توفر الألياف الضوئية مثالاً على كيفية ترجمة المعرفة العلمية إلى تقدم تكنولوجي ، مما يجعل الحياة أسهل بالنسبة للإنسان العادي في النهاية. لعدة سنوات ، ارتبطت الألياف الضوئية بوسائل الاتصال لنقل الإشارات الكهربائية. يمكن استخدام خيوط رفيعة بحجم شعرة الإنسان لنقل مجموعة واسعة من الإشارات المطلوبة لتشغيل الهاتف والاتصال بالإنترنت والتلفزيون وما إلى ذلك. بالطبع ، نظرًا لأدائها العالي ، وجدت الألياف البصرية استخدامها ليس فقط في الاحتياجات المحلية.
تقنية نقل الإشارات الضوئية
في حد ذاته ، يعد استخدام الألياف الضوئية كمترجم للإشارات جزءًا فقط من المعرفة التي تم الكشف عنها والتي يتم استكشافها في القسم العلمي من الألياف البصرية. يدرس المتخصصون في هذا المجال نقل المعلومات وانتشار الضوء ، وفي سياق واحد ، توحدهم أدلة الضوء. يتم استخدام هذا الأخير كموزعين للضوء وكمرسلات للمعلومات. بالمناسبة ، تعتمد الاتجاهات الحديثة في تطوير تقنيات الليزر على مصابيح LED. في هذه الحالة ، هناك سؤال آخر أكثر إثارة للاهتمام - ما هي الظاهرة أساس الألياف البصرية؟ هذه الظاهرةالانعكاس الداخلي للإشعاع الكهرومغناطيسي (الكلي) عند السطح البيني بين العوازل الكهربائية التي لها مؤشرات انكسار مختلفة. علاوة على ذلك ، فإن حامل المعلومات ليس إشارة كهرومغناطيسية على الإطلاق ، ولكنه تدفق ضوئي مشفر. لفهم درجة تفوق كابلات الألياف الضوئية على الكابلات المعدنية التقليدية ، يجدر الإشارة مرة أخرى إلى عرض النطاق الترددي الخاص بها. خيط الألياف الذي سبق ذكره ، والذي لا يزيد سمكه عن 0.5 مم ، قادر على نقل كمية من المعلومات بأن الأسلاك النحاسية العادية لن تعمل إلا بسمك 50 مم.
طرق تصنيع الألياف الضوئية
هناك طريقتان رئيسيتان يمكن من خلالهما تصنيع الألياف الضوئية. إنها تقنية البثق والصهر باستخدام التشكيلات. تتيح التقنية الأولى الحصول على مواد منخفضة الجودة تعتمد على البلاستيك ، لذا فهي اليوم غير مستخدمة عمليًا. تعتبر الطريقة الثانية هي الطريقة الرئيسية والأكثر فعالية. التشكيل هو شكل في هيكل مصمم لرسم الخيوط. وفقًا للمعايير الحديثة ، يمكن أن يصل ارتفاع التشكيلات إلى عدة عشرات من الأمتار. ظاهريًا ، هذا قضيب زجاجي يبلغ قطره حوالي 10 سم ، يتم من خلاله صهر قلب الخيط. أثناء عملية التصنيع ، يتم تسخين اللب ، جنبًا إلى جنب مع خليط الألياف ، إلى درجات حرارة عالية ، وبعد ذلك تتشكل الشعيرات. يمكن أن يصل طول المادة الناتجة إلى عدة كيلومترات ، على الرغم من أن القطر لم يتغير - يتم التحكم فيه بواسطة منظمات آلية. اعتمادًا على مكان استخدام الألياف البصرية ، والمواد اللازمة لـيمكن معالجتها مسبقًا بطبقات توفر الحماية الكيميائية والفيزيائية. أما بالنسبة للخيوط الممزوجة نفسها ، فعادة ما تشتمل على مواد مثل البوليميد والأكريليت والسيليكون.
ميزات تصميم الألياف
الجزء المركزي من الخيط هو اللب - جوهر الألياف ، والذي سينشر الضوء أثناء التشغيل. يتميز اللب بمؤشرات انكسار الضوء المتزايدة ، والتي يتم تحقيقها باستخدام المنشطات الزجاجية مع تعديل بواسطة إضافات خاصة. على سبيل المثال ، تُستخدم مكونات الانكسار النموذجية مثل مادة التثبيط لألياف السيليكا. في المقابل ، تؤدي القشرة عدة مهام ، أهمها الحماية المادية المباشرة للنواة. يوفر هذا الجزء أيضًا تأثير الانكسار ، ولكن مع حد أدنى من المعامل. تشكل الحدود بين المادتين بنية توجيهية للضوء لا تسمح للجزء الأكبر من الضوء بالهروب من القلب. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن أساسيات الألياف الضوئية تحيل المواد إلى أنواع مختلفة من أدلة الضوء. لنكون أكثر دقة ، نحن نتحدث عن أدلة موجية عازلة التي تنقل إشارات الضوء.
