خصائص الفتحة العددية للألياف الضوئية

تُعد الفتحة العددية “NA” للنظام البصري مثل نظام التصوير هي مقياس للقبول الزاوي للضوء الوارد، كما يتم تعريفه بناءً على اعتبارات هندسية، وبالتالي فهو معلمة نظرية يتم حسابها من التصميم البصري ولا يمكن قياسه بشكل مباشر، إلّا في الحالات المحدودة ذات الفتحات الكبيرة إلى حد ما وتأثيرات الانعراج الضئيلة.

ما هي الفتحة العددية للألياف الضوئية؟

الفتحة العددية للألياف الضوئية: هي قياس قدرة الألياف الضوئية على تجميع أو حصر شعاع الضوء الساقط بداخلها، كما إنّه من بين الخصائص الأساسية للألياف الضوئية، حيث يتم اختصار الفتحة العددية إلى “NA” وتوضح الكفاءة التي يتم بها جمع الضوء داخل الألياف من أجل الانتشار.

“NA” هي اختصار لـ “Numerical Aperture”.

مبدأ عمل الفتحة العددية للألياف الضوئية:

إنّ الضوء ينتشر عبر الألياف الضوئية من خلال الانعكاس الداخلي الكلي أو إنّه “TIR” المتعدد والذي يحدث داخل الألياف الضوئية حتى ينتقل شعاع الضوء من طرف إلى آخر عبر الألياف الضوئية، وبشكل أساسي عندما ينبعث الضوء من مصدر ضوئي يجب أن تكون الألياف عالية الكفاءة لتجميع الحد الأقصى من الإشعاع المنبعث بداخلها.

وبالتالي فإنّ كفاءة جمع الضوء للألياف الضوئية هي السمة الرئيسية أثناء نقل الإشارة من خلال الألياف الضوئية والفتحة العددية مرتبطة بزاوية القبول، حيث أنّ زاوية القبول “acceptance angle” هي الزاوية القصوى التي يدخل الضوء من خلالها إلى الألياف ومن ثم ترتبط زاوية القبول والفتحة العددية ببعضها البعض.

كما يتم تعريف الفتحة العددية على أنّها أقصى زاوية قبول للسماح بالضوء ونقله بواسطة الألياف الضوئية حيث تسمح الألياف متعددة الأوضاع بانتشار أكثر من “100 نمط” من خلالها، والعوامل التي تحدد أوضاع الأرقام التي يمكن نقلها عبر الألياف متعددة الأوضاع هي القطر الأساسي والفتحة العددية.

ومع زيادة الحجم الأساسي والفتحة العددية “NA” يزداد عدد الأوضاع، كما تتراوح القيم النموذجية لحجم الألياف الأساسية من “50 ميكرومتر” إلى “100 ميكرومتر”، وتتراوح قيمة الفتحة العددية من “0.20” إلى “0.29” وبالنسبة للألياف متعددة الأنماط هي “50/125 ميكرومتر”، كما تكون القيمة العددية المحددة بشكل عام “0.20” مع تفاوت “+/- 0.015”.

بالنسبة للألياف متعددة الأوضاع التي يبلغ قطرها الأساسي “62.5 / 125 ميكرومتر” تكون قيمة الفتحة العددية كممارسة قياسية “0.275” مع تفاوت “+/- 0.015″، ويدخل شعاع الضوء إلى ألياف بصرية متعددة الأوضاع بزاوية.

تتميز الألياف متعددة الأوضاع بأنّها تسمح بانتشار الضوء الذي يدخل داخل مخروط معين، كما يُعرف هذا المخروط في تقنية الألياف الضوئية باسم مخروط القبول للألياف الضوئية، ونصف من زاوية هذا المخروط تسمى زاوية القبول، حيث يتم تحديد زاوية القبول فقط من خلال مؤشرات الانكسار للألياف الضوئية متعددة الأنماط ذات المظهر الجانبي لمؤشر الخطوة.

“TIR” هي اختصار لـ “Total Internal Reflection”.

أساسيات الفتحة العددية للنظام البصري:

تُعد الفتحة العددية للنظام البصري بأنّها نتيجة معامل الانكسار للشعاع الذي يستقبل منه الضوء الداخل وجيب زاوية الشعاع القصوى مقابل المحور، والتي يمكن أن يتحرك الضوء من خلالها عبر النظام بناءً على بحت الأهميات الهندسية أي بصريات الأشعة:

NA = n Sin θ max

بالنسبة لزاوية السقوط القصوى يُشترط أن ينتقل الضوء من خلال النظام بأكمله وليس فقط من خلال فتحة المدخل.

التكاثر من خلال الألياف الضوئية:

يتم نشر الضوء من خلال الألياف الضوئية من خلال العديد من الانعكاسات الداخلية الكلية المستمرة، كما أنّ الألياف الضوئية تتكون من لب، حيث يتكون من شكل نقي جداً من زجاج السيليكا ومُحاط بكسوة زجاجية لذلك ينتشر الضوء داخل الألياف عن طريق أداء انعكاسات مستمرة من الكسوة.

