دکتر علی اصغر آبنیکی، پژوهشگر فناوری‌های نوری و متخصص سنسورهای فیبر نوری، معتقد است شناخت ساختار و ویژگی‌های انواع فیبرهای نوری، نخستین گام برای طراحی یک سامانه اندازه گیری دقیق و پایدار است. به گفته وی، هر نوع فیبر ویژگی‌های منحصر به فردی دارد و انتخاب نادرست آن می‌تواند عملکرد کل سیستم را تحت تاثیر قرار دهد.

فناوری فیبر نوری در سال‌های اخیر تنها به شبکه‌های مخابراتی محدود نمانده و به یکی از مهم‌ترین زیرساخت‌های توسعه حسگرهای پیشرفته تبدیل شده است. امروزه بسیاری از سامانه‌های اندازه گیری دقیق در صنایع مختلف، از پزشکی و انرژی گرفته تا عمران و محیط زیست، بر پایه فیبرهای نوری طراحی می‌شوند.

فیبر نوری چگونه نور را هدایت می‌کند؟

فیبر نوری ساختاری استوانه‌ای و بسیار ظریف دارد که از سه بخش اصلی تشکیل شده است؛ هسته، غلاف و پوشش محافظ. هسته وظیفه انتقال نور را بر عهده دارد و اطراف آن لایه‌ای قرار گرفته که ضریب شکست کمتری نسبت به هسته دارد. این اختلاف ضریب شکست باعث می‌شود نور در داخل هسته باقی بماند و بدون خروج از مسیر، تا انتهای فیبر حرکت کند.

از نظر دکتر علی اصغر آبنیکی این فرآیند بر پایه پدیده‌ای شناخته شده در فیزیک با عنوان بازتاب کلی داخلی انجام می‌شود. زمانی که نور با زاویه مناسب وارد هسته شود، بارها از مرز میان هسته و غلاف بازتاب پیدا می‌کند و انرژی آن در طول مسیر هدایت می‌شود. همین ویژگی، فیبر نوری را به بستری مناسب برای انتقال اطلاعات و همچنین ساخت حسگرهای دقیق تبدیل کرده است.

چرا شناخت ساختار فیبر نوری برای طراحی حسگرهای دقیق اهمیت دارد؟

به گفته دکتر علی اصغر آبنیکی، بسیاری تصور می‌کنند تمام فیبرهای نوری عملکرد یکسانی دارند، در حالی که تفاوت در ساختار، جنس مواد و ابعاد هسته می‌تواند رفتار نور را به طور کامل تغییر دهد.

در طراحی حسگرهای نوری، پارامترهایی مانند قطر هسته، ضریب شکست، طول موج کاری و میزان جذب نور، مستقیما روی دقت اندازه گیری تاثیر می‌گذارند. به همین دلیل انتخاب فیبر مناسب، بخشی از فرآیند طراحی محسوب می‌شود و صرفا انتخاب یک مسیر انتقال نور نیست.

انواع فیبر نوری و کاربرد آن‌ها از دیدگاه دکتر آبنیکی

فیبرهای نوری تنها از نظر تعداد مدها با یکدیگر تفاوت ندارند. ساختار داخلی آن‌ها نیز بر عملکرد نهایی تاثیر قابل توجهی می‌گذارد.

• فیبر پله‌ای چندمد با هسته بزرگ، نصب ساده‌تر و هزینه کمتر دارد.
• فیبر تدریجی چندمد با تغییر تدریجی ضریب شکست، پاشندگی را کاهش می‌دهد.
• فیبر پله‌ای تک مد برای اندازه گیری‌های دقیق و مسیرهای طولانی طراحی شده است.

به اعتقاد دکتر آبنیکی، شناخت صحیح این تفاوت‌ها باعث می‌شود مهندسان بتوانند برای هر پروژه مناسب‌ترین گزینه را انتخاب کنند و از کاهش دقت اندازه گیری جلوگیری شود.

چه عواملی باعث کاهش کیفیت انتقال نور می‌شوند؟

یکی از موضوعات مهم در عملکرد فیبرهای نوری، میزان تلفات نوری است. هیچ فیبری نمی‌تواند نور را بدون افت تا انتهای مسیر منتقل کند و همواره بخشی از انرژی در طول مسیر از بین می‌رود. البته میزان این افت به کیفیت ساخت فیبر، شرایط نصب و محیط استفاده بستگی دارد.

دکتر علی اصغر آبنیکی توضیح می‌دهد که جذب نور توسط ناخالصی‌های موجود در شیشه، پراکندگی ناشی از ساختار میکروسکوپی فیبر و همچنین خم شدن بیش از حد کابل از مهم‌ترین عوامل ایجاد تلفات هستند. هر یک از این موارد می‌تواند دقت اندازه گیری را کاهش دهد و در طراحی سامانه‌های حساس باید به دقت کنترل شود.

به همین دلیل در پروژه‌های صنعتی، علاوه بر انتخاب نوع مناسب فیبر، نحوه نصب و نگهداری آن نیز اهمیت زیادی پیدا می‌کند.

پاشندگی چگونه بر عملکرد فیبر نوری تاثیر می‌گذارد؟

یکی دیگر از چالش‌های شناخته شده در فناوری فیبر نوری، پاشندگی است. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که بخش‌های مختلف یک پالس نوری با سرعت یکسان حرکت نکنند و در پایان مسیر، سیگنال اولیه تغییر شکل پیدا کند.

