مسیر انتشار نور را هر چقدر خواستید خم کنید!

بازتابش کلی (انتشار نور در موجبرها و فیبر نوری)

مقدمه:

موجبر مسطح یا کانالی، یک سطح تخت شفاف با مقطع مربعی یا مستطیلی و محیطی برای انتقال یا انتشار نور است، بطوریکه پرتو نور با بازتاب‌های کلی از سطح بالا و پایین، می‌تواند انتشار پیدا کند. فیبر نوری نیز نوعی موجبر با مقطع دایره‌ای است. در هر محیط شفاف و باریک با مقطع دایره یا هر شکل دیگر اثر بازتاب کلی را می‌بینید. مثلا اگر یک میله چسب حرارتی که استفاده نشده است را جلوی نور بگیرید، با خم کردن آن می‌بینید انتهای میله روشن می‌ماند. ممکن است فیبر نوری را در برخی اقلام تزیینی که نورهای رنگی از انتها به آن تابانده شده و نوک رشته‌های شیشه‌ای روشن می‌گردد، دیده باشید ولی بیشترین کاربرد فیبر نوری یا تار نوری در مخابرات نوری برای انتقال اطلاعات است که جایگزین سیم می‌شود. فیبرهای نوری از جنس یک ماده شفاف شیشه‌ای یا پلاستیکی ساخته می‌شوند که نور در آن‌ها بر اساس بازتاب کلی منتشر می‌شود و به دلیل نازک و قابل انعطاف بودن فیبر، می‌تواند در طول مسیر با فیبر خم شود. نازک بودن فیبر نوری، باعث انعطاف بیشتر آن می‌شود بطوریکه مثل یک رشته نخ می‌تواند دور یک قرقره به سادگی پیچیده شود. فیبر نوری متداولی که برای انتقال اطلاعات بین دستگاه‌هایی مثل ویدئو در دسترس است، اصطلاحا فیبر چند مدی گفته می‌شود و فیبر مخابراتی معمولا فیبر تک مدی است. یکی از پیچیدگی‌ها در فیبر نوری به خصوص فیبرهای مخابراتی وارد کردن نور به درون فیبر نوری بدون اتلاف نور است. در دستگاه‌های لیزری دیگر مثل لیزرهای پزشکی نیز فیبر نوری برای انتقال نور به موضع، استفاده می‌شود که جراح یا پزشک به جای حمل لیزر، فیبر را به سادگی مثل چاقوی جراحی استفاده می‌کند. چنین فیبرهایی باید امکان انتقال توان بالای لیزر را داشته باشند.

فیبر نوری علاوه بر انتقال نور برای روشنایی یا انتقال نور لیزر برای هرگونه عملیات، قادر به انتقال اطلاعات نیز هستند که مخابرات نوری یا پورت‌های نوری دستگاه‌های صوتی و تصویری از اینگونه هستند. گاهی اوقات از فیبر نوری برای انتقال مستقیم تصویر نیز استفاده می‌شود که در آندوسکوپ‌ها شاهد آن هستیم. در آندوسکوپ‌ها هر رشته فیبر نوری، یک نقطه تصویر را به سمت دیگر منتقل می‌کند تا کل تصویر منتقل شود که کاربردهای فراوان در پزشکی و صنعت دارند. علاوه بر این فیبرهای نوری برای حسگری به شکل‌های مختلف استفاده می‌شود که تنوع زیادی از حسگرهای فیبر نوری پارامترهای مختلف مثل فاصله، فشار، دما، محیط اطراف و … را می‌تواند حسگری کند.

 

هدف:

در این آزمایش قصد داریم با تاباندن نور به یک فیبر نوری، انتشار آن را مشاهده و بررسی نماییم.

 

چه کاری می‌خواهیم انجام دهیم و به چه لوازمی نیاز داریم:

برای مشاهده انتشار نور در فیبر نوری به اقلام زیر نیاز داریم:

 

آزمایش:

  • شیشه را همراستای افق، روی پایه مناسب گذاشته، به نحوی که لبه آن مقابل نور لیزر باشد.
  • لیزر را روشن کنید. خواهید دید که باریکه لیزر در امتداد شیشه منتشر شده و انتهای آن را روشن می‌کند.
  • حال زاویه شیشه را تغییر داده و آن را به صورت کج مقابل لیزر قرار دهید. این بار باریکه بطور کامل در امتداد شیشه دیده نمی‌شود اما باز هم انتهای شیشه روشن است. چرا؟

  • در اتاق تاریک می‌توانید بازتاب‌های متوالی نور لیزر در داخل شیشه را مشاهده کنید که فاصله آن‌ها به زاویه تابش لیزر به لبه موجبر بستگی دارد.
  • حال یک یا چند فیبر نوری را در مقابل لیزر قرار داده و آن را در جهات دلخواه انحنا دهید. چه میبینید؟

  • آیا می‌توانید با توجه به رابطه بازتابش داخلی این پدیده را توجیه کنید؟

 

آزمایش (پیشرفته‌تر):

