طیف الکترومغناطیسی نور

طیف الکترومغناطیسی نور، نور همانند اشکال مختلف امواج رادیویی، رادار، سیگنال های تلویزیونی و رادیویی، اشعه ایکس و پالس های دیجیتال الکترونیکی، انرژی الکترومغناطیسی می باشد. انرژی الکترومغناطیسی انرژی تابشی می باشد که در فضا (خلاء) با سرعتی در حدود 300,000 کیلومتر بر ثانیه یا 186,000 مایل بر ثانیه حرکت می نماید. یک موج الکترومغناطیسی از نوسان میدان های الکتریکی و مغناطیسی در زوایای قائم به یکدیگر و در جهت انتشار تشکیل شده است. بنابراین، یک موج الکترومغناطیسی معمولاً به صورت یک موج سینوسی نشان داده می شود، همانطور که در شکل 1.1 نشان داده شده است. شکل همچنین، جهت انتشار را نشان می دهد. به عبارتی جهتی که موج در آن حرکت می نماید. میدان مغناطیسی در جهت عمودی تغییر می کند، همانطور که توسط موج سایه دار نشان داده شده است. توجه داشته باشید که امواج الکتریکی و مغناطیسی به یک اندازه تغییر می کنند.

فهرست مطالب

1. طیف الکترومغناطیسی نور
   1. طول موج
   2. طیف Spectrum
   3. امواج و ذرات
   4. فوتون
   5. پرتوهای نور
   6. انعکاس و شکست
   7. بازتاب های فرنل
   8. قانون اسنل

تمایز اصلی بین امواج مختلف در فرکانس و طول موج آنها نهفته است. فرکانس تعداد سیکل های موج سینوسی در ثانیه را مشخص می نماید و بر حسب هرتز بیان می شود. طول موج فاصله بین نقاط مشابه در دو موج متوالی است (یا فاصله ای است که یک موج در یک سیکل طی می نماید). طول موج و فرکانس با هم مرتبط می باشند. طول موج (لامبدا و یا لاندا) برابر است با سرعت موج (v) تقسیم بر فرکانس آن (f):

در هوا ویا خلاء، سرعت موج الکترومغناطیسی سرعت نور است.

معادله به وضوح نشان می دهد که هر چه فرکانس بالاتر باشد، طول موج کوتاه تر است. به عنوان مثال، الکتریسته با فرکانس 60 هرتز به مشترکین خانگی تحویل داده می شود که دارای طول موج ای برابر 4988 کیلومتر می باشد. یک سیگنال 55.25 مگاهرتز، که تصویر را برای شبکه 2 سیما حمل می نماید، دارای طول موجی برابر 28.64 کیلومتر است. ژرفای نور قرمز دارای فرکانسی معادل 430 THz تراهرتز برابر (430x 10¹² Hz) و طول موجی معادل 700 نانومتر (نانومتر یا میلیاردم متر) می باشد.

در الکترونیک معمولاً از منظر فرکانس صحبت می گردد. اما در فیبر نوری، نور ما با طول موج سر و کار خواهیم داشت. البته باید توجه داشت که فرکانس و طول موج رابطه معکوس دارند.

طیف الکترومغناطیسی نور

انرژی الکترومغناطیسی در یک طیف پیوسته از فرکانس ها از انرژی فرو صوت از طریق امواج رادیویی، ، امواج مایکروویو، پرتوهای γ (گاما) و فراتر از آن وجود دارد. (انرژی الکترومغناطیسی در محدوده فرو صوت طیف وجود دارد؛ با این حال صدا به خودی خود انرژی الکترومغناطیسی نیست، بلکه ارتعاش مولکول های هوا می باشد.) شکل 1.2 طیف الکترومغناطیس را نشان می دهد. توجه داشته باشید که فرکانس‌های رادیویی که بیشتر جهت ارتباطات استفاده می‌شوند بسیار کمتر از فرکانس‌های نوری می باشند.

