فيبرهای نوری از چه چيزی ساخته شده‌اند؟
فیبرهای نوری از چه چیزی ساخته شده‌اند؟
پیش از هر چیز توصیه می‌کنیم که اگر نمی دانید که الیاف به چه موادی اطلاق می‌شود، به صفحه‌ی خوبی که درباره‌ی الیاف وجود دارد مراجعه کنید.
اکثر پلیمرها قادر به تشکیل الیاف منظم هستند، با این شرط که نیروهای بین مولکولی‌ای بین زنجیرها برقرار باشند که بتوانند زنجیرها را متصل به یکدیگر و در حالت بلور مانند نگه دارند. به همین علت، الیاف پلیمری موادی مستحکم با مقاومت کششی عالی هستند و از این رو در صنایع نساجی کاربرد فراوان دارند.
اما آیا فیبرهای نوری با این الیافی که ما در حال بحث درباره‌شان هستیم ارتباطی دارند؟ پاسخ این است: هم بله و هم نه. در واقع، فیبرهای نوری در ترکیب خود دارای پلیمر هستند. با این وجود کلمه‌ی فیبر نوری هیچ اطلاعاتی در مورد پلیمر به ما نمی دهد، بلکه می‌گوید این فیبرها شامل دو لوله یا استوانه شفاف و دی‌الکتریک هستند که یکی از این استوانه‌ها دیگری را احاطه می‌کند، به این شکل:
عجیب به نظر می‌رسد؟ اگر این را هم اضافه کنیم که این الیاف، هدایت کننده نور هستند و می‌توانند برای هدایت انرژی الکترومغناطیسی در طول موج‌های نور مرئی استفاده شوند، چه؟! در این مورد، بهتر است برای درک بهتر، مروری بر دانش فیزیکیمان داشته باشیم.
گام‌های اولیه
در سال‌های 1870، یک دانشمند انگلیسی به نام جان تیندال نشان داد که با استفاده از جریان منحنی آب از یک مخزن نورانی می‌توان نور را هدایت کرد. بین سال‌های 1900 و 1930 آزمایشات زیادی به دنبال آزمایش تیندال انجام شدند. این نتیجه به دست آمد که میله‌های نازک شیشه‌ای خم شده، نه تنها نور را منتقل می‌کنند، بلکه با استفاده از یک دسته میله‌ی شیشه‌ای ( یا همان طور که بعدها نامیده شدند، فیبرهای نوری) تصویر کامل نیز می‌تواند منتقل شود.
در این یافته‌ها چه پدیده‌ای حاکم بود؟ تنها پدیده‌ی حاکم بر این ماجرا، بازتاب بود، بازتاب داخلی کلی، یعنی دیواره‌ی لیف نازک مانند آینه عمل می‌کرد و باعث جلو و عقب رفتن نور برخوردی در طول لیف می‌شد.
در زندگی روزمره، نمونه‌های بسیار زیادی از این بازتاب داخلی کلی نور را می‌بینید. مثلاً در روزهای آفتابی و گرم، می‌توان انعکاس نور را روی آسفالت جاده دید، انگار که سطح جاده آیینه شده است. خوب، این ناشی از خاصیتی است که باعث ایجاد انعکاس داخلی می‌شود: اگر نور با زاویه کمی به سطح برخورد کند، نمی تواند در سطح نفوذ کند و فقط بر می‌گردد. این انعکاس نور، که با قانون اِسنِل بیان می‌شود، به دلیل تفاوت ضریب شکست شیشه و هوا است، هوا ضریب شکست کمتری از شیشه دارد.
به هر حال تا سال 1950 فایده‌ی هدایت نوری کاملاً درک نشد، یعنی زمانی که دانشمندان به فکر استفاده از کاربردهای بالقوه‌ی این پدیده افتادند. آن دانشمندان آن قدر باهوش بودند که متوجه شدند محدوده‌ی این کاربردها بسیار گسترده است: از پزشکی، فراهم کردن امکان مشاهده‌ی قسمت‌های غیر قابل دسترسی از بدن انسان، تا شبکه‌های ارتباطی، به جای سیم‌های فلزی.
اما در ابتدای کار، مشکلاتی وجود داشت، مثلاً اینکه نور نمی توانست به فاصله‌های خیلی دور منتقل شود و تصاویر منتقل شده با این روش از کیفیت ضعیفی برخوردار بودند. این بدین دلیل بود که الیاف هیچ پوششی نداشتند تا اختلاف در ضریب شکست آن را افزایش دهد. به همین دلیل، مثلاً اگر این الیاف خیس می‌شدند، سطح مشترک شیشه و هوا ثابت باقی نمی ماند و چگونگی بازتاب نور در داخل، تغییر می‌کرد.
