویر بالا وسط
۳. اما اگر زاویه انتشار نور بیشتر از زاویه بحرانی باشد، تمام نور به محیط اول برمیگردد. تصویر بالا راست
زاویه بحرانی به میزان ضریب شکست محیط اول و دوم وابسته است.

به همین دلیل است که فیبر نوری دو قسمت هسته و غلاف دارد و ضریب شکست هسته بیشتر از غلاف است تا نور وقتی از هسته به غلاف می رسد، دچار بازتاب کلی داخلی شود و دوباره به سمت هسته برگردد. ضریب شکست هسته را با اضافه کردن اندکی ژرمانیوم به شیشه، تغییر میدهند تا بالاتر از ضریب شکست غلاف شود.

Total reflection

حالا خودتان می توانید فیبر نوری بسازید!
همانند شکل، یک بطری آب را سوراخ کنید و آن را در ارتفاعی قرار دهید تا آب خروجی از آن به داخل یک تشت بریزد. حالا می توانید از پشت بطری یک لیزر پوینتر بتابانید.

 

شاهد خواهید بود که نور از داخل مسیر آب بدون بیرون زدن از آن منتشر و به سمت تشت هدایت می شود. چرا؟ چون ضریب شکست آب از هوا بیشتر است و بازتابش کلی داخلی داریم . البته زاویه تابش نور درون آب مهم است.

نور به شرطی دچار بازتاب کلی داخلی می شود که با زاویه درستی وارد فیبر نوری شود. برای هر فیبری مفهومی به نام مخروط پذیرش وجود دارد که اگر هر پرتویی داخل آن قرار گیرد حتما داخل هسته منتشر خواهد شد. در مورد مخروط پذیرش و دهانه عددی فیبر در مقالات بعدی با شما صحبت خواهیم کرد.

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *