تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

مبدأ عمل الألياف الضوئية

تُعتبر الألياف الضوئية اليوم هي الأداة المُسيطرة على عالم الاتصالات والمعلومات، وذلك كونها تتمتع بخواص فيزيائية وهندسية مُميَّزة جعلت منها الوسط الأفضل لنقل المعلومات. تتجلّى هذهِ الميزات بصغر حجمها، وخفة وزنها، وعدم تأثرها بالأمواج الكهرطيسية، بالإضافة لميزاتٍ أخرى. ويَعتمد مبدأ عمل الألياف البصرية على ظاهرة الانعكاس الكلّي الداخلي المَعروفة في علم الضوء، والتي اكتشفت في عام 1870 من قبل العالم البريطاني جون تندل.

إذ يُمكن للضوء أن ينعكس بشكلٍ كاملٍ على السطح الفاصل عندَ ورودهِ من وسط ذو قرينة انكسار أكبر إلى وسط قرينة انكساره أقل، فعندَ دخول الضوء من أحد طرفي الليف الضوئي، فإنَّه يعاني عدّة انعكاساتٍ داخلية كلية، حتى لو كان الليف الضوئي منحنياً أو منثنياً، وذلك بسبب ورود الضوء من وسط أول قرينة انكساره أكبر من قرينة انكسار الوسط الثاني، وبزاوية ورودٍ أكبر من الزاوية الحرجة.

حيثُ ينتقل الضوء من الطرف الأول إلى الطرف الثاني، وبسرعةٍ تتعلق بقرينة انكسار لبّ الليف الضوئي، ويكون مقدار الطاقة المفقودة داخل الليف الضوئي قليلة، إذ يكون الفقد البسيط في الطاقة ناتجاً عن التشوّه في الشكل الهندسي المُمثَّل للموجة الضوئية. ^[1]

مكونات الألياف الضوئية

تتألَّف من أسطوانتين من زجاج السليكا متمركزتين مع بعضهما ومختلفتين بالإشابة، وتُشكِّل الأسطوانة الداخلية لبّ الليف الضوئي، حيثُ يتكوَّن هذا اللب من زجاج السيليكا المشاب ببعض العناصر، مثل: أكاسيد الجرمانيوم، والفوسفور، والبور، وتُشكِّل الأسطوانة الأخرى الخارجية قشرة الليف، حيثُ تتكوَّن هذهِ القشرة من أكسيد السيليكون المشاب بأكسيد البور، وتكون قرينة انكسار الأسطوانة الداخلية أكبر من قرينة انكسار الأسطوانة الخارجية. يُغطَّى الليف الضوئي بطبقةٍ من البلاستيك لحمايتها من العوامل الخارجية. ^[2]

أنواع الألياف الضوئية

1- الألياف الضوئية متساوية قرينة انكسار اللب

يمتلك اللب في هذا النوع من الألياف قرينة انكسارٍ ثابتة، إضافةً لثبات قرينة انكسار القشرة، ولهذا النوع نمطان: الأول يُسمّى وحيد النمط، حيثُ يتراوح قطر اللب فيه بين (5µm – 10µm)، والثاني يُسمى مُتعدد الأنماط، حيثُ يتراوح قطر اللب فيه بين (10µm – 100µm).

2- الألياف الضوئية متدرجة قرينة انكسار اللب

يمتلك اللب في هذا النوع من الألياف قرينة انكسارٍ متدرجة على امتداد نصف القطر، حيثُ تكون أقصى قيمةً لقرينة انكسار اللب تقع عندَ المحور. ^[3]

أهمُّ تطبيقات الألياف الضوئية

نتيجةً للمواصفات الخاصة للألياف الضوئية، كانخفاض مقدار الفقد في الطاقة، وخفة الوزن، والمقاومة العالية للظروف الجوية، وإمكانية نقل المعلومات بسريةٍ تامة، جعلت للألياف الضوئية تطبيقاتٍ كثيرة، نذكر منها: ^{[1] [4]}

1- الإنارة الداخلية للمنازل

يتمُّ نقل الضوء من خارج المنازل إلى داخلها للإنارة.

2- المعلومات والاتصالات

يتمُّ نقل المعلومات بين المخدّمات في شبكة الأنترنت، كما يُمكنها نقل آلاف النداءات الهاتفية في آنٍ واحد في ليفٍ واحد.

