لیزر نوری چیست

تعریف

لیزه نوری یک رشته باریک و انعطاف‌پذیر است که از شیشه (سیلیکا) یا پلاستیک ساخته شده و به طور خاص برای انتقال سیگنال‌های نوری طراحی شده است. با وجود ظاهر لاغر آن، قطر یک لیزه نوری معمولاً بزرگتر از قطر موی انسان است.

به طور دقیق‌تر، یک لیزه نوری به عنوان یک هادی موج عمل می‌کند و امکان انتقال موج‌های الکترومغناطیسی در فرم نور با فرکانس‌های نوری را فراهم می‌کند. این ویژگی منحصر به فرد به آن اجازه می‌دهد تا اطلاعات را با کارایی بالا و کمترین اتلاف سیگنال در فواصل طولانی منتقل کند و آن را به یکی از سنگ بنای تکنولوژی‌های ارتباطی مدرن تبدیل می‌کند.

ساختار لیزه نوری

یک لیزه نوری به طور اساسی از دو مؤلفه کلیدی تشکیل شده است: هسته و پوشش. هسته، یک ساختار دی الکتریکی استوانه‌ای که عمدتاً از شیشه ساخته شده و به عنوان مسیر انتشار نور عمل می‌کند. در این منطقه مرکزی سیگنال‌های نوری حرکت می‌کنند که با اصول بازتاب داخلی کامل هدایت می‌شوند. پوشش که معمولاً از پلاستیک ساخته شده، دور هسته قرار دارد. پوشش نقش مهمی در محصور کردن نور در هسته دارد و اطمینان می‌دهد که سیگنال‌های نوری بدون اتلاف یا تخریب قابل توجهی بتوانند در فواصل طولانی منتقل شوند.

شکل زیر ساختار دقیق یک لیزه نوری را نشان می‌دهد که لایه‌های متمایز هسته و پوشش و نقش‌های مختلف آنها در تسهیل انتقال کارآمد نور را برجسته می‌کند.

جزئیات ساختار و عملکرد

کل سازمان لیزه نوری در یک جکت الاستیک قرار دارد که به عنوان لایه محافظ عمل می‌کند. این جکت لیزه را از آسیب فیزیکی، عوامل محیطی و تنش‌های مکانیکی محافظت می‌کند و اطمینان می‌دهد که در حین نصب، عملیات و مدیریت تمامیت آن حفظ شود.

باید توجه داشت که در لیزه‌های نوری، پوشش به طور مستقیم در انتقال موج‌های نوری نقشی ندارد؛ بلکه نور فقط از طریق هسته حرکت می‌کند. با این حال، ترکیب هسته و پوشش برای کاهش اتلاف سیگنال ناشی از پراکندگی ضروری است. این به دلیل تفاوت شاخص‌های انکسار بین دو مؤلفه است که به هدایت کارآمد نور کمک می‌کند. به طور خاص، شاخص انکسار هسته باید بیشتر از شاخص انکسار پوشش باشد. این اختلاف شاخص انکسار اصل کاری که اجازه می‌دهد نور به طور موثر در لیزه منتقل شود است.

انتشار نور در لیزه‌های نوری

لیزه‌های نوری طراحی شده‌اند تا سیگنال‌ها را به صورت نور (فوتون‌ها) منتقل کنند. سؤالی که مطرح می‌شود این است که: نور چگونه در واقع از طریق یک لیزه نوری حرکت می‌کند؟ پاسخ در پدیده بازتاب داخلی کامل پنهان است.

وقتی نور وارد یک لیزه نوری می‌شود، از طریق هسته حرکت می‌کند و بازتاب‌های مداوم از پوشش را تجربه می‌کند. این بازتاب‌ها بازتاب‌های داخلی کامل هستند که تحت شرایط خاصی رخ می‌دهند. مانند آنچه قبلاً در مورد بازتاب داخلی کامل بحث شده است، این پدیده زمانی رخ می‌دهد که نور از یک مedium با شاخص انکسار بالاتر (هسته متراکم‌تر) به یک مedium با شاخص انکسار پایین‌تر (پوشش تنک‌تر) با زاویه ورود بیشتر از زاویه بحرانی حرکت می‌کند.

