ماذا تعرف عن إختراع الألياف الضوئية؟

[Mary Naeem]

ماذا تعرف عن إختراع الألياف الضوئية؟

يجب أن يكون الرومان سعداء بأنفسهم بشكل خاص في اليوم الذي إخترعوا فيه أنابيب الرصاص منذ حوالي 2000 عام، وفي النهاية، كان لديهم طريقة سهلة لنقل المياه من مكان إلى آخر، تخيل ما الذي سيصنعونه من كابلات الألياف الضوئية الحديثة (الأنابيب) التي يمكن أن تحمل مكالمات هاتفية ورسائل بريد إلكتروني في جميع أنحاء العالم في سبع الثانية.

ما هي الألياف الضوئية ؟

لقد اعتدنا على فكرة إنتقال المعلومات بطرق مختلفة، فعندما نتحدث في هاتف أرضي ينقل كبل سلكي الأصوات من صوتنا إلى مقبس في الحائط، حيث يأخذه كبل آخر إلى مقسم الهاتف المحلي، وتعمل الهواتف المحمولة بطريقة مختلفة، وتقوم بإرسال واستقبال المعلومات بإستخدام موجات الراديو غير المرئية، وهي تقنية تسمى اللاسلكي لأنها لا تستخدم الكابلات، والألياف الضوئية تعمل بطريقة ثالثة، حيث ترسل معلومات مشفرة في شعاع الضوء أسفل الزجاج أو الأنابيب البلاستيكية، وتم تطويرها في الأصل من أجل المناظير في الخمسينيات لمساعدة الأطباء على الرؤية داخل جسم الإنسان دون الحاجة إلى فتحه أولا، وفي الستينيات، اكتشف المهندسون طريقة لإستخدام نفس التقنية لإرسال المكالمات الهاتفية بسرعة الضوء (عادة ما يكون ذلك 186000 ميل أو 300000 كم في الثانية في الفضاء، ولكن تتباطأ إلى حوالي ثلثي هذه السرعة في كابل الألياف الضوئية ).

تكنولوجيا الألياف البصرية





يتكون كابل الألياف الضوئية من خيوط رقيقة للغاية من الزجاج أو البلاستيك تعرف بإسم الألياف الضوئية، ويمكن أن يحتوي كبل واحد على أقل من خيطين أو عدة مئات، ويبلغ سمك كل حبل أقل من عشر سمك الشعر البشري ويمكنه حمل ما يقرب من 25000 مكالمة هاتفية، ولذلك يمكن لكابل الألياف الضوئية بأكمله إجراء عدة ملايين من المكالمات بسهولة.

تنقل كابلات الألياف الضوئية المعلومات بين مكانين بإستخدام تقنية ضوئية بالكامل (تعتمد على الضوء)، فيمكنك إرسال معلومات من جهاز الكمبيوتر الخاص بك إلى منزل أحد الأصدقاء في الشارع بإستخدام الألياف الضوئية، ويمكنك توصيل جهاز الكمبيوتر الخاص بك بالليزر مما يحول المعلومات الكهربائية من الكمبيوتر إلى سلسلة من نبضات الضوء، ثم تقوم بإطلاق الليزر أسفل كابل الألياف الضوئية، وبعد الإنتقال إلى أسفل الكابل، ستظهر أشعة الضوء في الطرف الآخر، وسوف يحتاج صديقك إلى خلية كهروضوئية (مكون للكشف عن الضوء) لتحويل نبضات الضوء إلى معلومات كهربائية يمكن أن يفهمها جهاز الكمبيوتر الخاص به، ولذلك سيكون الجهاز بأكمله مثل إصدار أنيق عالي التقنية من نوع الهاتف الذي يمكنك صنعه من العلب والسلسلة.

كيف تعمل الألياف الضوئية

ينتقل الضوء أسفل كابل الألياف الضوئية عن طريق إرتدادات مرارا وتكرارا خارج الجدار، وكل الفوتونات الصغيرة (جزيئات الضوء) ترتدد أسفل الأنبوب مثل الزلاجة التي تسير في طريق جليدي، والآن قد تتوقع شعاع من الضوء تنتقل في أنبوب زجاجي شفاف لمجرد التسرب من الحواف، ولكن إذا أصاب الضوء الزجاج بزاوية ضحلة (أقل من 42 درجة) فهذا يعكس مرة أخرى كما لو كان الزجاج مرآة بالفعل، وتسمى هذه الظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي، وهي أحد الأشياء التي تبقي الضوء داخل الأنبوب.

