بسیاری از پلیمرها می توانند الیاف منظمی را تشکیل دهند، تا زمانی که نیروهای بین مولکولی خاصی بین زنجیرها ایجاد شوند و آنها را به شکل کریستالی در کنار هم نگه دارند. الیاف پلیمری مواد قوی با استحکام کششی عالی هستند .
در واقع فیبرهای نوری دارای پلیمرهایی در ترکیب خود هستند. با این حال، اصطلاح فیبر نوری چیزی در مورد پلیمرها به ما نمی گوید، بلکه در مورد دو لوله یا سیلندر شفاف و دی الکتریک که یکی دیگری را احاطه کرده است صحبت میکند.
عجیب به نظر می رسد؟ مگه نه؟؟؟؟
فیبرهای نوری هدایت کننده های نوری هستند که می توانند برای هدایت انرژی الکترومغناطیسی در طول موج های نوری استفاده شوند.
برای درک بهتر همه اینها، مروری بر فیزیک خواهیم داشت.
در دهه ۱۸۷۰، جان تیندال، دانشمند بریتانیایی، آزمایشی را انجام داد که در آن نور را با استفاده از یک جریان منحنی آب که از یک مخزن نورانی جاری می‌شد، هدایت می‌کرد.
بین سال‌های ۱۹۰۰ و ۱۹۳۰ آزمایش‌های متعددی به دنبال نمایش تیندال انجام شد. کشف شد که میله‌های شیشه‌ای نازک خم شده نه تنها می‌توانند نور را از خود عبور دهند، بلکه با استفاده از بسته‌ای از میله‌های شیشه‌ای (یا فیبرهای نوری، همانطور که بعداً نامیده می‌شوند) میتوان تصاویر کاملی را نیز حمل کنند.
خوب، درست است، این فقط انعکاس است، بازتاب داخلی کامل، زیرا دیواره‌های فیبر نازک مانند آینه‌هایی عمل می‌کردند که در آن نور وارد شده به آن را به جلو و عقب هدایت میکند.
نمونه های زیادی از بازتاب درونی کامل در زندگی روزمره خود داریم. در یک روز گرم و آفتابی در یک جاده صاف و آسفالتی انعکاس نور را باید از سطح جاده ببینید، گویی جاده به یک آینه تبدیل شده انعکاس به دلیل همان بازتاب داخلی نور است: اگر نور با زاویه کافی کم برخورد کند، نمی تواند به سطح نفوذ کند و فقط پرش می کند.
این انعکاس، که بر اساس قانون اسنل اداره می شود، به دلیل تفاوت بین ضریب شکست شیشه و هوا، که دومی کمترین مقدار را دارد، ممکن شده است.
در کاربردهای اولیه فیبرهای نوری تعدادی خطا وجود داشت :نور نمی توانست مسافت زیادی را طی کند و داده های ارسالی دچار تضعیف و مخدوش می شدند.
این به این دلیل بود که الیاف هیچ پوششی در اطراف خود نداشتند تا تفاوت در ضریب شکست را افزایش دهد. به همین دلیل، برای مثال، اگر چنین الیافی خیس می شدند، رابط شیشه-هوا ثابت نمی ماند و نحوه انعکاس نور در داخل تغییر می کرد.
فقط در اواسط دهه ۵۰، آبراهام ون هیل هلندی یک لایه پوششی را با یک استوانه شیشه ای دیگر، با ضریب شکست کمتر از وسط، طراحی کرد. به این ترتیب، انعکاس کل تحت تأثیر آب، خاک یا سایر آلودگی ها قرار نمی گیرد. در نهایت، یک لایه سوم اضافه شد تا از فیبر شیشه ای در برابر آسیب محافظت شود و کار با آن آسان تر شود.
حدس بزنید چه نوع ماده ای در این لایه سوم استفاده شده است؟
و فیبرنوری از چه چیزی ساخته شده است؟
یک استوانه داخلی با ضریب شکست بالا، به نام هسته.
یک استوانه میانی با ضریب شکست کمتر، به نام روکش.
یک لایه پلیمری محافظ بیرونی (معمولا پلی اورتان یا PVC) به نام ژاکت.
