بحث شامل عن الألياف الضوئية

الضوء

يعرّف الضوء بأنّه الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمكن أنّ تكتشفه العين البشرية، حيث يحدث الإشعاع الكهرومغناطيسي على مدى واسع للغاية من الأطوال الموجية من أشعة جاما بأطوال موجية أقل من 1x10^-11 متر إلى موجات الراديو المقاسة بالأمتار، وضمن هذا الطيف الواسع تحتل الأطوال الموجية المرئية للإنسان نطاقًا ضيقًا للغاية من 700 نانومتر للضوء الأحمر إلى 400 نانومتر للضوء البنفسجي، وغالبًا ما يشار إلى المناطق الطيفية المجاورة للنطاق المرئي بالضوء أيضًا؛ إذ تكون الأشعة تحت الحمراء في أحد الأطراف والأشعة فوق البنفسجية في الطرف الأخر، وتعد سرعة الضوء في الفراغ ثابتًا فيزيائيًا وتبلغ قيمته 299،792،458 مترًا في الثانية أو حوالي 186،282 ميلًا في الثانية، وفي هذا المقال بحث شامل عن الألياف الضوئية.^[١]

بحث شامل عن الألياف الضوئية

في بداية هذا البحث والذيهو بحث شامل عن الألياف الضوئية لا بُدّ من التطرق إلى تعريف الألياف الضوئية؛إذ بأنّها ألياف مرنة وشفافة مصنوعة من الزجاج مثل السيليكا أو مصنوعة من البلاستيك، وتُستخدم في أغلب الأحيان كوسيلة لنقل الضوء بين طرفي الألياف، كما يمكن استخدام الألياف بشكل واسع في الاتصالات مثل الألياف الضوئية للاتصالات والتي تسمح بالانتقال عبر مسافات أطول وبعرض نطاق ترددي أعلى من الكابلات الكهربائية، ويتم استخدام الألياف بدلًا من الأسلاك المعدنية لأن الإشارات تنتقل عبرها بأقل الخسائر، وبالإضافة إلى ذلك تمتلك الألياف مناعة ضد التداخل الكهرومغناطيسي وهي مشكلة تواجه الأسلاك المعدنية بشكل كبير جدًا.^[٢]

وتحتوي كابلات الألياف البصرية على خيوط رقيقة من الزجاج أو البلاستيك، إذ يحتوي الكابل الواحد على أقل من خيطين أو عدة مئات من الخيوط، وكل خيط يكون أقل من عُشر سُمك شعرة الإنسان كما أنّها تكون قادرة على حمل 25000 مكالمة هاتفية، لذلك يمكن لكابل الألياف الضوئية بأكمله إجراء عدة ملايين من المكالمات بسهولة، كما تنقل كابلات الألياف الضوئية المعلومات بين مكانين باستخدام تقنية ضوئية بالكامل تعتمد على الضوء^[٣]، وتتكوّن الألياف الضوئية من ثلاثة عناصر مُتحدة المركز وهي: القلب، الكسوة والغلاف الخارجي الذي يسمى Buffer^[٤].

يُصنع القلب عادة من الزجاج أو البلاستيك كما أنّه الجزء الداخلي المسؤول عن نقل الضوء وله مؤشر انعكاس عالٍ، أمّا الكسوة فهي الطبقة الوسطى التي تعمل على حصر الضوء داخل القلب وهي تحيط بالقلب وتُصنع من مادة ذات مؤشر انعكاس منخفض بالمقارنة مع القلب، ويؤدي هذا الاختلاف في المؤشرات إلى حدوث انعكاس داخلي كلي عند حدود الكسوة والقلب على طول الألياف، وينتقل الضوء إلى أسفل الألياف ولا يفلت من جوانبها، أمّا الغلاف الخارجي فهو الطبقة الخارجية والتي تُعتبر مُضادًا للصدمات فتقوم بحماية القلب والكسوة من أيّ مؤثرات خارجية، كما يتكوّن الغلاف الخارجي عادةً من طبقة أو أكثر من مادة بلاستيكية وفي بعض الأحيان يتم إضافة أغلفة معدنية إلى هذا الغلاف لتعزيز الحماية.^[٤]

أمّا عن طريقة عمل الألياف الضوئية فهي طريقة بسيطة؛ ففي البداية وعندما ينتقل الضوء أسفل كابل الألياف الضوئية أو عند انتقال كل فوتون صغير إلى أسفل الأنبوب، فإنّ ذلك يجعل أيّ شخص يعتقد بأنّ شعاع الضوء يتسرب من خلال الحواف، ولكن على العكس تمامًا ما يحدث؛ فعندما يصيب الضوء الزجاج في زاوية ضحلة أيّ أقل من 42 درجة فإنّه يعكس الضوء مرة أخرى، فيعمل الزجاج تمامًا كالمرآة، وتسمى هذه الظاهرة بالانعكاس الداخلي الكلي، فهي أحدى أهم الطرق التي تُبقي الضوء داخل الأنبوب.^[٣]

