close
تبلیغات در اینترنت
خرید دامنه
فيبرهاي نوري
loading...

مهندسی برق

فیبرهای نوری از چه چیزی ساخته شده‌اند؟ 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.…

فيبرهاي نوري

کورانی بازدید : 250 دوشنبه 7 فروردين 1391 نظرات ()

فیبرهای نوری از چه چیزی ساخته شده‌اند؟

 

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:

 



براي مطالعه بيشتر،به ادامه مطلب مراجعه كنيد


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.



فيبرهاي نوري در بازار

انواع مختلفي از فيبرها بر اساس حالت‌هاي عبور نور و چگونگي توزيع ضريب شکست وجود دارند. ما قصد نداريم درباره‌ي جزئيات اين مسئله بحث کنيم، اما مهم است که بدانيد طراحي يک فيبر نوري وابسته به خواصي است که ما از آن انتظار داريم. پارامترهاي کليدي مانند ميرايي، پهناي باند، پخش نور و مقاومت کششي بيشتر مورد توجه قرار مي‌گيرند.

هم چنين محافظت از فيبرها در برابر عوامل خارجي مانند رطوبت، گرما، سرما و آب، مي‌بايست در نظر گرفته شود. به همين دليل الياف با غلافي از جنس پلاستيک استفاده مي‌شوند. کل مواد سازنده‌ي يک تک فيبر يا دسته فيبرها، پوشش‌ها و ژاکت‌ها را با نام کابل فيبري مي‌خوانند.

واضح است که اين کابل‌ها بايد از انعطاف پذيري بالا، مقاومت بالا در برابر تاب برداشتن و شکستن و وزن پايين برخوردار باشند.

اگر علاقه داريد بدانيد که چه نوع پليمرهايي و به چه ميزان در توليد کابل‌هاي ليفي کاربر دارند، مثال‌هاي زير را نگاه کنيد:

 

مثال اول

در مثال اول، ما يک سيستم چند لايه را داريم که فيبر در مرحله اول با يک لوله ضربه گير پوشيده شده است. اين لوله‌ي ضربه گير، معمولاً از جنس سيليکون يا رزين اپوکسي است و از لايه‌ي خارجي، نرم‌تر است و هيچ عامل فعال نوري ندارد. اين لوله، فيبر را از خم شدن‌هاي در مقياس ميکرو که ناشي از تماس فيزيکي با ساير اجزاء کابل است محافظت مي‌کند. مانند مواد نسبتاً شکننده، الياف نيز به تقويت کردن مکانيکي نياز دارند. بسياري از مواد به شکل رشته يا فيلامنت، مي‌توانند اين نقش را بازي کنند. يکي از اين مواد فايبرگلاس است. در اين مثال ما دسته‌اي از رشته‌هاي فايبرگلاس را مي‌بينيم که لوله‌ي ضربه گير را دور تا دور در بر گرفته‌اند. البته از آن جايي که فايبرگلاس ماده‌اي نسبتاً سخت است، يک لايه‌ي ديگر از پلي يورتان به آن اضافه مي‌شود تا باعث نرم شدن آن شود. اگر کابل ليفي علاوه بر عايق الکتريکي بودن به مقاومت کششي بالا نيز نياز دارد، مي‌توان يک لايه از الياف کولار روي آن قرار داد. تا به حال چيزي درباره‌ي کولار و خواص شگفت انگيز آن شنيده‌ايد؟ اگر نه اينجا کليک کنيد تا چيزهايي در اين مورد ياد بگيريد. معمولاً کولار به شکل فيلامنت در اين نوع کابل‌ها آرايش مي‌يابد. نهايتاً شما بايد فکر کنيد که کابلتان ممکن است در محيط‌هاي مختلفي به کار رود: در هوا، در آب يا زيرزمين. بنابراين يک لايه خارجي محافظ نيز الزامي است. پي‌وي‌سي و پلي يورتان پر کاربردترين مواد براي اين منظور هستند.

 

اما در انتخاب دقت کنيد: PVC با در نظر گرفتن مقاومت آن در برابر آب، آتش، اسيدها، قلياها، هيدروکربن و الکل نسبت به پلي يورتان ماده بهتري است. به عکس، پلي يورتان در زمينه هايي مانند مقاومت سايشي، مقاومت در برابر تابش هسته اي و مقاومت در دماهاي پايين به پي وي سي برتري دارد.