با چنین زاویه ورودی، به جای اینکه به پوشش تابیده شود، نور با بازتاب‌های متوالی ادامه می‌یابد. شکل استوانه‌ای هسته با قطر نسبتاً کوچک، اطمینان می‌دهد که تنها مقدار کمی از نور از مرز هسته-پوشش بازتاب می‌شود. این به نوبه خود اطمینان می‌دهد که زاویه ورودی پرتو نوری همواره بیشتر از زاویه بحرانی باقی بماند و اجازه می‌دهد نور به طور موثر در طول لیزه هدایت شود.

روش‌های انتشار در لیزه‌های نوری

وقتی نور در طول یک لیزه نوری حرکت می‌کند، می‌تواند یا یک مسیر یا چندین مسیر را در طول هسته دنبال کند. به طور کلی، "روش‌های" انتشار به تعداد مسیرهای متمایزی که یک پرتو نوری می‌تواند در طول لیزه دنبال کند اشاره دارد. دو روش اساسی انتشار در لیزه‌های نوری عبارتند از:

لیزه تک مود

در یک لیزه تک مود، پرتوهای نوری فقط از طریق یک مسیر در طول لیزه حرکت می‌کنند. این مسیر واحد انتقال موج به طور قابل توجهی اتلاف سیگنال را در طول فرآیند انتقال کاهش می‌دهد. چون مسیرهای چندگانه‌ای برای حرکت پرتوهای نوری وجود ندارد، تمامیت سیگنال در طول مسافت‌های طولانی حفظ می‌شود و ارتباط با کیفیت بالا را تضمین می‌کند.

هسته یک لیزه تک مود دارای قطر بسیار کوچک است که احتیاج به استفاده از یک پرتو نوری بسیار متمرکز دارد. به این دلیل، منابع نوری لیزری غالب استفاده می‌شوند، زیرا می‌توانند پرتوی تیز و هماهنگی ارسال کنند که می‌تواند به طور موثر از طریق هسته باریک حرکت کند بدون اینکه واگرایی یا پراکندگی قابل توجهی داشته باشد.

لیزه چند مود

لیزه‌های چند مود دارای هسته‌ای با قطر بسیار بزرگتر نسبت به لیزه‌های تک مود هستند. این هسته گسترده‌تر اجازه می‌دهد تا پرتوهای نوری از طریق چندین مسیر در هسته حرکت کنند. این ویژگی امکان انتقال بیشتر نور به طور همزمان را فراهم می‌کند، اما همچنین احتمال پخش و اتلاف سیگنال را افزایش می‌دهد. پخش سیگنال زمانی رخ می‌دهد که پرتوهای نوری مختلف که از طریق مسیرهای مختلف در هسته حرکت می‌کنند، در مقصد با زمان‌های کمی متفاوتی وارد می‌شوند و سیگنال را مبهم می‌کنند. اتلاف یا ضعیف شدن سیگنال نیز در لیزه‌های چند مود به دلیل عواملی مانند پراکندگی و جذب در هسته بزرگ‌تر بیشتر مشهود است. با این حال، قطر هسته گسترده‌تر مزیت ارائه مسیرهای گسترده‌تر برای امواج نوری را فراهم می‌کند و آن را برای کاربردهایی که سادگی و کاهش هزینه بر انتقال بسیار طولانی و با پهنای باند بالا ترجیح داده می‌شود مناسب می‌کند.

لیزه‌های شیشه‌ای چیستند؟

شیشه یک جامد غیربلوری است که با سختی، شفافیت و شکنندگی مشخص می‌شود. این ماده از طریق ذوب ترکیبی از مواد و سپس سرد کردن سریع (کواتشینگ) آن‌ها ایجاد می‌شود. برخلاف مواد جامد بلوری، شیشه ساختار مولکولی خوش‌آرایی و منظمی ندارد. بلکه مولکول‌های آن به صورت نامنظم و دلخواه ترتیب یافته‌اند.