بنابراین، نور انرژی الکترومغناطیسی با فرکانس بالاتر و طول موج کوتاه‌تر از امواج رادیویی است. شکل همچنین نشان می‌دهد که نور مرئی که می‌بینیم تنها بخش کوچکی از طیف نوری می باشد. نور مرئی دارای طول موج‌هایی از 380 نانومتر برای فرا بنفش تا 750 نانومتر برای فرو سرخ می باشد. نور مادون قرمز طول موج‌های بلندتری (فرکانس‌های پایین‌تر) نسبت به نور مرئی دارد، در حالی که نور فرابنفش کوتاه‌تر است. اکثر سیستم های فیبر نوری از نور مادون قرمز بین 800 تا 1500 نانومتر استفاده می کنند چراکه فیبرهای نوری شیشه ای نور مادون قرمز را با کارایی بیشتری نسبت به نور مرئی منتقل می نمایند.

فرکانس های بالای نور، آن را مورد توجه مهندسان ارتباطات قرار داده است. یک موج حامل با فرکانس بالاتر به معنای ظرفیت حمل اطلاعات بیشتر است. فیبر نوری روشی برای استفاده از این پتانسیل انتقال اطلاعات نور می باشد.

امواج و ذرات

تا به اینجا، نور به عنوان یک موج الکترومغناطیسی نوسانی تعریف گردید  که در فضا، بدون مکان مشخص و مجزا پراکنده شده است. زمانی فیزیکدانان تمامی مواد را به امواج و ذرات تقسیم می نمودند. ما معمولاً نور را موج و الکترون را ذره می‌دانیم. با این حال فیزیکدانان امروزی نشان داده اند که این تمایز وجود ندارد. نور و الکترون ها هر دو ویژگی های موجی و ذره مانند از خود نشان می دهند.

فوتون

یک ذره نور فوتون (photon) نامیده می شود که در واقع یک کوانتوم یا دسته ای از انرژی است. یک کوانتوم در واحدهای گسسته ثابت انرژی وجود دارد – شما نمی توانید نیم کوانتوم یا 5.33 کوانتوم داشته باشید. مقدار انرژی جذب شده در یک فوتون به فرکانس آن بستگی دارد. مقدار انرژی با افزایش فرکانس افزایش می یابد: فرکانس بالاتر به معنای انرژی بیشتر است. طول موج های نور بنفش نسبت به نور قرمز انرژی بیشتری دارند چراکه فرکانس های بالاتری را دارا می باشند. انرژی E بر حسب وات، موجود در فوتون به شکل زیر محاسبه می گردد.

که در آن f فرکانس و h ثابت پلانک (Planck’s) است که معادل 6.63×10^-34 J-s (ژول- ثانیه)  می باشد. ثابت پلانک سطح پایه انرژی در یک کوانتوم انرژی است که به عنوان یک عامل تبدیل بین فرکانس و انرژی فوتون عمل می نماید. معادله به وضوح نشان می دهد که تفاوت در انرژی فوتون کاملاً تابع فرکانس (ویا طول موج) است. انرژی فوتون متناسب با فرکانس است. فوتون کوانتومی از انرژی نور hf یا فرکانس در ثابت پلانک می باشد.

در اینجا چند سطح انرژی تقریبی برای طول موج های مختلف فرکانس بالا آورده شده است. توجه داشته باشید که هر چه فرکانس بالاتر باشد، انرژی بیشتری در کوانتوم موجود است.

فوتون یک ذره بسیار غیرعادی است،  به این دلیل که جرم ساکن آن صفر است. چنانچه در حال حرکت نباشد وجود ندارد! با توجه به این نظر، فوتون یک ذره به شمار نمی آید، به عنوان مثال، سنگ مرمر، سنگ، یا قطرات جوهر ذرات هستند. میتوان افزود که فوتون یک بسته انرژی است که مانند یک ذره عمل می کند.