  • فیبر را روی پایه‌ای نصب کنید و لیزر را مقابل آن قرار دهید. با تاباندن لیزر به فیبر شاهد روشن شدن طرف دیگر فیبر خواهید بود.
  • کاغذ سفیدی در طرف دیگر قرار دهید و شکل نور را روی کاغذ با تغییر شرایط فیبر مثل زاویه تابش، انحنای فیبر و تغییرات دیگر مشاهده کنید. در بهترین شرایط، نور روی کاغذ، یک دایره نورانی است که نتیجه نور خروجی از فیبر نوری به شکل یک مخروط نورانی به راس فیبر است.
  • یک عدسی در فاصله‌ای به اندازه فاصله کانونی، در مقابل نوک خروجی فیبر قرار دهید تا نور موازی شود. قطر نور موازی ایجاد شده به فاصله کانونی عدسی بستگی دارد. فکر می‌کنید زاویه مخروط به چه پارامتری بستگی دارد؟ قطعا این زاویه به خود فیبر بستگی دارد. قطر فیبر و ضریب شکست آن در زاویه مخروط اثر دارند. برای فیبرهای کوتاه چگونگی تابش نور به فیبر، نیز در شکل و زاویه مخروط خروجی اثر دارد.

موجبر تخت یک محیط شفاف نازک است که شباهت آن با فیبر نوری، چگونگی انتشار نور و تفاوت آن در شکل مقطع محیط انتشار است. با کمی دقت می‌توانید مسیر انتشار نور را در موجبر ببینید و با تغییر زاویه تابش شاهد تغییر مسیر انتشار و بازتاب‌های کلی متوالی باشید.

 

کاربرد:

  • فیبرهای نوری کاربردهای زیادی دارند که عمدتا به خاطر انعطاف دادن به مسیر رساندن نور به محل مورد نظر، فیلتر کردن نور و حذف تابش فروسرخ و فرابنفش، محصور کردن و در نتیجه محفوظ کردن نور ارسالی و این قبیل ویژگی‌ها است. از جمله کاربردهای فیبرهای نوری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

انتقال نور در پزشکی و صنعت، انتقال اطلاعات در مخابرات، انتقال تصاویر در پزشکی.

  • در کل کاربردهای فیبر نوری ممکن است انتقال نور برای رساندن نور به انتهای فیبر باشد که در آندوسکوپ‌ها برای نور رسانی و انتقال تصویر از طریق نوررسانی کاربرد دارد. همچنین کاربرد مهم دیگر فیبرهای نوری انتقال اطلاعات است که در مخابرات نوری و همینطور کنترل دستگاه‌ها کاربرد دارد. همینطور کاربرد مهم دیگر فیبر نوری که اخیرا مورد توجه زیادی قرار گرفته است، حسگرهای فیبر نوری است که نتیجه اثر عوامل بیرونی بر انتشار نور در فیبر است.

 

سؤال، پیشنهاد و نکته:

  • می‌توانید در مسیر فیبر نوری تغییری مثلا با تکان دادن فیبر یا خمش آن و یا حتی گرم کردن آن ایجاد کنید. خواهید دید که این تغییرات در خروجی فیبر نوری اثر دارند. اگر بتوانید این تغییر در خروجی را ثبت کنید، نوعی سنسور یا حسگر ساخته‌اید. می‌توانید درباره انواع پدیده‌هایی که می‌توان بدین طریق حسگر ساخت، فکر کنید.
  • راجع به ابزارهای مختلفی که از فیبر نوری درست شده است مانند اندوسکوپ، تصویربرداری اندوسکوپ و انتقال نور و انتقال اطلاعات فکر کنید و ببینید به چه نحوی می‌توانید از این ابزارها بسازید.
  • ساخت اندوسکوپ برای انتقال تصویر از اختراعات جالب بشر بوده است. راجع به این فکر کنید که چگونه می‌توانید از طریق رشته فیبر و از طریق بسته فیبر انتقال داد. دقت کنید که یک دسته فیبر برای اینکه بتواند تصویر را انتقال دهد، باید از هزارانرشته فیبر تشکیل شده باشد. و این هزاران رشته فیبر باید کاملا متناظر باشد به طوری که اگر تصویری در یک انتهای دسته فیبر ایجاد شد، باید عینا به انتهای فیبر منتقل شود و باید تصویر و شئ کاملا در دو سر فیبر متناظر باشد به عبارت دیگر هر نقطه در یک طرف فیبر در طرف دیگر متناظر داشته باشد. راجع به چگونگی ایجاد چنین دسته فیبری فکر کنید.
  • موجبرها در تکنولوژی جدید کاربرد فراوانی دارند، می‌توانید در مورد کاربرد این موجبرها فکر کنید. برای اطلاع مدارهای اپتیکی مجتمعی ایجادشده که تمام قطعات مثل لیزر کوپلر، آشکارساز و مدارهای تغییردهنده شرایط نور، روی آن حک شده که این‌ها بر روی موجبر ایجاد می‌شود. چنین مداراتی با مشابهت با مدارهای مجتمع الکتریکی، مدارهای مجتمع اپتیکی نامیده شده است. راجع به این مدارها و کاربرد آنها می‌توانید فکر کنید.

 

آزمایش‌های مرتبط:

 

بیشتر بدانید:

ارتباط با بخش

از متخصص نور بپرس

در این بخش می توانید سؤالات خود را در رابطه با نور و لیزر بپرسید تا متخصصین به آن‌ها پاسخ دهند

لینک ارتباط مستقیم با