شیشه یک ویژگی منحصر به فرد دارد: تغییر در ترکیب مادی آن منجر به تغییرات متناظر در ویژگی‌های آن می‌شود. این انعطاف‌پذیری در ویژگی‌ها شیشه را به یک ماده چندکاره تبدیل می‌کند، به ویژه وقتی که به ساخت لیزه‌های نوری با ویژگی‌های عملکردی خاص می‌پردازیم.

مزایای لیزه نوری

• انتقال سیگنال با مقاومت در برابر تحریف: لیزه‌های نوری انتقال موج‌های نوری را تسهیل می‌کنند و امکان می‌دهند سیگنال‌ها با مقاومت قابل توجهی در برابر تحریف منتقل شوند. این امر اطمینان می‌دهد که تمامیت اطلاعات منتقل شده حتی در مسافت‌های طولانی نیز حفظ می‌شود.

• ارتباط امن و طولانی مدت: این لیزه‌ها روشی امن برای انتقال داده در مسافت‌های طولانی فراهم می‌کنند. طبیعت انتقال موج‌های نوری در لیزه سیگنال را محصور می‌کند و خطر مداخله و تداخل را کاهش می‌دهد و آن را برای کاربردهایی که امنیت داده‌ها بسیار مهم است، مناسب می‌کند.

• عمر مفید طولانی: نسبت به سایر انواع کابل‌های انتقال، لیزه‌های نوری عمر مفید بسیار طولانی‌تری دارند. دوام و مقاومت آن‌ها در برابر سایش و تخریب به توانایی آن‌ها در حفظ عملکرد قابل اعتماد در طول مدت طولانی کمک می‌کند و نیاز به تعویض‌های مکرر را کاهش می‌دهد.

معایب لیزه نوری

• هزینه‌های بالای نصب و نگهداری: نصب اولیه و نگهداری مداوم سیستم‌های لیزه نوری می‌تواند نسبتاً گران باشد. این شامل هزینه تجهیزات تخصصی، کارگران ماهر برای نصب و نگهداری مداوم برای اطمینان از عملکرد بهینه است.

• آسیب‌پذیری نسبت به عوامل محیطی: به دلیل طبیعت شکننده‌ی لیزه‌های نوری، نیاز به محافظت افزوده از شرایط محیطی وجود دارد. مواجهه با تنش‌های فیزیکی، دماهای شدید، رطوبت و سایر عوامل محیطی می‌تواند لیزه‌ها را آسیب ببیند و انتقال سیگنال را مختل کند.

• نیاز به تقویت‌کننده‌ها: در حالی که لیزه‌های نوری می‌توانند سیگنال‌ها را در مسافت‌های طولانی با حداقل تحریف منتقل کنند، اغلب نیاز به استفاده از تقویت‌کننده‌ها در طول انتقال سیگنال وجود دارد. این تقویت‌کننده‌ها سیگنال را تقویت و تجدید می‌کنند تا برای هرگونه تضعیفی که در طول مسافت رخ می‌دهد جبران کنند، این امر موجب پیچیدگی و هزینه بیشتر کل سیستم می‌شود.

لیزه‌های نوری معمولاً از سیلیکا ساخته می‌شوند به دلیل ویژگی‌های عملکردی برتر آن. سیلیکا یک ماده شیمیایی پایدار است که امکان می‌دهد در شرایط محیطی سخت بدون تخریب قابل توجهی مقاومت کند. پایداری و ویژگی‌های نوری آن آن را به ماده منتخب برای کاربردهای ارتباطات نوری تبدیل می‌کند و اطمینان می‌دهد که انتقال سیگنال به طور قابل اعتماد و کارآمد انجام شود.