در اواسط دهه‌ی 50، آبراهام وَن هیل آلمانی، لایه‌ای از جنس شیشه طراحی کرد که اطراف لیف را می‌پوشاند و دارای ضریب شکست کمتری نسبت به شیشه‌ی داخلی بود. به این ترتیب، انعکاس کلی توسط آب، گردوغبار و سایر آلودگی‌ها تحت تأثیر قرار نمی گرفت. نهایتاً، یک لایه سومی هم اضافه شد تا لیف شیشه‌ای را در برابر صدمات احتمالی محافظت کند و کار با آن را آسان‌تر نماید. حدس بزنید که چه نوع موادی در ساخت این لایه‌ی سوم استفاده شدند؟
پس الیاف نوری از چه چیزی ساخته شده اند؟
معلوم می شود که این الیاف را تنها می توان از شیشه، شیشه همراه پلیمر یا فقط از پلیمر ( «فیبرهای نوری پلاستیکی» POF) ساخت.
ساده‌ترین الیاف نوری شامل قسمت‌های زیر هستند:
استوانه داخلی با ضریب شکست بالا به نام هسته.
استوانه میانی با ضریب شکست کمتر به نام روکش.
لایه‌ی خارجی و محافظ پلیمری (معمولاً از جنس پلی یورتان یا پی وی سی ) به نام ژاکت.
برای فیبرهای نوری شیشه ای، قطر هسته بین 100 تا 600 میکرون است. لایه میانی دارای ضخامت 125 تا 630 میکرون و ضخامت لایه ی محافظ خارجی بین 250 تا 1024 میکرون تغییر می کند. برای POF ها، تمامی قطرها بین محدوده 750 تا 2000 میکرون است. همان طور که دیده می شود یکی از تفاوت های اصلی در فیبرهای نوری شیشه ای و پلاستیکی، در قطر آنهاست. به همین علت کار کردن با POF ها آسان تر است.
مواد استفاده شده در الیاف تجاری فعلی (هسته و لایه ی میانی) شامل شیشه خالص (SiO2) ، پلاستیک یا ترکیب این دو است. میزان استفاده از هر کدام از این مواد بستگی به عواملی مانند کیفیت مطلوب محصول و ملاحظات اقتصادی دارد. فیبرهای نوری پلاستیکی (POF) نسبت به فیبرهای شیشه ای از این مزیت برخوردارند که از مواد ارزان تری ساخته می شوند و می توانند در ناحیه طیف مرئی کار کنند. با این حال، این الیاف اتلاف زیادی نشان می دهند و به همین دلیل تنها در مسافت های کوتاه می توان از آنها استفاده کرد. علی رغم این امر، POF ها در وسائل و تجهیزات صنعتی و دارویی کاربرد گسترده ای دارند و تحقیقاتی در زمینه جایگزینی سیم های مسی توسط POF برای انتقال داده ها در اتومبیل،در حال انجام است. اگر در هسته از شیشه سیلیکا استفاده کنید، این ماده باید بسیار خالص باشد تا بتواند نور را با کمترین اتلاف در طول هسته عبور دهد.
در این جا ممکن است 2 سؤال جالب بپرسید:
چگونه می‌توان شیشه بسیار خالص به دست آورد در حالی که اکثر شیشه‌ها از شن ساخته می‌شوند؟
چگونه می‌توانیم ضریب شکست هسته و لایه‌ی میانی را به نحوی تغییر دهیم تا بهترین عملکرد را بگیریم؟
برای سؤال اول، یک واکنش شیمیایی وجود دارد که می تواند به جای ذوب شن برای تولید شیشه استفاده شود. شما با SiCl4 و O2 گازی شروع می کنید و از حرارت یا کاتالیست برای انجام واکنش استفاده می نمایید:
SiCl4 + O2 ----------> SiO2 + 2 Cl2
برای پاسخ به سؤال دوم، می‌دانیم که ضریب شکست شیشه لایه داخلی (هسته) باید بالاتر از لایه میانی باشد. معمولاً با اضافه کردن یک ماده اضافی به موادی که داریم می‌توانیم باعث بهبود خواص آنها شویم.
در این مورد ما مقدار کمی ژرمانیوم (به صورت گاز تتراکلرید ژرمانیوم) به شیشه‌ی سیلیکای خالص اضافه می‌کنیم. ژرمانیوم با داشتن 18 الکترون بیشتر از سیلیکون به عنوان دوپه‌کننده عمل می‌کند. در نتیجه، ضریب شکست شیشه‌ی هسته افزایش می‌یابد، هر چند که میرایی فیبر تحت تأثیر قرار نمی گیرد. به همین ترتیب، می‌توانید با اضافه کردن مقدار کمی بور یا فلوئور ضریب شکست لایه میانی را کاهش داد. این دو عمل هر دو باعث افزایش اختلاف ضریب شکست می‌شود و این از ملزومات انتقال مناسب نور است.