أنواع مختلفة من الألياف البصرية
الأكثر شيوعًا هي ألياف الكوارتز والبلاستيك والفلورايد. تعتمد خيوط الكوارتز على ذوبان الأكسيد أو المواد المماثلة في الهيكل ، بما في ذلك أكسيد السيليكون المخدر. هذه القاعدة تجعل من الممكن إنتاج ألياف مرنة وطويلة تختلف فيوقوة ميكانيكية عالية. تصنع الألياف الضوئية البلاستيكية من البوليمرات ، وكما لوحظ بالفعل ، لا يمكنها توفير أداء عالٍ. على وجه الخصوص ، تحتوي هذه الخيوط على نسبة عالية من فقدان البيانات ، مما يحد من استخدامها في المناطق الصعبة. من ناحية أخرى ، فإن القدرة على تحمل تكلفة الألياف البلاستيكية تحافظ على الطلب على هذه المواد في الاتجاهات التي تركز على القطاع المنزلي. أما بالنسبة للمواد البصرية الفلورايد ، فيعتمد أساسها على زجاج الفلوروزيركونيت والفلور ألومينات. هذه حلول حديثة وتكنولوجية تمامًا لتوفير الاتصال البصري ، لكن محتوى المعادن الثقيلة في الهيكل أيضًا لا يسمح باستخدامها ، على سبيل المثال ، في الصناعة الطبية.
معدات قياس الألياف
المعدات الأكثر شيوعًا المستخدمة في مجموعات الألياف الضوئية هي أجهزة الاستشعار وشبكات Bragg. أجهزة استشعار الألياف الضوئية هي أجهزة مصممة لإصلاح قيم معينة تميز حالة المادة في الوقت الحالي. على سبيل المثال ، يمكن لأجهزة الاستشعار المختلفة اكتشاف الإجهاد الميكانيكي ودرجة الحرارة والاهتزاز والضغط والكميات الأخرى. مقضب Bragg في وظيفته أقرب إلى الخصائص البصرية. يعمل على إصلاح اضطراب الانكسار غير الدوري في لب الألياف. يتيح لك هذا القياس تحديد مدى كفاءة الألياف البصرية في إرسال إشارة في ظل ظروف معينة. أيضا ، يستخدم الخبراء البصريمقياس الانعكاس الذي يسجل التبديد والمقاومة
مكبرات الصوت والليزر الألياف البصرية
هذا هو المنتج الأكثر تقدمًا الذي تم تطويره على أساس تقنية الألياف البصرية. على عكس أنواع الليزر الأخرى ، فإن استخدام الخيوط الضوئية يجعل من الممكن إنشاء أجهزة مدمجة وفعالة في نفس الوقت. على وجه الخصوص ، جعلت تقنية الألياف البصرية من الممكن استبدال أجهزة الليزر الكلاسيكية بالمزايا التالية:
- كفاءة المشتت الحراري
- زيادة الإشعاع الناتج.
- ضخ فعال.
- موثوقية عالية واستقرار الليزر.
- معدات منخفضة الوزن.
في المقابل ، يمكن أيضًا استخدام مكبرات الصوت ، اعتمادًا على النوع ، في خطوط الشبكة المنزلية ، مما يزيد من أداء خط الألياف الرئيسي. ومع ذلك ، فإن نطاق تشغيل الألياف يستحق النظر بمزيد من التفصيل.
ما هي استخدامات الألياف البصرية؟
هناك العديد من المجالات التي تستخدم فيها مواد الألياف البصرية. هذا هو مجال الاستخدام المنزلي ، ومعدات الاتصالات السلكية واللاسلكية وأجهزة الكمبيوتر ، فضلاً عن المجالات المتخصصة للغاية ، بما في ذلك مجالات معينة من الطب. لكل قسم من هذه القطاعات ، يتم إنتاج ألياف بصرية خاصة. يقتصر الاستخدام كوسيلة نموذجية لإرسال إشارة تلفزيون أو الإنترنت ، على سبيل المثال ، على النماذج البلاستيكية الرخيصة ذات الجودة المتوسطة. ولكن لمعدات الليزر ومكلفةتستخدم الأجهزة الطبية ألياف كوارتز عالية الجودة ، ومزودة أيضًا بمعدلات إضافية.