الشيء الآخر الذي يبقي الضوء في الأنبوب هو هيكل الكابل، الذي يتكون من جزأين منفصلين، ويطلق على الجزء الرئيسي من الكبل في الوسط اللب وهذا هو الشيء الذي ينتقل فيه الضوء، ويلف حول الجزء الخارجي من اللب طبقة أخرى من الزجاج تسمى الكسوة، ووظيفة الكسوة هي الحفاظ على إشارات الضوء داخل اللب، ويمكن أن يفعل هذا لأنه مصنوع من نوع مختلف من الزجاج حتى اللب، (من الناحية الفنية، فإن الكسوة لديها مؤشر إنكسار أقل).

أنواع كابلات الألياف الضوئية






تحمل الألياف الضوئية إشارات ضوئية عليها في ما يطلق عليه أوضاع، وهذا يبدو تقنيا ولكنه يعني طرقا مختلفة للتنقل، والوضع ببساطة هو المسار الذي تتبعه حزمة ضوئية أسفل الألياف، ووضع واحد هو الذهاب مباشرة أسفل منتصف الألياف، وآخر هو إرتداد الألياف أسفل زاوية ضحلة، وتتضمن الأوضاع الأخرى إرتداد الألياف في زوايا أخرى أكثر أو أقل حدة.

يسمى أبسط نوع من الألياف الضوئية أحادية الوضع، وقطرها نحيفا جدا يبلغ من 5 إلى 10 ميكرونات (المليون من المتر)، وفي الألياف أحادية الوضع تنتقل جميع الإشارات مباشرة إلى أسفل الوسط دون الارتداد عن الحواف، ويتم عادة توصيل التليفزيون الكبلي والإنترنت وإشارات الهاتف بألياف أحادية الوضع، ملفوفة معا في حزمة ضخمة، ويمكن للكابلات مثل هذه إرسال معلومات أكثر من 100 كيلومتر (60 ميلا).

يسمى نوع آخر من كبلات الألياف الضوئية بالوضع المتعدد، وكل ليفة ضوئية في كابل متعدد الأوضاع أكبر بحوالي 10 مرات من واحد في كابل أحادي الوضع، ووهذا يعني أن الحزم الضوئية يمكن أن تنتقل عبر اللب باتباع مجموعة متنوعة من المسارات المختلفة (خطوط صفراء وبرتقالية وزرقاء وسماوية) بعبارة أخرى في أوضاع مختلفة متعددة، ويمكن للكابلات متعددة الأوضاع إرسال المعلومات فقط عبر مسافات قصيرة نسبيا وتستخدم (من بين أشياء أخرى) لربط شبكات الكمبيوتر معا.

يتم استخدام ألياف أكثر سمكا في أداة طبية تسمى المنظار (نوع من التنظير الداخلي)، والتي يسقطها الأطباء في الحلق لشخص ما للكشف عن الأمراض داخل المعدة، والمنظار عبارة عن كابل سميك من الألياف البصرية يتكون من العديد من الألياف الضوئية، وفي الطرف العلوي من المعدة هناك عدسة ومصباح، ويضيء المصباح ضوءه أسفل جزء من الكابل إلى معدة المريض، وعندما يصل الضوء إلى المعدة فإنه ينعكس من جدران المعدة إلى عدسة في أسفل الكابل، ثم ينتقل إلى الجزء الآخر من الكبل في عدسة الطبيب، وهناك أنواع أخرى من المناظير تعمل بنفس الطريقة ويمكن استخدامها لفحص أجزاء مختلفة من الجسم، وهناك أيضا إصدار صناعي للأداة، يطلق عليه الألياف الضوئية، والذي يمكن استخدامه لفحص أشياء مثل قطع الآلات التي يتعذر الوصول إليها في محركات الطائرات.