تلقی نور به عنوان موج و ذره به بررسی دقیق تر فیبر نوری کمک می نماید. در واقع ما میتوان با توجه به نیاز خود به راحتی بین این دو ویژگی نور انتخاب و تعویض نماییم. به عنوان مثال، بسیاری از ویژگی های فیبرهای نوری با طول موج تغییر می کند، به همین دلیل از تعریف موج در فیبر نوری استفاده می شود. از سوی دیگر، انتشار نور توسط یک منبع ویا جذب آن به واسطه آشکارساز به بهترین وجه توسط نظریه ذرات قابل توصیف می باشد. تعریف یک آشکارساز از برخورد فوتون های نوری به آشکارساز (detector) و جذب شدن آنها صحبت می نماید که این جذب، انرژی لازم برای تنظیم جریان الکترون ها را فراهم می سازد. یک دیود ساطع کننده نوری (LED) به این جهت که الکترون های آن به شکل فوتون انرژی می دهند فعالیت می نماید. انرژی دقیق فوتون طول موج نور ساطع شده را تعیین می نماید.

پرتوهای نور 

ساده ترین روش جهت تصور نور در فیبر نوری، نظریه پرتو است. نور به عنوان یک پرتو ساده در نظر گرفته می شود که به شکل یک خط نشان داده می شود. یک فلش روی خط، جهت انتشار را نشان می دهد. حرکت نور از طریق سیستم فیبر نوری می تواند با هندسه ای به همین سادگی تحلیل شود. این رویکرد نه تنها تجزیه و تحلیل را ساده می سازد، بلکه عملکرد یک فیبر نوری را نیز قابل درک می نماید.

اطلاعات بیشتر (لینک های مرتبط):

1. کل بازتاب داخلی نور
2. نویز – SNR و BER در فیبر نوری
3. سیگنال های آنالوگ و دیجیتال
   
4. فرکانس در فیبر نوری
   
5. طول موج در فیبر نوری
6. باند های طول موج
7. جذب نور “absorption”
8. فرمت های مدولاسیون

انعکاس و شکست

آنچه به طور معمول سرعت نور نامیده می شود در واقع سرعت انرژی الکترومغناطیسی در خلاء ،جایی مانند فضا می باشد. نور در مواد دیگر مانند شیشه با سرعت کمتری حرکت می کند. نوری که از یک ماده به ماده ای دیگر در حرکت است دچار تغییر سرعت می شود و به دلیل حرکت موج، نور جهت حرکت خود را تغییر می دهد. این انحراف نور را شکست refraction می نامند. علاوه بر این، طول موج های مختلف نور با سرعت های مختلف در یک ماده حرکت می کنند. تغییر سرعت همراه با طول موج نقش مهمی در فیبر نوری ایفا می نماید.

افرادی که ماهیگیری می کنند کاملاً با شکست نور آشنا هستند، چراکه شکست نور موقعیت ظاهری ماهی که در زیر آب در حرکت است را منحرف می نماید (شکل 1.3). چنانچه شخصی روی یک اسکله بایستد و مستقیماً به ماهی نگاه نماید، نور شکسته نمی شود و ماهی همان جایی می باشد که به نظر می رسد. اگر ماهی را با نگاه کردن به آب در یک زاویه مشاهده نمایید، شکست نور رخ می دهد. عاملی که از ماهی تا چشم به صورت خط مستقیم به نظر می رسد، در واقع خطی با یک خمیدگی (خم) است که در آن نور از آب به هوا عبور می کند و شکسته می شود. در نتیجه، ماهی در واقع عمیق تر از آنچه به نظر می رسد در ژرفای آب می باشد.