مواد مورد استفاده برای الیاف تجاری فعلی (هسته و روکش فلزی) شامل شیشه خالص (SiO2)، پلاستیک یا ترکیبی از هر دو است. استفاده از یک یا چند ماده با عواملی مانند کیفیت و اقتصادی تعیین می شود.
فیبرهای نوری پلاستیکی (POF) این مزیت را دارند که از مواد ارزان‌تر نسبت به شیشه ساخته شده‌اند .با این حال، آنها تلفات بالایی را نشان می دهند و به همین دلیل برنامه های کاربردی آنها محدود به انتقال فاصله کوتاه است. با وجود این، POF به طور گسترده برای ابزار پزشکی و صنعتی استفاده می شود و در حال حاضر تحقیقاتی در مورد استفاده از POF به عنوان جایگزین سیم کشی مسی برای انتقال داده در خودروها انجام می شود.
اگر از شیشه سیلیکا برای هسته استفاده شود، باید خلوص بالایی داشته باشد تا نور با کمترین تلفات در طول هسته منتقل شود.
برای سوال اول، یک واکنش شیمیایی وجود دارد که می توان از آن به جای ذوب شن، شیشه ساخت، در این حالت از گاز شروع کرده و برای انجام واکنش از گرما یا کاتالیزور استفاده می شود.
SiCl۴ + O۲ —- ——> SiO۲ + 2 Cl۲
برای دوم، با دانستن اینکه ضریب شکست هسته شیشه ای باید بالاتر از روکش باشد،
در این حالت مقداری ژرمانیوم (به عنوان گاز تتراکلرید ژرمانیوم) به شیشه سیلیس خالص اضافه می کنیم. ژرمانیوم که ۱۸ الکترون بیشتر از سیلیکون دارد، به عنوان یک ناخالصی عمل می کند. در نتیجه، ضریب شکست شیشه هسته افزایش می یابد، اگرچه میرایی تحت تأثیر قرار نمی گیرد. به همین ترتیب، می توانید کمی بور یا فلوئور اضافه کنید تا ضریب شکست شیشه روکشی را کاهش دهید. هر دو تفاوت در ضریب شکست را افزایش می دهند که شرط اصلی برای انتقال خوب نور است.
انواع مختلفی از الیاف بر اساس حالت های انتقال و نمایه ضریب شکست وجود دارد. ما در مورد آنها به تفصیل بحث نمی کنیم، اما مهم است که بدانیم طراحی یک فیبر نوری به نیازهایی که قرار است پاسخگو باشد بستگی دارد. پارامترهای کلیدی مانند کاهش، پهنای باند، پراکندگی و استحکام کششی بیشترین توجه را دارند.
همچنین محافظت از الیاف در برابر عوامل خارجی مانند رطوبت، گرما، سرما و آب در نظر گرفته شده است. به همین دلیل است که از غلاف های پلاستیکی در جایی که الیاف در آن محصور شده است استفاده می شود. کل مواد شامل فیبر منفرد یا بسته‌ای از الیاف، غلاف‌ها و ژاکت معمولاً به عنوان کابل فیبر نامیده می‌شود.
بدیهی است که این کابل ها باید الزاماتی مانند انعطاف پذیری بالا، مقاومت در برابر پیچ خوردگی و خرد شدن و وزن سبک را برآورده کنند.
پلیمر به انگلیسی: Polymer یک درشت‌مولکول است که از تعداد زیادی واحد کوچکتر به نام مونومر تشکیل شده‌است که به صورت زنجیره‌ای به هم متصل می‌شوند. هر دو پلیمر مصنوعی و پلیمر طبیعی نقش‌های اساسی و همه گیر را در زندگی روزمره ایفا می‌کنند.از مواد حاوی پلیمر میتوان به پشم،ابریشم،پنبه،نشاسته،سلولز موجود در خون اشاره کرد.
ضریب شکست (Refractive Index) یک ویژگی ماده است که به معنی نسبت سرعت نور در خلا به سرعت نور در آن ماده است. به عبارت دیگر، ضریب شکست یک ماده نشان می‌دهد نور در خلا چند برابر سریع‌تر از نور در آن ماده حرکت میکند.