تطبيق الألياف الضوئية في الطب
يمكن استخدام هذه الألياف في المعدات والأدوات الطبية. تقترح التكنولوجيا القياسية إمكانية إدخال جهاز خاص يعتمد على ألياف الضوء المنكسر ، والذي يمكنه نقل إشارة إلى كاميرا تلفزيون خارجية موجودة بالفعل في عضو الجسم نفسه. تستخدم الألياف البصرية في الطب وكمواد إضاءة. الأجهزة المجهزة بوحدات الألياف تجعل من الممكن إلقاء الضوء دون ألم على تجاويف المعدة والبلعوم الأنفي وما إلى ذلك.
استخدام الألياف الضوئية في أجهزة الكمبيوتر
ربما هذا هو المكان الأكثر شيوعًا الذي وجدت فيه الألياف الضوئية مكانها. اليوم ، لم يعد بإمكان خطوط الاتصال بين الأجهزة الفردية التي تنقل المعلومات الاستغناء عنها. بالطبع ، ينطبق هذا على المناطق التي يكون فيها من المستحيل أو غير العملي استخدام التوصيلات اللاسلكية ، والتي تعمل أيضًا على استبدال الكابلات على هذا النحو. على سبيل المثال ، تقوم أكبر شركات الاتصالات بوضع شبكات أساسية أقاليمية تستخدم الألياف الضوئية. يتيح لك استخدام هذه القنوات لتوصيل الأجهزة الطرفية والمستهلكين العاديين لخدمات الاتصالات تحسين التكاليف المالية للحفاظ على البنية التحتية للشبكة ، كما يزيد من كفاءة نقل البيانات نفسه.
عيوب الألياف
للأسف ، الخيوط البصرية لا تخلو من نقاط الضعف. على الرغم من أن صيانة مثل هذه الأسلاك أرخص ، ناهيك عن عدم الحاجة إلى تحديثات متكررة ، فإن تكلفة المادة نفسها أعلى بكثير من نظيراتها المعدنية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الألياف الضوئية واستخدامها في الطب محدود للغاية بسبب محتوى الرصاص وشوائب الزركونيوم في بعض السبائك ، والتي تعتبر سامة للإنسان. ينطبق هذا بشكل أساسي على النماذج الزجاجية عالية الجودة ، وليس النماذج البلاستيكية.
إنتاج الألياف الضوئية في روسيا
كجزء من برنامج استبدال الواردات في عام 2015 ، تم افتتاح مصنع أنظمة الألياف الضوئية في موردوفيا. هذه هي المؤسسة الوحيدة في الاتحاد الروسي ، التي تحاول حاليًا تلبية احتياجات المستهلكين المحليين من الألياف الضوئية إلى أقصى حد ممكن. حتى عام 2015 ، كانت الصناعة الروسية تعمل أيضًا في تصنيع مواد الألياف البصرية ، ولكن فقط في إطار المشاريع الفردية المستهدفة. نفس الوضع مستمر إلى حد ما اليوم. إذا احتاجت شركة معينة إلى الألياف البصرية وكان استخدامها في الطب أو في مجال الاتصالات مبررًا ماليًا ، فهناك العديد من المصانع الجاهزة للعمل على مثل هذه الطلبات الخاصة على أساس فردي. ومع ذلك ، في المستقبل القريب ، سينتج مصنع موردوفيان فقط إنتاج تسلسلي لنفس كابلات الألياف الضوئية. علاوة على ذلك ، فهي ليست قادرة بعد على إمداد السوق وفقًا لحجم الطلب. لا يزال يتم شراء نسبة كبيرة من المنتجات من الولايات المتحدة واليابان. وحتى المنتجات المحلية يتم إنتاجها على الوارداتالمواد الخام.
الخلاصة
تتشكل منتجات الألياف الضوئية كقطعة سوقية منذ حوالي 15-20 عامًا. على مر السنين ، كان المستهلك قادرًا على تقدير مزايا الكابلات الجديدة ، لكن التقدم لا يزال قائماً. مع تحسين الصفات التقنية والفيزيائية ، تتوسع أيضًا مجالات تطبيق المواد. تُستخدم أحدث الألياف القائمة على تقنية النانو ، على وجه الخصوص ، بنشاط في صناعة النفط والغاز وصناعة الدفاع. بدورها ، تعمل الألياف البصرية غير الخطية حاليًا على تطوير مجالات تقنية مفاهيمية فقط ، ولكنها واعدة جدًا. من بينها نبضات الليزر الانضغاطية ، والسولتون البصري ، والإشعاع الضوئي فائق القصر ، وما إلى ذلك. من الواضح أنه بالإضافة إلى البحث النظري مع الاكتشافات المحتملة وفي إطار المعرفة العلمية البحتة ، فإن التطورات الجديدة ستجعل من الممكن أيضًا تقديم عروض جديدة للمستهلكين من مختلف المستويات في السوق.