إستخدامات الألياف الضوئية

إن إطلاق الضوء على أنبوب يبدو كأنه خدعة علمية أنيقة، وقد لا تعتقد أنه سيكون هناك العديد من التطبيقات العملية لشيء من هذا القبيل، ولكن مثلما يمكن للكهرباء تشغيل أنواع كثيرة من الآلات، يمكن أن تحمل حزم الضوء أنواعا عديدة من المعلومات، بحيث يمكنها مساعدتنا بعدة طرق، ولا نلاحظ فقط كيف أصبحت كابلات الألياف الضوئية الشائعة لأن الإشارات التي تعمل بالليزر التي تحملها تومض بعيدا عن أقدامنا، عميقا تحت أرضيات المكاتب وشوارع المدينة، والتقنيات التي تستخدمها شبكات الكمبيوتر والإذاعة والمسح الطبي والمعدات العسكرية (على سبيل المثال لا الحصر) غير مرئية تماما.

استخدام الألياف الضوئية في الطب

كانت الأدوات الطبية التي يمكن أن تساعد الأطباء في النظرة داخل أجسادنا دون فتح أول تطبيق مناسب خاص بالألياف الضوئية منذ أكثر من نصف قرن، واليوم، منظار المعدة لا تقل أهمية عن أي وقت مضى، ولكن الألياف الضوئية تواصل إنتاج أشكال جديدة مهمة من الفحص الطبي والتشخيص.

واحد من أحدث التطورات يسمى المختبر الموجود على الألياف، ويشمل إدخال كبلات الألياف البصرية رقيقة الشعر، مع أجهزة استشعار مدمجة في جسم المريض، وهذه الأنواع من الألياف تشبه في القياس تلك الموجودة في كابلات الاتصالات وأرق من أداة الضوء الموجهة المستخدمة في المنظار، حيث ينطلق الضوء من خلال المصباح أو الليزر عبر الجزء من الجسم الذي يرغب الطبيب في دراسته، وعندما ينطلق الضوء من خلال الألياف يغير جسم المريض خصائصه بطريقة معينة (ربما يغير شدة الضوء أو الطول الموجي قليلا)، وعن طريق قياس الطريقة التي يتغير بها الضوء (باستخدام تقنيات مثل التداخل)، يمكن للأداة الملحقة بالطرف الآخر من الألياف قياس بعض الجوانب الحاسمة في كيفية عمل جسم المريض مثل درجة حرارة الجسم وضغط الدم ودرجة الحموضة في الخلية أو وجود الأدوية في مجرى الدم، وبمعنى آخر بدلا من مجرد استخدام الضوء لرؤية داخل جسم المريض، يستخدم هذا النوع من كبلات الألياف الضوئية الضوء لإستشعاره أو قياسه بدلا من ذلك.

استخدام الجيش الألياف الضوئية





من السهل تصور مستخدمي الإنترنت المرتبطين معا بشبكات عملاقة من كابلات الألياف الضوئية، وإنه أقل وضوحا أن القوات العسكرية عالية التقنية في العالم مرتبطة بنفس الطريقة، وكابلات الألياف الضوئية غير مكلفة، ورقيقة، وخفيفة الوزن، وعالية السعة، وقوية ضد الهجوم، وآمنة للغاية، ولذلك فهي توفر طرقا مثالية لربط القواعد العسكرية وغيرها من المنشآت، مثل مواقع إطلاق الصواريخ ومحطات تتبع الرادار، ونظرا لأنها لا تحمل إشارات كهربائية، فإنها لا تعطي الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمكن للعدو اكتشافه، كما أنه قوي ضد التداخل الكهرومغناطيسي (بما في ذلك هجمات التشويش المنتظم للعدو).

وفائدة أخرى هي الوزن الخفيف نسبيا للكابلات الليفية مقارنة بالأسلاك التقليدية المصنوعة من المعدن النحاسي المرهق والمكلف، وتتحول الدبابات والطائرات العسكرية والمروحيات جميعها ببطء من الكابلات المعدنية إلى الكابلات الضوئية، وإن الأمر يتعلق جزئيا بتخفيض التكاليف وتوفير الوزن (تزن كابلات الألياف الضوئية حوالي 90٪ تقريبا مقارنة بالكابلات النحاسية المماثلة الزوج الملتوي)، ولكنه يحسن أيضا الدقة، على سبيل المثال ، على عكس الكابلات التقليدية على متن طائرة والتي يجب حمايتها بعناية لحمايتها من الصواعق فإن الألياف الضوئية محصنة تمامًا عن هذا النوع من المشاكل.