فیبر نوری چگونه کار می کند؟

فیبر نوری چگونه کار می کند؟
اساس کار و چکونگی انتشار نور در فیبر نوری اصلاً بحث پیچیده ای نبوده و بر اساس قانون بازتاب کامل (داخلی کلی) کار می کند.

می دانیم که مطابق با قانون اسنل اگر نوری تحت زاویه ای بزرگ تر از زاویه حدθc به سطح مشترک دو محیط با ضریب شکست های مختلف بتابد، دچار بازتاب کامل (داخلی) می شود.

به یاد داریم که قانون اسنل به شکل زیر است:

n1sinθ1=n2sinθ2

شکل (5): برحسب مقادیر ضریب شکست دو محیط، می توان دو نام شکست داخلی (n1>n2) و خارجی (n2>n1) را به انواع شکست اختصاص داد.

در رابطه فوقn1 ضریب شکست محیط اول، θ1 زاویه تابش در مرز دو محیط، n2 ضریب شکست محیط دوم و θ2 زاویه شکست است.

مطابق با شکل (5) و قانون اسنل، اگر زاویه شکست 90 درجه باشد، نور روی مرز مشترک دو محیط شکسته می شود. از قانون اسنل، زاویه ای که در آن این امر محقق می شود، به صورت زیر است:

زاویه فوق، به زاویه حد معروف است. حال اگر نوری تحت زاویه ای بیشتر از زاویه حد به مرز مشترک دو محیط بتابد، به طور کامل از مرز مشترک بازتاب شده و وارد محیط دوم نمی شود.

مطابق با شکل (5) و (6) این حالت وقتی رخ می دهد که نور از محیطی غلیظ (ضریب شکست بیشتر) به مرز مشترک محیطی با ضریب شکست کمتر (محیط رقیق) برخورد کند. در واقع در شکست های داخلی (n1>n2) این امر محقق می شود.

شکل (6): الف. اگر نوری تحت زاویهθ>θc به مرز مشترک دو محیط با شرط برخورد کند، به صورت کامل بازتاب می شود. ب. اگر نوری از هوا با ضریب شکست تقریبی 1 به منشوری با زاویه راس 45 درجه و ضریب شکستn=√2 وارد شود، از وجه دیگر آن بدون شکست و به صورت مستقیم خارج می شود.

پ. فیبر نوری بر اساس قانون بازتاب داخلی کلی، پرتو نور را به جلو هدایت می کند.

فیبر نوری از دو قسمت اصلی هسته و پوسته که ضریب شکستی متفاوت دارند، ساخته شده است.

نور در هسته با ضریب شکستn1 منتشر شده و در صورت برخورد به مرز مشترک هسته و پوسته با ضریب شکست دچار بازتاب داخلی کامل می شود. توجه داشته باشید که ضریب شکست هسته از ضریب شکست پوسته بیشتر است.

شکل (7): بازتاب کلی در محیط فیبر نوری برای پرتوهایی که با زاوایه بزرگ تر ازθc به مرز مشترک هسته و پوسته برخورد می کنند.θcزاویه حد و¯¯¯¯¯θcاز قانون اسنل و کمی محاسبات ریاضی به صورت ¯¯¯¯¯θc=90−θc تعریف می شود.
یکی از پارامترهای مهم یک فیبر نوری، «زاویه پذیرش» (Acceptance Angle) یا «روزنه عددی» (Numerical Aperture) آن است که آن را به θa نمایش می دهند.

زاویه پذیرش تعیین می کند که اگر نوری با زاویه ای کمتر از آن به فیبر نوری وارد شود، دچار شکست کامل شده و می تواند در فیبر نوری منتشر شود.

پرتوهایی که در زاویه θa و بزرگ تر از آن به فیبر وارد شوند، در مرز مشترک هسته و پوسته دچار شکست شده و به داخل پوسته نفوذ کرده و در نتیجه تلف می شوند.

با در نظر گرفتنθa برای هر دو نیمه بالایی و پایینی فیبر، می توانیم مخروطی به نام «مخروط پذیرش» (Acceptance Cone) تعریف کرده که اگر نوری در آن قرار گیرد، می تواند توسط فیبر نوری هدایت شود.

شکل (8): تنها پرتوهایی امکان انتشار در محیط فیبر نوری را دارند که با زاویه ای کمتر از زاویه پذیرش به فیبر نوری وارد شوند.

مطابق شکل فوق، نور حین انتشار در فیبری با زاویه پذیرش (روزنه عددی) بزرگ تر، به تعداد بیشتری دچار بازتاب کامل می شود. روزنه عددی به صورت زیر محاسبه می شود.

در رابطه فوق n1 ضریب شکست هسته و n 2 ضریب شکست پوسته فیبر نوری است.