اقرأ في هذا المقال
- ما هي الألياف الضوئية Optical Fiber؟
- ما هي الفتحة العددية للألياف الضوئية؟
- الفتحة العددية لتجربة الألياف الضوئية
- تطبيقات الفتحة العددية للألياف الضوئية
- نظرية الفتحة العددية للألياف الضوئية
يشتمل كابل الألياف الضوئية على ثلاث طبقات من اللب والكسوة والغطاء، كما يتم وضع طبقة أساسية من خلال كسوة، وكما يتم إنتاج طبقة الكسوة عادة بالبلاستيك أو السيليكا، وتُعد الوظيفة الرئيسية للنواة داخل الألياف الضوئية في إرسال إشارة ضوئية، بينما يوجه الكسوة الضوء في اللب، ونظراً لتوجيه الإشارة الضوئية عبر الألياف، يطلق عليها اسم الدليل الموجي البصري.
ما هي الألياف الضوئية Optical Fiber؟
الألياف الضوئية: هي عبارة عن ألياف بلاستيكية أو شفافة تُستخدم لنشر الضوء، ومبدأ العمل فيها هو الانعكاس الداخلي الكلي من جدران مختلفة تماماً، لذلك يمكن أن ينتقل الضوء لمسافات طويلة؛ لأنّ مرونة الألياف الضوئية كافية، لذلك يتم استخدام هذا في المجاهر ذات الحجم الصغير واتصالات البيانات وتصميم المناظير الدقيقة، وما إلى ذلك.
ما هي الفتحة العددية للألياف الضوئية؟
الفتحة العددية للألياف الضوئية: هو قياس قدرة الألياف الضوئية على جمع شعاع الضوء الموجود فيها والشكل المختصر لهذا هو “NA” الذي يوضح الكفاءة مع الضوء الذي يتم تجميعه داخل الألياف للتكاثر، كما أنّه عندما ينتشر الضوء من خلال الألياف الضوئية أثناء الانعكاس الداخلي الكلي، لذلك تحدث العديد من الانعكاسات الداخلية الكلية داخل الألياف للانتقال من طرف إلى آخر.
بمجرد إنتاج شعاع الضوء من مصدر الألياف الضوئية، يجب أن تكون الألياف الضوئية فعالة للغاية للحصول على أقصى قدر من الإشعاع المنبعث فيه، لذلك يمكن أن تكون كفاءة الضوء الذي يأتي من الألياف الضوئية هو الهدف الرئيسي بمجرد إرسال إشارة عبر الألياف الضوئية، كما أنّ الفتحة الرقمية متصلة بزاوية القبول؛ لأن زاوية القبول هي أقصى زاوية أثناء انتقال الضوء عبر الألياف، لذلك فإنّ زاوية التسليم للفتحة العددية ترتبط ببعضها البعض.
يتم تحديد الفتحة العددية للألياف الضوئية من خلال المقادير النسبية لمؤشرات الانكسار في اللب وفي الكسوة، حيث في حالة ألياف السيليكا لا يمكن أن يكون الفرق بين هذه المؤشرات كبيراً جداً، وإلّا فإنّ الضغوط الحرارية المتبقية في هذه المناطق ستكون كبيرة جداً بحيث تنكسر الألياف، كما من النادر العثور على ألياف السيليكا بفتحة عددية أكبر من “0.3”.
ومع ذلك في حالة ألياف البوليمر، يكون تراكم الإجهاد أقل حدة بسبب معامل يونج الصغير، وفي الواقع الألياف لا تنكسر، كما إنّه ببساطة ينتج تدريجياً إذا كانت السلالة كبيرة جداً، ومن ثم فمن الشائع العثور على هذه الألياف بفتحة عددية كبيرة تصل إلى “0.7” أو أكثر.
- “NA” هي اختصار لـ “Numerical Aperture”.
الفتحة العددية لتجربة الألياف الضوئية:
يظهر الرسم التخطيطي التالي لتجربة الألياف الضوئية، حيث يُشار إلى شعاع الضوء الذي ينتقل إلى الألياف الضوئية بـ “XA”، وهنا “ƞ1″ هو معامل الانكسار لللب و”ƞ2” هو الكسوة، كما توضح الصورة التالية أنّ شعاع الضوء يعتمد على الألياف الضوئية، حيث ينتقل شعاع الضوء من وسط أكثر كثافة إلى أكثر ندرة بزاوية “α” عبر محور الألياف، والزاوية “α” تسمى زاوية القبول في كابل الألياف البصرية.
ينتقل هذا الشعاع الساقط داخل كابل الألياف لينعكس تماماً من خلال واجهة الكسوة الأساسية، ومع ذلك يجب أن تكون زاوية السقوط أكبر عند مقارنتها بالزاوية الحرجة، وإلّا إذا كانت زاوية السقوط منخفضة مقارنة بالزاوية الحرجة، فإنّ الشعاع ينكسر بدلاً من انعكاسه، واستناداً إلى قانون سنيل سينتقل الشعاع المنكسر وزاوية السقوط في نفس الزاوية.