3- التطبيقات العسكرية

يتمُّ نقل المعلومات في شبكات الاتصالات بسريةٍ تامة دون الخوف من ربط أو سحب خط اتصال ومراقبته، كما يُمكن أن تُستخدم في منظومات التأمين للمباني الهامة، والمراكز البحثية، والعديد من التطبيقات الأمنية.

4- في المجال الطبي

تُستخدم الألياف الضوئية بشكلٍ أساسي بنقل صور الأجزاء الداخلية للجسم إلى شاشاتٍ خاصة فيما يُدعى بالتنظير، وتُستخدم أيضاً في عمليات تفتيت الحصى داخل الكلية، حيثُ يتمُّ نقل ضوء الليزر ذي الطاقة العالية إلى الحصيات من أجل تفتيتها.

الألياف الضوئية في الكشف والمُعالجة

تُشكِّل الألياف الضوئية لبنات البناء في نظم الاتصالات الحديثة، إذ يُمكن قرن ضوء الليزر بإحدى نهايتي الليف الضوئي، حيثُ يُمكن تعديل الضوء بالإشارات الصوتية، أو المرئية، أو الحاسوبية، في حين يُكشف الضوء النافذ في النهاية الأخرى لليف بكاشفٍ نصف ناقلٍ آخر، ثمَّ تحوَّل إشارة هذا الكاشف ثانيةً إلى إشارة صوتية، أو مرئية، أو حاسوبية.

وقد كان لهذهِ الثورة في الاتصالات بالألياف الضوئية صداها المباشر في الطب، فالأطباء يقومون بفحص المريض في مركزٍ معيّن، ويُسجلون النتائج بنظام فيديو، كما أنَّهم يقومون بفحوص مُعقدة تُنقل بالزمن الحقيقي إلى المركز الرئيسي لاستشارة الخبراء، كما يُمكن للحواسيب المُستخدمة في المشافي أن تتصل فيما بينها أو مع الحواسيب الكبيرة في المواقع الرئيسية عن طريق الألياف الضوئية.

حيثُ تتوفَّر المعلومات الطبية، كالتاريخ الطبي أو تشخيص مرضٍ ما، ويُمكن للأطباء القائمين على حواسيبهم المكتبية أن يستردوا هذهِ المعلومات الطبية أو العلمية من المكتبات المركزية. كما يُمكن للألياف الضوئية أن تنقل حزماً ليزريةً عالية الاستطاعة للمعالجة الليزرية داخل جسم الإنسان كعمليات تفتيت الحصى داخل الكلية.

كما أمكن استخدام الألياف الضوئية للتنظير الجوفي، مما أعطى صوراً عالية المقدرة الفاصلة بتمثيلٍ ملوَّنٍ أقرب إلى المثالية، كما أنَّ التقنيات الجديدة للألياف البصرية قد مهدت الطريق لاستخدام الألياف الضوئية في القثاطر الليزرية. ^[5]

الكبل الضوئي

نظراً لكون الألياف الضوئية صغيرة الأبعاد، وخفيفة، الوزن وقابلةً للكسر، لذا يصعب التعامل معها، مما يتطلّب وضعها ضمن كبلٍ لحمايتها من العوامل الخارجية المُختلفة، كالضغط والثني. يتمُّ تجميع مجموعةٍ من الألياف الضوئية ضمن أسطوانةٍ واحدة بشكّلٍ مرتب ضمن غلافٍ من مادة البولي ديمثيل سيلوكسين أو إحدى لدائن الأكريليت، ثمَّ يغلَّف الليف بطبقة بلاستيكية تمنع تشوّهه.

وعندما تجتمع عدَّة ألياف يتمُّ وضعها في كبلٍ محوري يحوي عدة أسطوانات، وهذا الكبل يُمكن وضعه ضمن كبلٍ أكبر منه لتشكيل كبل اتصالات، وتتمُّ تقوية الكبل الأخير بوضع سلكٍ فولاذي داخله، وتلف أجزاءه الداخلية بألياف قماشية، وتُغلَّف الألياف عادةً بطبقةٍ لحمايتها من الاشتعال، وقد تلف بطبقةٍ لحمايتها من القوارض. ^[6]