منشور در شکل 1.4 نیز شکست را نشان می دهد. نور سفیدی که وارد منشور می شود شامل همه رنگ ها است. منشور نور را شکست می دهد و با ورود به منشور سرعت آن نیز تغییر می نماید. از آنجا که هر رنگ یا فرکانس سرعت متفاوتی را شامل می شود، هر کدام به طور متفاوتی شکسته می شوند. نور قرمز کمترین انحراف را دارد و سریع‌ترین حرکت را دارا می باشد. نور بنفش بیشترین انحراف را دارد و کندترین حرکت را دارا می باشد. نور عبوری از منشور به رنگ‌های رنگین کمان تقسیم می‌شود. توجه داشته باشید که شکست در ورودی و خروجی منشور رخ می دهد.

ضریب یا شاخص شکست، که با n نشان داده می شود، عددی بدون بعد است که نسبت سرعت نور c در خلاء را به سرعت v در یک ماده خاص بیان می نماید:

جدول 1 برخی از شاخص های شکست را برای مواد انتخاب شده و همچنین سرعت تقریبی نور را در این مواد فهرست می نماید.

از مهمترین ویژگی های فیبر نوری این است که ضریب شکست شیشه را می توان با کنترل ترکیب آن تغییر داد. میزان شکست یک پرتو نور به ضریب شکست دو ماده بستگی دارد. با این حال قبل از بررسی مکانیک شکست، ابتدا بایستی برخی از اصطلاحات حیاتی برای بحث خود تعریف نماییم. شکل 1.5 چندین اصطلاح مهم برای درک نور و شکست آن را نشان می دهد.

1. Normal نرمال یک خط فرضی عمود بر سطح مشترک دو ماده می باشد.
2. زاویه تابش زاویه بین پرتو فرودی و خط نرمال است.
3. زاویه شکست زاویه بین پرتو شکسته شده و خط نرمال است.

نوری که از ضریب شکست پایین‌تر به ضریب شکست بالاتر عبور می نماید، به سمت خط نرمال خم می‌شود. اما نوری که از یک ماده با ضریب شکست بالاتر به یک شاخص پایین تر می رود، از خط نرمال بازتات می شود، همانطور که در شکل 1.7 نشان داده شده است.  با افزایش زاویه تابش، زاویه شکست 90 درجه به خط نرمال نزدیک می شود. زاویه تابشی که زاویه شکست 90 درجه را ایجاد می نماید، زاویه بحرانی (critical angle) می باشد. چنانچه زاویه تابش از زاویه بحرانی بیشتر شود، نور به طور کامل به ماده اول بازتاب می شود بنابراین وارد ماده دوم نمی شود. زوایای تابش و انعکاس برابر است.

اطلاعات بیشتر (لینک های مرتبط):

1. بودجه افت
2. محاسبه افت توان فیبر نوری
3. پراکندگی در فیبر نوری
4. افت خمش

بازتاب های فرنل (FRESNEL REFLECTIONS)

حتی زمانی که نور از یک شاخص به شاخص دیگر عبور می نماید، همیشه بخش کوچکی به ماده اول بازتاب می شود. این بازتاب ها بازتاب فرنل نامیده می شوند. تفاوت بیشتر در شاخص های مواد منجر به بازتاب بیشتر نور می شود. بازتاب فرنل (ρ) در مرز بین هوا و سایر برابر است

بر اساس دسی بل، افت نور عبوری برابر است با

برای عبور نور از هوا به شیشه (با n = 1.5 برای شیشه)، بازتاب فرنل حدود 0.17 دسی بل می باشد. این میزان با تغییر ترکیب شیشه تا حدودی متفاوت خواهد بود. از آنجایی که چنین افتی هنگام ورود یا خروج نور از فیبر نوری رخ می دهد، افت نوری در اتصال یک فیبر به فیبر دیگر 0.34 دسی بل است. بازتاب فرنل زمانی اتفاق می‌افتد که نور از شکاف هوای مانده بین اتصال فیبر اول به فیبر دوم عبور می‌کند. بازتاب فرنل بدون توجه به ترتیب موادی که نور از آن عبور می کند یکسان است. به عبارت دیگر، بازتاب فرنل یکسان می باشد، چه نور از شیشه به هوا عبور نماید و یا از هوا به شیشه.