این موضوع در کاربردهایی که دقت زمانی اهمیت بالایی دارد، می‌تواند باعث کاهش کیفیت اندازه گیری شود. به همین دلیل تولیدکنندگان فیبرهای نوری همواره تلاش می‌کنند با طراحی ساختارهای جدید، میزان پاشندگی را تا حد امکان کاهش دهند.

به گفته دکتر آبنیکی، انتخاب صحیح نوع فیبر می‌تواند تاثیر قابل توجهی در کنترل این پدیده داشته باشد و دقت نهایی سامانه را افزایش دهد.

از نگاه دکتر علی اصغر آبنیکی، هر فیبر نوری برای هر حسگری مناسب نیست

یکی از تصورهای رایج این است که همان فیبرهای مورد استفاده در شبکه‌های مخابراتی برای تمام حسگرهای نوری نیز مناسب هستند؛ در حالی که این موضوع همیشه درست نیست.

امروزه برای بسیاری از کاربردهای تخصصی، فیبرهایی با ویژگی‌های اختصاصی طراحی شده‌اند که متناسب با شرایط کاری هر سامانه ساخته می‌شوند. این فیبرها می‌توانند حساسیت بیشتر، مقاومت بالاتر یا قابلیت عملکرد در طول موج‌های خاص را فراهم کنند.

دکتر علی اصغر آبنیکی معتقد است انتخاب نوع فیبر باید متناسب با هدف پروژه انجام شود، زیرا حتی کوچک‌ترین تفاوت در مشخصات فنی می‌تواند نتیجه اندازه گیری را تحت تاثیر قرار دهد.

فیبرهای ویژه چه کاربردی دارند؟

پیشرفت فناوری باعث شده نسل‌های جدیدی از فیبرهای نوری برای کاربردهای خاص توسعه پیدا کنند. برخی از این فیبرها با افزودن عناصر ویژه به هسته، برای اندازه گیری دما یا پارامترهای شیمیایی طراحی شده‌اند.

گروه دیگری از فیبرها در محدوده مادون قرمز فعالیت می‌کنند و امکان تشخیص برخی گازها و ترکیبات شیمیایی را فراهم می‌سازند. همچنین در کاربردهایی مانند اندازه گیری میدان مغناطیسی، ولتاژهای بالا یا شرایط محیطی پیچیده نیز از فیبرهای اختصاصی استفاده می‌شود.

این تنوع نشان می‌دهد که فناوری فیبر نوری تنها به انتقال داده محدود نیست و امروزه به یکی از مهم‌ترین ابزارهای توسعه حسگرهای دقیق تبدیل شده است.

نسل جدید فیبرهای نوری چگونه طراحی شده‌اند؟

در سال‌های اخیر، توسعه فیبرهای بلور فوتونی نگاه تازه‌ای به طراحی حسگرهای نوری ایجاد کرده است. این فیبرها به جای ساختار متداول، دارای شبکه‌ای از حفره‌های میکروسکوپی هستند که نحوه هدایت نور را تغییر می‌دهد.

این فناوری علاوه بر کاهش برخی محدودیت‌های فیبرهای معمولی، امکان طراحی حسگرهایی با حساسیت بسیار بالا را فراهم کرده و در حوزه هایی مانند پایش گازها، تحقیقات علمی و تجهیزات پیشرفته اندازه گیری مورد توجه قرار گرفته است.

انتخاب صحیح فیبر، پایه موفقیت یک حسگر نوری است

عملکرد یک حسگر نوری تنها به مدارهای الکترونیکی یا نرم افزارهای پردازش داده وابسته نیست. بخش مهمی از دقت، پایداری و طول عمر این سامانه‌ها به انتخاب صحیح فیبر نوری بستگی دارد. نوع هسته، ساختار داخلی، میزان تلفات، پاشندگی و شرایط محیطی از جمله عواملی هستند که باید پیش از طراحی هر سامانه مورد بررسی قرار گیرند.

دکتر علی اصغر آبنیکی معتقد است توسعه فناوری‌های نوین در سال‌های اخیر، فرصت‌های گسترده‌ای را برای طراحی نسل جدید حسگرهای فیبر نوری ایجاد کرده است. به گفته وی، شناخت ویژگی‌های هر نوع فیبر به مهندسان کمک می‌کند تا متناسب با نیاز هر پروژه، مناسب‌ترین گزینه را انتخاب کنند و به دقت بالاتری در اندازه گیری دست یابند.

جمع بندی دیدگاه‌های دکتر علی اصغر آبنیکی درباره آینده فناوری فیبر نوری

فیبر نوری امروز تنها یک بستر انتقال اطلاعات نیست، بلکه به یکی از مهم‌ترین اجزای فناوری‌های اندازه گیری و پایش هوشمند تبدیل شده است. از کاربردهای صنعتی و پزشکی گرفته تا زیرساخت‌های انرژی و محیط زیست، این فناوری نقش پررنگی در توسعه سامانه‌های دقیق ایفا می‌کند.

به باور دکتر علی اصغر آبنیکی، توسعه نسل جدید فیبرهای نوری مسیر طراحی حسگرهای دقیق‌تر، ایمن‌تر و هوشمندتر را هموار خواهد کرد و این فناوری در سال‌های آینده نقش پررنگ تری در صنایع مختلف خواهد داشت.

برای مطالعه بیشتر درباره فناوری‌های فیبر نوری، فوتونیک و جدیدترین دستاوردهای این حوزه، می‌توانید به منابع علمی منتشر شده توسط انجمن بین المللی اپتیک و فوتونیک مراجعه کنید.