لكن حالة الانعكاس الداخلي الكلي لانتشار شعاع الضوء لا تدخل حيز التنفيذ إلّا عندما يتم تجميع معظم الضوء داخل الألياف، حيث تم اشتقاق الفتحة العددية للألياف الضوئية، بحيث يتم أخذ شعاع الضوء “XA” الذي يسقط داخل الألياف الضوئية، ومعامل الانكسار للب هو 1 ومعامل الكسوة هو 2.

  • لذلك يتم إطلاق الشعاع “XA” من وسط أكثر كثافة إلى وسط نادر عن طريق عمل زاوية “α” مع محور الألياف، وتُعرف هذه الزاوية “α” بزاوية قبول الألياف.
  • ينتشر هذا الشعاع الساقط داخل الألياف وينعكس تماماً من خلال واجهة الكسوة “cladding” الأساسية.
  • لكن لهذا يجب أن تكون زاوية الحادث أكبر مقارنة بالزاوية الحرجة، وخلاف ذلك إذا كانت زاوية السقوط أقل من الزاوية الحرجة فعندئذٍ ينعكس أي ينكسر الشعاع.
  • وفقاً لقانون سنيل ينتشر الحادث والشعاع المنكسر في نفس المستوى، ومن ثم عند تطبيق قانون “سنيل” في المتوسط 1 أي عادةً ما يكون الهواء والواجهة الأساسية.
  • كما أنّه بما أنّ الفتحة العددية تعرض قدرة الألياف على تجميع الضوء فإنّ قيمتها يجب أن تكون مرتفعة، حيث كلما ارتفعت قيمة “NA” ستكون الألياف الضوئية أحسن.
  • ومع ذلك، فإنّ القيمة الأكبر لـ “NA” لن تدرك إلّا عندما يكون الفرق بين مؤشري الانكسار عالياً ولهذا إمّا أنّ تكون 1 مرتفعة أو 2 منخفضة.
  • ولكن لا توجد مثل هذه المواد التي لها معامل انكسار أقل من 1، لذلك هناك خيار معتمد على أنّه إذا تم إزالت الكسوة المتوفرة فوق اللب، فيمكن تحقيق قدر أكبر من “NA”.
  • أمّا بالنسبة لانتشار الإشارة الضوئية لا يكون الهدف الوحيد هو الحصول على مدى تسليم مرتفع، ولكن أيضاً لنشر الإشارة المأخوذة بأقل كمية من التوهين.
  • وذلك لأنّ الألياف الضوئية التي تمتلك أعلى كفاءة في ضم الضوء ولكنّها لا تتيح بانتشار الضوء من خلالها بشكل مناسب، أي ليست ذات أهمية.
  • لذلك يجب استخدام الكثير من المعلمات ذات الأهمية لتحديد الألياف الضوئية الصحيحة لانتشار الإشارة.
  • تصبح العلاقة بين زاوية القبول والفتحة العددية تقريباً عند استخدام الصيغة السابقة، حيث من الشائع أنّ بعض مصنعي الألياف الضوئية يشيرون إلى الفتحة العددية، وباستخدام الصيغة المذكورة سابقاً للألياف الضوئية أحادية النمط.
  • بالنسبة للألياف ذات الوضع الفردي لا تُعد الفتحة العددية قيمة مطلوبة بشكل خاص، ولكن بعض المواصفات تطلب من الموردين ذكر قيمة الفتحة العددية للألياف الضوئية أحادية النمط أيضًا.
  • تختلف زاوية القبول في الألياف الضوئية ذات النمط الأحادي عن تلك الموجودة في الألياف متعددة الأوضاع، وبالتالي لا يمكن الحكم على الفتحة العددية للألياف ذات النمط الأحادي باستعمال علامات الانكسار للكسوة “cladding” واللب فقط.
  • يقوم عدد الأوضاع المحددة على حجم النمط وبالتردد المقيس وبالتالي بـ “NA”.
  • إنّ وجود حجم نواة كبير وفتحة عددية أعلى لهما العديد من المزايا، كما يمكن إطلاق شعاع الضوء في ألياف متعددة الأوضاع بسهولة أكبر.
  • تعمل الفتحة العددية الأكبر واللب على تسهيل عملية الربط.

تطبيقات الفتحة العددية:

  • الاتصالات البصرية.
  • العدسات.
  • عدسات المجهر.
  • العدسات الفوتوغرافية.

شاهد أيضاً

اتصالات خط البصر LOS

يُعد اتصال البيانات لمسافات طويلة أكثر فاعلية من خلال الشبكات اللاسلكية ولكن العوائق الجغرافية وانحناء الأرض يجلبان …