قانون اسنل Snell’s Law

قانون اسنل رابطه بین پرتوهای تابشی و شکسته را بیان می نماید:

جایی که θ₁ و θ₂ در شکل های 1.6 و  1.7 نشان داده شده اند.  قانون نشان می دهد که زاویه ها به ضریب شکست دو ماده بستگی دارد.

آکاهی از سه مقدار فرمول بالا به ما این امکان را می دهد که مجهول چهارم را از طریق معادله معکوس محاسبه نماییم.

زاویه بحرانی تابشی θ_c، که در آن θ₂ = 90° ، می باشد و θ_c برابر است با:

در زوایای بزرگتر از θ_c، نور منعکس می شود و با توجهبه اینکه نور بازتاب شده است به این معنی است که n1 و n2 برابر هستند (از آنجایی که شاخص شکست یکسانی دارند)، θ₁ و θ₂ نیز برابر هستند. زوایای برخورد و انعکاس برابر هستند. این اصول ساده شکست و انعکاس، اساس انتشار نور از طریق فیبر نوری را تشکیل می دهند.

مثال

شکل 1.8 نمونه ای از بازتاب را نشان می دهد که کاربرد عملی در فیبر نوری دارد. فرض نمایید ما دو لایه شیشه داریم، همانطور که در شکل  1.8Aنشان داده شده است. لایه اول، n₁، دارای ضریب شکست 1.48 است. لایه دوم n₂، با ضریب شکستی برابر 1.46. این مقادیر شاخص شکست برای فیبرهای نوری معمول هستند. با استفاده از قانون اسنل، می توانیم زاویه بحرانی را محاسبه کنیم:

نوری که به مرز بین n₁ و n₂ برخورد می نماید با زاویه ای بیشتر از 80.6 درجه از حالت عادی به n₁ منعکس می گردد. باز هم زاویه تابش برابر با زاویه بازتاب است.

شکل 1.8 B مثال را یک قدم جلوتر نشان می‌دهد. فرض کنید لایه سوم شیشه – با مشخصه n₃ و با ضریب شکست مشابه n₂ روی لایه n₁ قرار گرفته است. در واقع لایه n₁ بین لایه های n₂ و n₃ قرار گرفته است. ما دوباره همان شرایط مرزی قبلی را داریم. با این حال، پرتو منعکس شده اکنون به پرتو فرودی در مرز جدید تبدیل می شود. زاویه بحرانی 80.6 درجه باقی می ماند. بنابراین همه شرایط مانند بازتاب اول است. در نتیجه، نور دوباره به ماده اول منعکس می شود. نور منعکس شده از n₃ دوباره به پرتو فرودی برای n₂ تبدیل می شود. وضعیت به همین صورت ادامه میابد. در واقع ما توانستیم نور را بین دو لایه n₂ و n₃ به دام اندازیم. تا زمانی که زاویه تابش بیشتر از 80.6 درجه باشد، نور به بازتاب می یابد. به موجب قانون اسنل نشان می‌دهد که برای مثال ایده‌آل ما، همیشه این به دام اندازی نور صدق می کند. نور با بازتاب کامل درونی یا کل بازتاب داخلی (TOR) به حرکت در n₁ ادامه می‌دهد.

همین اصل عملکرد یک فیبر نوری را توضیح می دهد. تفاوت اصلی این است که فیبر از یک پیکربندی دایره ای استفاده می نماید، به طوری که n₂  به صورت دوار n₁ را احاطه می نماید.

نور انرژی الکترومغناطیسی با فرکانس بالاتر و طول موج کوتاهتر از امواج رادیویی است. توجه داشته باشید که انعکاس فرنل بدون توجه به زاویه تابش رخ می دهد و قانون اسنل رابطه بین نور تابیده شده و منعکس شده را توصیف می نماید.

آموزش شبکه