لذلك، من خلال استخدام هذا القانون على الوسط 1 أي الهواء والواجهة الأساسية، ستُعتير المعادلة كذلك:
Ƞ sin α = Ƞ1 sin θ
كما يمكن كتابة قيمة “θ” من الصورة أعلاه كما يلي:
Θ = π / 2- θc
أمّا عن طريق استبدال قيمة “θ” في المعادلة أعلاه:
Ƞ sin α = Ƞ1 sin (π / 2- θc)
Ƞ sin α = Ƞ1 * sin (π / 2) – sin (θc)
من حساب المثلثات، تكون قيمة
sin θ = cos θ
sin π / 2 = 1
Ƞ sin α = Ƞ1 cos (θc)
sin α = Ƞ1 / Ƞ cos (θc)
كما أنّ:
cos θc = √1 -sin 2θc
ومن خلال تطبيق قانون سنيل على واجهة الكسوة الأساسية، يمكن الحصول على:
Ƞ1 sin θc = 2 sin π / 2
Ƞ1 sin θc = Ƞ2
كما أنّ قيمة “sin π / 2” هي “1” وفقاً لقيم حساب المثلثات القياسية:
sin θc = Ƞ2 / Ƞ1
عوّض بقيمة “sin θc” في معادلة “cos θc”، وبعد ذلك:
cos θc = √1 – cos θc = √1 – (Ƞ2 / Ƞ1) ²
وبعد تعويض قيمة “cos θc” في معادلة “sin α”، تكون:
sin α = Ƞ1/ Ƞ √1- (Ƞ2/ Ƞ1) ²
sin α = √ ( Ƞ1²- Ƞ2²) / Ƞ
كما أنّ الوسيط 1 ليس غير هواء، لذا فإنّ معامل الانكسار “ƞ” سيكون 1، ولذلك بشكل خاص يمكن اعتماد أنّ:
sin α = √ ( Ƞ1²- Ƞ2² )
NA = √ (Ƞ1²- Ƞ2²)
تم إيجاد الفتحة العددية لصيغة الألياف الضوئية سابقاً، وهذه هي صيغة “NA”، حيث أنّ “ƞ1″ هو معامل الانكسار لوسط و”ƞ2” هو معامل الانكسار للكسوة، لذلك يمكن اعتبار أنّه بما أنّ الفتحة العددية تظهر قدرة الألياف على جمع الضوء، فإنّ قيمتها يجب أن تكون عالية، حيث كلما زادت قيمة “NA”، ستكون الألياف الضوئية أفضل.
ومع ذلك، لن تتحقق القيمة الأكبر لـ “NA” إلّا عندما يكون الفرق بين مؤشري الانكسار مرتفعاً، ولهذا إمّا أن تكون “ƞ1” مرتفعة أو “ƞ2” منخفضة، ولكن لا توجد مثل هذه المواد التي لها معامل انكسار أقل من “1”، لذلك هناك خيار قائم بأنّه إذا أزلنا الكسوة الموجودة فوق اللب، فيمكن تحقيق “NA” أكبر.
بينما بالنسبة لانتشار الإشارة الضوئية، لا يكون الدافع الوحيد هو الحصول على مدى قبول مرتفع، ولكن أيضًا لنشر الإشارة المقبولة بأقل قدر من التوهين، وذلك لأنّ الألياف الضوئية التي تتمتع بأعلى كفاءة في تجميع الضوء، ولكنّها لا تسمح بانتشار الضوء من خلالها بشكل صحيح، ليست ذات فائدة، وبالتالي يجب أخذ العديد من المعلمات في الاعتبار، لاختيار الألياف الضوئية المناسبة لانتشار الإشارة.
تطبيقات الفتحة العددية للألياف الضوئية:
- العدسات.
- عدسات المجهر.
- المواضيع الفوتوغرافية.
نظرية الفتحة العددية للألياف الضوئية:
في الألياف الضوئية، تكون الفتحة العددية (NA) للنظام الضوئي هي قيمة بلا مسافة يكسب مستوى الزوايا التي يستطيع النظام من خلاله أن يستلم أو يرسل منه الضوء ميزة، ومن خلال دمج مؤشر الانكسار في مصطلحه، فإنّ “NA” لها طبيعة أنّها ثابتة للحزمة، حيث تنتقل من مادة إلى أخرى بشرط عدم وجود قوة بصرية في الواجهة، كما يتنوع التعريف الدقيق للمصطلح اختلافاً قليلاً بين مجالات البصريات المختلفة.
تُستخدم الفتحة العددية بشكل شائع في الفحص المجهري “Microscopy” لإظهار مخروط القبول لهدف ما، ومن ثم قدرته على جمع الضوء ودقة الوضوح، وفي الألياف البصرية حيث يصف مخروط الضوء المقبول في الألياف أو يخرج منه.
