ضریب شکست فیبر نوری
مسلما عبارت ضریب شکست فیبر نوری برای اغلب شما دوستان عزیز فعال در حوزه‌ی فیبر نوری، واژه‌ی آشنایی است. اما شاید برایتان جالب باشد بدانید که این عبارت دقیقا بیانگر چه ویژگی‌ای در مواد مختلف، بالاخص در فیبر نوری است. ضریب شکست در واقع به معنی ضریب شکست نور هنگام عبور از ماده است. در این مقاله قصد داریم ماهیت نور و شکست آن در مواد مختلف و کاربرد این اتفاق در فیبر نوری را بررسی کنیم.
ضریب شکست فیبر نوری چیست
ضریب شکست فیبر نوری چیستضریب شکست فیبر نوری یا refractive index که آن را با نام اختصاری n می‌شناسند، مانند چگالی، نقطه ذوب و نقطه جوش یکی از ویژگی‌های فیزیکی ماده است. ضریب شکست در واقع مخفف ضریب شکست نور هنگام وارد شدن به یک ماده است. سرعت حرکت نور در مواد مختلف عامل ایجاد شکست نور است، از این رو ضریب شکست بیانگر سرعت حرکت نور در ماده است. آشنا ترین مثال برای درک مفهوم ضریب شکست مثال مداد در لیوان آب است. به خاطر داریم به علت تفاوت سرعت نور در آب، شیشه، و هوا، نوری که از مداد به ما می‌رسد شکسته شده و به طبع آن تصویر مداد دچار شکستگی می‌شود. این پدیده‌‌ی را با فرستادن نور لیزر از هوا به آب می‌توان بهتر درک کرد.
ضریب شکست فیبر نوری در واقع مقدار ثابتی است که بیانگر نسبت سرعت نور در خلا به سرعت نور در ماده‌ی مورد نظر اشاره می‌کند و با فرمول زیر قابل بیان است:
n= c / v
این مولفه می‌تواند سرعت و زوایه‌ی نور ورودی به ماده‌ی جدید را مطابق قانون اسنل مشخص کند.
قانون اسنل
مفهوم شکست نور برای اولین بار در قانون اسنل بیان شد. بر اساس قانون اسنل زاویهی نور عبوری از یک ماده به ماده‌ی دیگر با توجه به زاویهی تابش و ضریب شکست فیبر نوری دو محیط قابل اندازه‌گیری است:
sinθ۱n۱= sinθ۲n۲
در معادله‌ی بالا n۱ بیانگر ضریب شکست محیط اول، و n۲ بیانگر ضریب شکست محیط دوم است. در این مثال فرض بر این است که ضریب شکست محیط اول بالاتر از محیط دوم است، به عبارتی محیط اول از محیط دوم غلیظ‌تر است.
گاهی به دلیل ضریب شکست بالا یا زاویه تابش زیاد، هنگام تابش از محیط غلیظ (۱) به رقیق(۲)، به جای این که شکست نور اتفاق بیفتد، نور به طور کامل در محیط غلیظ بازتاب می‌شود، این پدیده را بازتاب کلی می‌نامند. زاویهی بحرانی زاویه‌ای است که بعد از آن بازتاب کلی اتفاق می‌افتد و تمام نور به محیط اول بازمی‌گردد. حال ببینیم چگونه از این قضیه در فیبرنوری استفاده می‌شود.
ارتباط فیبر نوری و ضریب شکست
فیبر نوری همانطور که از نامش پیداست انتقال اطلاعات را از طریق ارسال نور انجام می‌دهد. برای انتقال نور در مسافت‌های دور لازم است نور را در محفظه‌ای محبوس کرد و این کار با کمک اصل بازتاب کامل امکان‌پذیر است. برای دستیابی به بازتاب کامل لازم است نور با زاویهی خاصی از محیط غلیظ به محیط رقیق فرستاده شود، در این صورت تمام نور بازتاب شده و در داخل محیط اول می‌ماند. محیط انتقال در فیبر نوری یک هسته شیشه‌ای نازک است که با توسط پوشش با ضریب شکست فیبر نوری پایین‌تر احاطه شده است، در فیبر نوری هسته محیط غلیظ‌تر و پوشش محیط رقیق‌تر است.
ضریب شکست بالاتر هسته به این معنی است که می‌توان با تنظیم زاویه تابش و ضریب شکست دو محیط، به بازتاب کامل در داخل هسته دست یافت. نور فرستاده شده به داخل هسته، پس از برخورد به مرز بین هسته و پوشش بازتاب شده و به داخل هسته برمی‌گردد، این نور مجددا به دیواره‌ی روبرویی برخورد کرده و به هسته برمی‌گردد. این عمل بارها و بارها در طول هسته تکرار می‌شود و در نتیجه نور ورودی به طور کامل در هسته محبوس شده و تا انتهای فیبرنوری هدایت می‌شود. با این تفاسیر، می‌توان نور را تا مسافت‌های طولانی داخل فیبرنوری انتقال داد.
زوایه‌ی پذیرش
همانطور که بالاتر اشاره کردیم، انتقال نور در فیبر نوری زمانی اتفاق می‌افتد که نور با زاویهی خاصی، کمتر از زاویهی بحرانی، به داخل فیبر بتابد. این محدوده‌‌ی مجاز تابش نور را به نام مخروط یا زاویهی پذیرش (Acceptance angle) می‌شناسند. مخروط یا زاویهی پذیرش بیانگر محدوده‌ای است که اگر نور در این محدوده به فیبر بتابد، بازتاب کامل رخ داده و نور در فیبر منتقل می شود. در صورتی که زاویهی تابش نور درون مخروط پذیرش نباشد، عمل بازتاب کامل اتفاق نیفتاده و نور تابیده شده وارد پوشش می شود، در نتیجه انتقال در فیبرنوری صورت نمی‌گیرد. به بیان ساده تر مخروط پذیرش به ما می‌گوید نور با چه زاویه‌ای باید وارد فیبر شود تا در فیبر پذیرش شود و انتقال یابد.
با کمک قانون اسنل و محاسبات ساده‌ی مثلثاتی، فرمول محاسبه‌ی مخروط پذیرش مطابق زیر بدست می‌آید.
در این معادله n۱ یا nf ضریب شکست هسته و n2 یا nc ضریب شکست پوشش (cladding) است. n0 ضریب شکست هوا است که برابر با ۱ است. بخش داخل پرانتز که بیانگر رابطه ی بین ضریب شکست‌ها است را روزنه‌ی عددی (Numerical Aperture) می‌نامند و به اختصار با N.A نشان می‌دهند.
با توجه به معادلات بالا می‌بینید که ضریب شکست هسته و پوشش تاثیر مستقیمی روی مخروط پذیرش فیبر نوری می‌گذارد.
در نتیجه می‌توان نتیجه گرفت که ضریب شکست نقش کلیدی‌ای در انتقال نور توسط فیبر نوری دارد، چون بدون وجود اختلاف در ضریب شکست هسته و پوشش انتقال نور غیر ممکن خواهد بود.