مثال دوم

در مثال دوم (اين مثال از کتاب "فيبرهاي نوري" نوشته‌ي اس. آنگار انتشارات جان وايلي و پسران،1990، گرفته شده است.)، ما يک کابل فيبري خارجي با ژاکت ضربه گير داريم که از دو پوشش ساخته شده است: يکي از جنس سيليکون و ديگري از هايترل که روي سيليکون اکسترود شده است. هايترل يک کوپليمر قطعه‌اي از جنس پلي اتر – استر (يک الاستومر گرمانرم) است که در برابر آب مقاومت بهينه‌اي دارد و توسط شرکت دوپونت به فروش مي‌رسد. بين دو لايه از الياف کولار، يک ماده مقاوم در برابر رطوبت قرار داده مي‌شود. اين ماده‌ي مانع رطوبت مي‌تواند از پلاستيک (اغلب پلي اتيلن)، فلز (به ويژه آلومينيوم) يا از هر دو ساخته شود. در نهايت، يک پوشش PVC، مفيد بودن اين کابل را در هواي آزاد تضمين مي کند.

مثال سوم

مثال سوم (اين مثال از کتاب "فيبرهاي نوري" نوشته‌ي اس. آنگار انتشارات جان وايلي و پسران،1990، گرفته شده است.)، همان مثال دوم است با کمي اصلاحات. فقط در اين جا، کابلي نشان داده مي‌شود که در زير زمين مي‌خواهيم از آن استفاده کنيم. از آن جايي که اين کابل به محافظت قوي‌تر در برابر رطوبت نياز دارد، دو غلاف، بين لايه‌هاي کولار قرار داده شده اند: يک لايه مقاوم در برابر رطوبت و ديگري يک پوشش فلزي.

 

اين آخرين نکته هم کم اهميت‌تر از بقيه نيست: چرا فيبرهاي نوري اين قدر مفيد هستند؟

فايبر اپتيک (FO) يک علم است که توسط آن انرژي الکتريکي به نور(يا انرژي نوري) تبديل مي‌شود؛ اين نور از طريق فيبرهاي نوري به جاهاي ديگر منتقل مي‌شود و در آخر دوباره به انرژي الکتريکي تبديل مي‌شود.

 

جالب به نظر مي‌رسد که امواج از طريق خطوط تلفن يا کابل تلويزيون به شکل نوري منتقل مي‌شوند که بسياري از اوقات در محدوده‌ي طيف فرکانس نور مرئي قرار مي‌گيرد. مزاياي قابل توجه ارتباط از راه دور به وسيله‌ي فيبرهاي نوري در مقايسه با سيم‌هاي فلزي يا انتقال هم محور مي‌تواند به شرح زير خلاصه شود:

پهناي باند بزرگ، کاملاً مستقل از اندازه‌ي کابل.

ميرايي کم، يعني اتلاف نوري به حداقل مي‌رسد.

کاهش القاء الکترومغناطيسي،  صداي القا شده، و مکالمه‌ي متقابل تا حد زياد.

امکان داشتن کابل‌هاي طولاني با وزن کم.

هزينه‌ي پايين نصب و نگهداري.

خب... پس با داشتن اين ويژگي ها، مي‌توانيد فکر کنيد که فيبرهاي نوري واقعاً عالي هستند. هدايت نور، يکي از موفق‌ترين کشف‌هاي بشر بوده است. اما... آيا تا به حال تصور کرده‌ايد که بدون پليمرها چه اتفاقي براي علم فايبر اپتيک مي‌افتاد؟

 

 


منبع:سايت تبيان

برچسب ها فيبرهاي نوري ,
ارسال نظر برای این مطلب

نام
ایمیل (منتشر نمی‌شود) (لازم)
وبسایت
:) :( ;) :D ;)) :X :? :P :* =(( :O @};- :B /:) :S
نظر خصوصی
مشخصات شما ذخیره شود ؟ [حذف مشخصات] [شکلک ها]
کد امنیتیرفرش کد امنیتی
تبلیغات
Rozblog.com رز بلاگ - متفاوت ترين سرويس سایت ساز
درباره ما
Profile Pic
سلام؛ هدف از ایجاد این وبلاگ ارائه مطالب علمی و آموزشی در زمینه مهندسی برق و بویژه گرایش قدرت است. (با نظرات خودتون به بهتر شدن وبلاگ کمک کنید)
اطلاعات کاربری
نام کاربری :
رمز عبور :
  • فراموشی رمز عبور؟
  • نظرسنجی
    آیا از محتویات وبلاگ رضایت دارید؟


    آمار سایت
  • کل مطالب : 72
  • کل نظرات : 6
  • افراد آنلاین : 1
  • تعداد اعضا : 8
  • آی پی امروز : 8
  • آی پی دیروز : 6
  • بازدید امروز : 20
  • باردید دیروز : 10
  • گوگل امروز : 0
  • گوگل دیروز : 3
  • بازدید هفته : 30
  • بازدید ماه : 175
  • بازدید سال : 1,482
  • بازدید کلی : 24,616
  • کدهای اختصاصی
    دریافت کد فال حافظ
    فیزیک