الالياف البصرية – مكوناتها – انواعها – تطبيقاتها

يمكن تعريف الليف البصري Fiber Optical التقليدي : بأنه ليف مصنوع من الزجاج على درجة عالية من النقاوة وما يعرف بــ الكوارتز المذاب  (ثنائي أوكسيد السيليكون( SiO₂  أو يكون مصنوعا من البوليمير ، يصل سمكه الى  حد أن يماثل سمك شعرة الانسان . والكيبل الضوئي Cable Optical  هو عبارة عن مجموعة من الالياف البصرية والمرتبة بشكل حزم .

- مكونات الليف البصري :

ويتكون الليف  البصري الواحد من ثلاث طبقات  :

الطبقة الاولى : وهي تسمى بالقلب  Core :وهي المنطقة الفعالة الرئيسية من أجزاء الليف وتكون مصنوعة من الزجاج ذو نقاوة عالية جدا  (الكوارتز الذائب أو ما يعرف بالسيليكا (SiO₂ وتتميز بان يكون بمعامل انكسارها n كبيركما انها تمثل المسار الذي ينتقل من خلاله الضوء) . معامل الانكسار‏لوسط ما هو نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعته في هذا الوسط. وهو معامل يبين مدى تاثر المادة بالامواج الكهرومغناطيسية)

الطبقة الثانية : الكسوة Cladding : وهو المنطقة الفعالة الثانوية من أجزاء الليف وتكون مصنوعة من الزجاج لكن بمعامل انكسار n  يختلف عن معامل انكسار الزجاج الذي يصنع منه القلب بحيث تكون قيمته  يكون اقل بقليل ويكون هذا نتيجة تشويب مادة الزجاج طريق بمواد اخرى  كالجرمانيوم Ge ، وهذا التغيير التقني في معاملات الانكسار يضمن لنا حدوث ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي TIR  Reflection ) Internal  Total ) مما يعكس الضوء باستمرار ليبقى في داخل القلب الزجاجي والذي يعتبر اساس عمل الالياف البصرية  .

الطبقة الثالثة : غطاء الحماية Buffer Coating : وهو غلاف بلاستيكي يحمي طبقتي القلب Core و الـكسوة . Cladding

ويمثل الشكل ادناه صورة مبسطة لليف البصري ومكوناته

- آلية عمل الليف البصري :

يستعمل الضوء داخل الليف البصري (مثلاً في مجال نظم الاتصالات البصرية ) كناقل للمعلومات Carrier ، وفيزياويا يمكن أن نرى ثلاث اعتبارات لآلية عمل الضوء وفهمه :

- اعتبار إن الضوء موجة كهرومغناطيسية وذلك باستعمال النظرية الموجية(Wave Theory )   

 - اعتبار أن الضوء خط أو شعاع وذلك باستعمال علم البصريات Geometric Optics  ) )

 - اعتبار ان الضوء حزمة من الفوتونات وذلك باستعمال نظرية الكم( Quantum Theory)

وحتى نفهم سلوك الضوء وعمله في الليف البصري سنعتبر ان الضوء شعاع يتحرك باتجاه وزاوية معينة وتطبق عليه القوانين الاساسية في علم البصريات الضوئية : ) قوانين سنل والانعكاس والانكسار ..... الخ )

ويحسب قانون سنل : فأنه كلما تغيرت زاوية السقوط يرافقها تغير في زاوية الانكسار ، ففي حالة كون زاوية سقوط الشعاع على مدخل الليف أكبر من الزاوية الحرجة ) الزاوية الحرجة هي الحالة الخاصة لقيمة زاوية سقوط الشعاع عندما تكون زاوية الانكسار له 90 درجة) فأن الضوء ينعكس بالكامل  (لا يحدث انكسار ) داخل قلب الليف البصري ، اذ تسمى هذه الظاهرة باالنعكاس الكلي الداخلي  TIR ، وإذا سقط الضوء بزاوية اقل من الزاوية الحرجة فإن جزءا  من الضوء ينعكس داخل قلب الليف  انعكاس جزئي داخل وجزء آخر سوف ينكسر عبر محيط الليف مما يؤدي الى خروجه من الليف ومن ثم يؤدي الى زيادة الفقد  وخسارة جزء من الاشارة.

- انواع الالياف البصرية

تنقسم الالياف البصرية الى أكثر من نوع وذلك بالاعتماد على المعيار المستخدم لعملية التقسيم

·       حسب تغير معامل الانكسار خلال قلب الليف البصري حيث تنقسم الالياف الى :

1.    ألياف عتبية Step Index Fibers :حيث يكون معامل الانكسار ذا قيمة ثابتة خلال قلب الليف .

2.    ألياف تدريجية  Graded Index Fibers : حيث يتغير معامل الانكسار بشكل تدريجي ضمن منطقة قلب الليف

·       حسب عدد الانماط المنتشرة خلال الليف البصري حيث تنقسم الى :

1.    ألياف متعددة األنماط Multimode Fibers :حيث ينتشر أكثر من نمط وتتميز ان يكون قطر قلب الليف فيها من 50 الى 60 ما يكروميتر.

2.    ألياف أحادية النمط Single Mode Fibers :حيث ينتشر نمط واحد فقط وتتميز ان يكون قطر قلب الليف فيها من 8 الى 10 ما يكروميتر.

·       حسب المادة المصنوع منها الليف وتنقسم الى :

- تطبيقات واستخدامات الالياف البصرية

لقد بدأ تطبيق واستعمال الالياف البصرية في مطلع الثمانينات حيث انتشر استعمالها بشكل واسع وفي جميع دول العالم اذ تم تركيب ملايين الكيلومترات من خطوط تلك الالياف .

ان اهم مجالات تطبيق الالياف البصرية في الوقت الحالي :

 - خطوط الاتصالات البعيدة المدى

 - شبكات الهاتف المحلية

 - البث التلفزيوني عبر الكيبل الضوئي

 - الانترنيت ونقل البيانات

- الاتصالات  العسكرية

- الطب حيث يتم استخدامها في مجال الجراحات المنظارية والنواظير التشخيصية والعلاجية

-  المجسات والمتحسسات حيث يمكن استعمال الالياف البصرية في مجال المجسات في قياس الاجهاد ودرجة الحرارة والضغط وعوامل اخرى . اذ ان المجس البصري يبعث ويستلم ويحول طاقة الضوء الى اشارة كهربائية . والسبب في استخدام الالياف في مجال المجسات هو انها وسط ناقل نموذجي للمعلومة من ناحية دقة وصول المعلومة وسرعة الارسال وخفة الوزن