کل بازتاب داخلی نور در فیبر نوری

کل بازتاب داخلی نور در فیبر نوری، بازتابش داخلی نور و یا بازتاب داخلی کلی و یا کل بازتاب داخلی نور در فیبر نوری مکانیزیمی است که نور بواسطه آن در داخل فیبر نوری به انتهای فیبر می رسد. بدون فرایند بازتابش داخلی نور یا همان بازتاب داخلی کلی نور ، انتقال نور در فیبر نوری غیر ممکن است. همانطور که می دانید سرعت نور می تواند در محیط های متفاوت تغییر نماید و در واقع این سرعت به طول موج و ضریب شکست محیطی که از آن می گذرد بستگی دارد. همچنین می دانیم که هر چه ضریب شکست بیشتر باشد، نور کندتر حرکت می نماید. به عبارت دیگر، سرعت نور (c) در یک محیط با ضریب شکست آن نسبت معکوس دارد.

کل بازتاب داخلی نور

فهرست مطالب:

1. کل بازتاب داخلی نور
   1. ضریب شکست
      
   2. معادله NA
   3. زاویه برخورد
   4. بازتابش کلی داخلی
   5. محاسبه زوایه بحرانی

ضریب شکست مواد
این نکته بسیار پر اهمیت است که بتوانیم ضریب شکست نور را در مواد مختلف شناسایی نماییم. اندازه گیری ضریب شکست استاندارد در طول موج 589 نانومتر انجام می شود. ضریب شکست طول موج های نور بالاتر یا کمتر از 589 نانومتر کمی متفاوت خواهد بود. جدول زیر (جدول 1-1 ) سرعت نور و ضریب شکست را برای برخی از محیط های (مواد) رایج فهرست می نماید.

جدول A-1

معادله ضریب شکست نور

ضریب شکست یک مقدار نسبی است و بر اساس سرعت نور در خلاء سنجیده می شود که دارای ضریب شکست 1 است. به کمک معادله زیر می توانیم ضریب شکست را محاسبه نماییم.

که در آن n ضریب شکست ماده، c سرعت نور در خلاء و v سرعت نور در ماده است. بنابراین اگر نور از نظر تئوری از یک ماده با سرعت 230000 کیلومتر بر ثانیه عبور نماید، ضریب شکست ماده برابر است با

برای محاسبه مقدار شکستی که هنگام عبور نور از یک ماده به ماده دیگر رخ می دهد، به یک مدل و چند عبارت اساسی نیاز داریم. مدلی که در شکل 1-1 نشان داده شده است، عبور نور را از محیطی با ضریب شکست کمتر (n₁) به محیطی با ضریب شکست بالاتر (n₂) نشان می دهد. خط اتصال با یک خط افقی نشان داده می شود. یک مسیر عمود بر خط اتصال به عنوان خط عمود یا خط نرمال هندسی شناخته می شود. نوری که در امتداد خط نرمال حرکت می کند سرعت خود را تغییر می دهد اما جهت خود را تغییر نمی دهد.

زاویه برخورد نور

زاویه برخورد نور زاویه بین پرتو برخورد و خط نرمال را نشان می دهد. زاویه شکست نشان دهنده زاویه بین پرتو شکسته و خط نرمال است. توجه داشته باشید که مقدار کمی نور نیز از سطح مشترک با زاویه ای برابر با زاویه برخورد منعکس می شود.

اطلاعات بیشتر (لینک های مرتبط):

1. کابل فیبر نوری
2. انتخاب کابل فیبر
3. تفاوت فیبر مالتی مد و سینگل مد
4. تار فیبر نوری
5. تولید فیبر نوری
6. شعاع خمش کابل فیبر
7. دسته بندی کابل فیبر نوری
8. دسی بل dB
9. SNR-BER-نویز

بازتابش کلی داخلی

همانطور که بالا در شکل 1-1 مشاهده می نمایید، نوری که از یک محیط با ضریب شکست پایین تر به محیطی با  ضریب شکست بالاتر می رسد پس از عبور به سمت خط نرمال می شکند. زاویه شکست نور (θ₂) کوچکتر از زاویه برخورد نور (θ₁) می باشد. همانطور که در شکل 2-1 مشاهده می نماید، هنگامی که نور از یک محیط و یا ماده با ضریب شکست بالاتر به محیطی با ضریب شکست پایین تر میرسد و عبور می نماید، نور دورتر از خط نرمال می شکند.

ما می توانیم مقدار شکست نور را با استفاده از قوانین اسنل Snell’s محاسبه نماییم که رابطه بین نور فرودی و نور شکسته را نشان می دهد:

که در آن n₁  و n₂ مقادیر شاخص شکست مواد هستند، θ₁ زاویه برخورد نور و θ₂ زاویه شکست نور می باشد.