وعند كتابة بحث شامل عن الألياف الضوئية لا بدّ من الحديث عن أنواع كابلات الألياف الضوئية؛ حيث تحمل الألياف الضوئية إشارات الضوء إلى أسفلها بشكل يسمى الأنماط، والنمط هو أبسط مسار يمكن أنّ يتبعه شعاع الضوء إلى أسفل الألياف؛ فالنمط الأول هو انتقال الإشارات مباشرة إلى أسفل منتصف الألياف، والنمط الأخر هو أنّ ترتد الإشارات إلى أسفل الألياف بزاوية ضحلة، والأنماط الأخرى تضمن الارتداد إلى أسفل الألياف عند زوايا أخرى تكون أكثر أو أقل حِدّة، إذ يوجد نوعان من كابلات الألياف الضوئية وهما: كابلات ألياف ضوئية أحادية النمط وكابلات ألياف ضوئية متعددة الأنماط.^[٣]

وتُستخدم الألياف بشكل عام للإضاءة والتصوير، فغالبًا ما يتم لفها في حُزم بحيث يمكن استخدامها لنقل الضوء والصور أيضًا، كما يتم استخدام أنواع مخصصة من الألياف في العديد من التطبيقات منها: أجهزة استشعار الألياف البصرية وألياف الليزر^[٢]، ومثلما يمكن للكهرباء تشغيل أنواع كثيرة من الآلات فيمكن أنّ تحمل حزم الضوء أنواعًا عديدة من المعلومات، وتستخدم في شبكات الكمبيوتر، البث، محطات الإذاعة، المسح الطبي والمعدات العسكرية، ومن المعروف أنّ كابلات الألياف الضوئية الآن هي الطريقة الرئيسية لنقل المعلومات عبر المسافات الطويلة نظرًا لأن لديها مزايا كبيرة جدًا تتفوّق بها على الكابلات النحاسية القديمة والتي تم ذكرها سابقًا.^[٣]

كما تُعتبر الألياف الضوئية بشكل عام أساس منظار الألياف الذي يستخدم في فحص الأجزاء الداخلية من الجسم؛ أيّ التنظير الداخلي أو فحص المنتجات الهيكلية المُصنّعة، وعندما تم إدخال الألياف الزجاجية ذات القلب والكسوة في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي حُصر استخدامها فقط في الأطوال القصيرة التي تكفي للتنظير.^[٥].

أمّا عن إختراع الألياف الضوئية فلقد مرّ بعدّة مراحل ابتداءً من عام 1840؛ حيث اكتشف الفيزيائي السويسري دانييل كولادون أنّه يمكن أن يضيء الضوء على طول أنبوب المياه، إذ يحمل الماء الضوء عن طريق الإنعكاس الداخلي، أمّا في عام 1870 أظهر فيزيائي إيرلندي يدعى جون تيندال الإنعكاس الداخلي في الجمعية الملكية في لندن؛ إذ أشرق الضوء في إبريق ماء عندما سكب بعض الماء من الإبريق، فانحنى واتبّع مسار الماء، وفكرة انحناء الضوء هي بالضبط مايحدث في الألياف الضوئية، وفي عام 1930 قام الطالبان الألمانيان هاينريش لام ووالتر جيرلاخ بمحاولة استخدام أنابيب الضوء في صُنع منظار المعدة وهو أداة للنظر داخل معدة شخص ما.^[٣]

وفي عام 1950 في لندن، إنجلترا تمكّن الفيزيائي الهندي ناريندر كاباني والفيزيائي البريطاني هارولد هوبكنز من إرسال صورة بسيطة أسفل أنبوب الضوء المصنوع من الآلاف من الألياف الزجاجية، وبعد نشر العديد من الأوراق العلمية اكتسب كاباني شهرة ولقّب بوالد الألياف البصرية، وفي عام 1957 نجح ثلاثة علماء أمريكيين في جامعة ميشيغان لورانس كورتيس، باسيل هيرشوفيتز وويلبر بيترز في استخدام تقنية الألياف الضوئية لصنع أول منظار في العالم، وفي عام 1960 أدرك الفيزيائي الأمريكي المولود في الصين تشارلز كاو وزميله جورج هوكهام أن الزجاج غير النقي لا يستخدم بالألياف الضوئية طويلة المدى، إذ اقترح كاو أن يكون كابل الألياف الضوئية مصنوع من زجاج نقي للغاية ليكون قادرًا على حمل إشارات الهاتف عبر مسافات أطول بكثير ومُنِحَ جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2009 بسبب هذا الاكتشاف الرائد.^[٣]

المراجع

1. ↑ "light", www.britannica.com, Retrieved 24-07-2019. Edited.
2. ^ ^{أ ب} "Optical fiber ", www.wikiwand.com, Retrieved 25-07-2019. Edited.
3. ^ ^{أ ب ت ث ج ح} "Fiber optics", www.explainthatstuff.com, Retrieved 27-07-2019. Edited.
4. ^ ^{أ ب} "Optical Fibers", labman.phys.utk.edu, Retrieved 26-07-2019. Edited.
5. ↑ "Fiber optics", www.britannica.com, Retrieved 26-07-2019. Edited.