فیبرهای نوری متخلخل سرشار از قابلیت‌ها

یک محقق استرالیایی به تازگی موفق به ایجاد فیبر نوری آکنده از حبابی شده که کاربردهای گوناگون آن سیستم روشنایی یخچال تا ارتباطات اداری را تحت پوشش قرار می‌دهد.

پروفسور Graham Town رئیس دانشکده‌ی مهندسی الکترونیک در دانشگاه Macquarie معتقد است که بکار بردن پلیمرهای آکنده از حباب منجر به پیشرفتی غیر منتظره در تولید فیبرهای نوری شده است.

این محقق فیبر پلیمری آکنده از حبابی ایجاد کرده که به گفته‌ی او ارزان قیمت است و از نظر انرژی مورد نیاز برای تولید نیز بهینه است.

در گذشته از شیشه برای تهیه‌ی فیبرهای نوری استفاده می‌شد، که برای شبکه‌های ارتباطاتی در مسافت‌های طولانی بکار می‌رفتند. اما تجهیزات مورد نیاز برای فرآیند شیشه در دماهای بالا از عوامل گران قیمت بودن فیبرهای نوری بود.

این محقق فیبر نوری پلیمری ارزان قیمت‌تر و ساده‌تری طراحی کرده است که شامل حباب‌های هوایی است که به صورت بی‌نظم در آن پخش شده‌اند.

پلیمرها رطوبت را از هوا جذب می‌کنند و اگر این رطوبت تا قبل از حرارت دیدن پلیمر از آن خارج نشود، حباب‌هایی در حین ذوب پلیمر و تبخیر آب ایجاد می‌شود. این پلیمرهای آکنده از حباب سپس با استفاده از روش drawing (کششی) تبدیل به فیبرهایی با ضخامت تقریبی ۱۰۰میکرومتر می‌شوند.

(در شکل روبرو روش drawing نشان داده شده است. )

این روش، روشی کم هزینه، تمیز و نسبتاً سریع برای توسعه شبکه‌های نوری است. همچنین میزان انرژی مورد نیاز در فرآیند تولید، در این روش به طور قابل توجهی نسبت به میزان مورد نیاز برای فرآیند شیشه کمتراست.

از طرفی حباب‌های ایجاد شده در پلیمر که در آن پخش شده‌اند و قطری بین ۱ الی ۱۵ میکرمتر دارند، در حین فرآیند کشش مذاب با ایجاد فیبرها، کشیده شده و حفره‌های طویل هوا که دارای ابتدا و انتها هستند ایجاد می‌شوند. اهمیت این موضوع در آن است که تغییر ضریب شکست در ابتدا و انتهای حباب باعث بازتاب کلی یا عبور نور می‌شود. این حفره‌های هوا نور را به انتهای فیبرهدایت می‌کنند. اما در صورت برخورد پرتوی نور به انتها یا ابتدای حباب بازتاب کلی رخ می‌دهد. در نتیجه بخشی از نور به سمت انتهای فیبرهدایت و بخشی از آن از لیف خارج می‌شود.

(مکانیزم انتقال نور در الیاف شیشه و الیاف پلیمری بر پایه‌ی بازتاب کلی نور قرار دارد. اگر پرتوی نورانی از محیط با ضریب شکست بالاتر به محیط با ضریب شکست پایین‌تر وارد شود، پرتوی گسیل شده از این منبع ضمن ورود به محیط رقیق‌تر از خط عمود دور می‌شود. در صورتی که زاویه تابش افزایش پیداکند، در یک زاویه معین پرتوی شکست بر سطح مرزی دو لایه مماس می‌شود، این زاویه را زاویه‌ی حد می‌نامند. اگر زاویه تابش از زاویه حد بزرگتر شود، پرتو به محیط دوم وارد نمی شود و روی سطح جدایی دو محیط بازتاب کلی حاصل می‌شود.

تا پیش از این ابداع، الیاف نوری پلیمری از یک لیف پلیمر شفاف مرکزی (مغزه) با ضریب شکست n1 و یک پوشش مناسب از پلیمری دیگر با ضریب شکست n2 تشکیل می‌شدند که n1>n2 است.

پرتوهایی که با زاویه بزرگتر از زاویه حد به سطح پلیمر مرکزی برخورد می‌کنند، از داخل لیف عبور می‌کنند و به سطح لایه پوششی می‌رسند و سپس تحت فرآیند بازتاب کلی از سمت دیگر لیف خارج می‌شوند. انتقال نور و علایم الکترونیکی در الیاف شیشه و الیاف نوری پلیمری در اثر پدیده‌ی تابش کامل نور انجام می‌پذیرد.)

عبور نور از داخل حباب‌ها بدان معنی است که ورود نور به خوبی خروج آن از فیبر باشد.

پروفسور  Townمعتقد است که این حباب‌ها روشی ساده و کم هزینه را برای عبور پیوسته‌ی نوراز درون فیبر فراهم کرده‌اند.

ویژگی اخیر در حسگرها یا دستگاههای دریافت کننده می‌تواند مفید واقع شود.

فیبرهای نوری فعلی نور را با سرعت ۱% در هر سانتیمتر اتلاف می‌کنند، در این تحقیق یکی از اهداف رساندن این میزان اتلاف به ۱۰% در هر سانتی متراست.

(در اثر پدیده‌ی بازتاب کلی نور در الیاف پدیده‌ای فیزیکی به نام تضعیف یا اتلاف (attenuation) اتفاق می‌افتد. برای تعیین ناحیه‌ی کاربری الیاف میزان تضعیف آنها در طول موجهای معین استفاده می‌شود.

دلیل عمده‌ی میزان تضعیف در پلیمرها به ارتعاشات مولکولی مرتبط می‌شود.)

از کاربردهای فیبرهای نوری پلیمری متخلخل می‌توان به کاربرد آنها در سیستم‌های سرمایشی در یخچالها اشاره کرد. دیگر کاربرد آنها در شبکه رایانه نوری بی‌سیم (*wireless) است. همچنین ساختار تصادفی حفره‌های هوا باعث براق و نقره‌ای شدن رنگ این فیبرها می‌شود

به عقیده‌ی این محقق این فیبرها ممکن است در آینده کاربردهایی در سیستم‌های ایمنی و مواد زینتی داشته باشند.

(در یکی از تحقیقاتی که پیش از این پژوهش صورت گرفته بود محققان به این نتیجه رسیده بودند که تابدار بودن مرکز فیبر نوری (مغزه) به انتقال اطلاعات با سیگنالهای واضح‌تر به انتهای دیگر فیبر کمک می‌کنند.

در تصویر زیر یک فیبر نوری با مرکز تابدار مشاهده می‌شود. )

یکی ازمسائل مهم در فیبرهای پلیمری داشتن مرکزی قطور است. زیرا در این صورت هزینه‌ی نصب به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. همچنین این مسئله باعث بکاربردن آسان این فیبرهای نوری در داخل منازل و در شبکه‌ها می‌شود.

در این نمودار میزان اتلاف به ازای طول موج برای چند پلیمر رسم شده است.