به یاد بیاورید که پدیده ای که انتقال فیبر نوری را ممکن می ساخت، بازتاب داخلی کل (TIR یا Total Internal Reflection)، توسط همان اصولی ایجاد می شود که باعث شکست نور می شود. در مورد  TIR، نور از یک محیط با ضریب شکست بالاتر به یک محیط با ضریب شکست کمتر با زاویه ای عبور می نماید که منجر به بازتاب کل نور می شود.

رخداد فوق بدین گونه می باشد که زاویه شکست نور جهت ایجاد این فرایند از 90 درجه بیشتر شده است. زاویه برخورد مورد نیاز جهت ایجاد یک زاویه شکست 90 درجه ای، زاویه بحرانی نامیده می شود. همانطور که پرتو برخوردی از خط نرمال هندسی به سمت زاویه بحرانی حرکت می نماید، انرژی کمتر و کمتری از پرتو برخوردی به پرتو شکسته منتقل می شود. در زاویه بحرانی، تمام انرژی پرتو برخوردی در امتداد سطح مشترک شکسته می شود. با توجه به اینکه زاویه برخورد نور بیش از 90 درجه است، همانطور که در شکل 3-1 نشان داده شده است، نور منعکس می شود.

معادله محاسبه زوایه بحرانی دو ماده

جهت یافتن زاویه بحرانی دو ماده، می‌توانیم از نسخه اصلاح شده استفاده معادله اسنل نماییم:

و یا :

جایی که θ_c زاویه شکست 90 درجه از خط نرمال ایجاد می نماید.

بنابراین اگر بخواهیم زاویه بحرانی فیبر نوری با ضریب شکست هسته n₁ = 1.5 و ضریب شکست روکش کلد Cladding  n₂ = 1.46 را بدانیم، معادله را به شکل زیر حل می نماییم:

بازتاب نور بیش از زاویه بحرانی

بنابر این، چنانچه نور با زاویه ای بیشتر از °76.7 درجه از هسته فیبر نوری عبور نماید، از سطح مشترک با روکش منعکس می شود. تا زمانی که خط اتصال موازی باقی بماند، نور همچنان در همان زاویه ای که در شکل نشان داده شده است به بازتابش ادامه می دهد.

کل بازتاب داخلی نور از یک منبع نقطه ای در شیشه برای همه زوایای تابش بزرگتر از زاویه بحرانی θ_c رخ می دهد. در زاویه بحرانی،  پرتوی شکسته در امتداد خط انتقال هوا و شیشه قرار می گیرد.

اطلاعات بیشتر (لینک های مرتبط):

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

نمایی از کل بازتابش داخلی در یک آکواریوم

کل بازتابش داخلی علاوه بر صنعت شبکه فیبر نوری، کاربردهای زیادی در فناوری پزشکی پیدا کرده است. به عنوان مثال، یک پزشک می تواند با عبور دادن دو تار نازک از فیبرهای نوری از دیواره قفسه سینه و داخل یک سرخرگ، داخل قلب و سرخرگ بیمار را مشاهده نماید. نور وارد شده در انتهای بیرونی یک بسته، تحت کل بازتابش داخلی مکرر درون فیبر منتشر می شود، به طوری که، حتی اگر یک فیبر مسیر منحنی را فراهم می نماید، بیشتر نور از انتهای دیگر خارج می شود و داخل سرخرگ را روشن می سازد. مقداری از نور منعکس شده از داخل، سپس به روشی مشابه به بسته دوم بازمی‌گردد تا تشخیص داده شود و به تصویری روی صفحه نمایشگر تبدیل شود تا پزشک آن را ببیند. سپس پزشک می تواند یک روش جراحی مانند قرار دادن استنت را انجام دهد.

در سال 1840، کولادون و بابینه Colladon and Babinet نشان دادند که نور درخشان را می توان از طریق جت های آب از طریق اصل کل بازتابش داخلی هدایت نمود.

مثال 1-1: زاویه بحرانی برای خط اتصال شیشه و هوا °0.7297 است. ضریب شکست شیشه را پیدا نمایید؟

ضریب شکست هوا نزدیک به یک است. از معادله (1.148)، داریم

sin 𝜙_c = n₂ ∕ n₁

با توجه به اینکه n₂ = 1 می باشد، ضریب شکست شیشه، n₁ است

n₁ =1∕sin 𝜙_c = 1.5

کابل های فیبر نوری

تجهیزات فیبر نوری