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

فناوری فیبر نوری در سال های اخیر تنها به شبکه های مخابراتی محدود نمانده و به یکی از مهم ترین زیرساخت های توسعه حسگرهای پیشرفته تبدیل شده است. امروزه بسیاری از سامانه های اندازه گیری دقیق در صنایع مختلف، از پزشکی و انرژی گرفته تا عمران و محیط زیست، بر پایه فیبرهای نوری طراحی می شوند.

فیبر نوری چگونه نور را هدایت می کند؟

فیبر نوری ساختاری استوانه ای 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 لایه ای قرار گرفته که ضریب شکست کمتری نسبت به هسته دارد. این اختلاف ضریب شکست باعث می شود 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 پدیده ای شناخته شده در فیزیک با عنوان بازتاب کلی داخلی انجام می شود. زمانی که نور با زاویه مناسب وارد هسته شود، بارها از مرز میان هسته و غلاف بازتاب پیدا می کند و انرژی آن در طول مسیر هدایت می شود. 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 می کنند تمام فیبرهای نوری عملکرد یکسانی دارند، در حالی که تفاوت در ساختار، جنس مواد و ابعاد هسته می تواند 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 می گذارند. به همین دلیل انتخاب فیبر مناسب، بخشی از فرآیند طراحی محسوب می شود و صرفا انتخاب یک مسیر انتقال نور نیست.

انواع فیبر نوری و کاربرد آن ها از دیدگاه دکتر آبنیکی

فیبرهای نوری تنها از نظر تعداد مدها با یکدیگر تفاوت ندارند. ساختار داخلی آن ها نیز بر عملکرد نهایی تاثیر قابل توجهی می گذارد.

• فیبر پله ای چندمد با هسته بزرگ، نصب ساده تر و هزینه کمتر دارد.
• فیبر تدریجی چندمد با تغییر تدریجی ضریب شکست، پاشندگی را کاهش می دهد.
• فیبر پله ای تک مد برای اندازه گیری های دقیق و مسیرهای طولانی طراحی شده است.

به اعتقاد دکتر آبنیکی، شناخت صحیح این تفاوت ها باعث می شود مهندسان بتوانند برای هر پروژه مناسب ترین گزینه را انتخاب کنند و از کاهش دقت اندازه گیری جلوگیری شود.

چه عواملی باعث کاهش کیفیت انتقال نور می شوند؟

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

دکتر علی اصغر آبنیکی توضیح می دهد که جذب نور توسط ناخالصی های موجود در شیشه، پراکندگی ناشی از ساختار میکروسکوپی فیبر و همچنین خم شدن بیش از حد کابل از مهم ترین عوامل ایجاد تلفات هستند. هر یک از این موارد می تواند دقت اندازه گیری را کاهش دهد و در طراحی سامانه های حساس باید به دقت کنترل شود.

به همین دلیل در پروژه های صنعتی، علاوه بر انتخاب نوع مناسب فیبر، نحوه نصب و نگهداری آن نیز اهمیت زیادی پیدا می کند.

پاشندگی چگونه بر عملکرد فیبر نوری تاثیر می گذارد؟

یکی دیگر از چالش های شناخته شده در فناوری فیبر نوری، پاشندگی است. این پدیده زمانی رخ می دهد که بخش های 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، می تواند باعث کاهش کیفیت اندازه گیری شود. به همین دلیل تولیدکنندگان فیبرهای نوری همواره تلاش می کنند با طراحی ساختارهای جدید، میزان پاشندگی را تا حد امکان کاهش دهند.

به گفته دکتر آبنیکی، انتخاب صحیح نوع فیبر می تواند 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 شبکه های مخابراتی برای تمام حسگرهای نوری نیز مناسب هستند؛ در حالی که این موضوع همیشه درست نیست.

امروزه برای بسیاری از کاربردهای تخصصی، فیبرهایی با ویژگی های اختصاصی طراحی شده اند که متناسب با شرایط کاری هر سامانه ساخته می شوند. این فیبرها می توانند حساسیت بیشتر، مقاومت بالاتر یا قابلیت عملکرد در طول موج های خاص را فراهم کنند.

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

فیبرهای ویژه چه کاربردی دارند؟

پیشرفت فناوری باعث شده نسل های 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 شده اند.

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

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

نسل جدید فیبرهای نوری چگونه طراحی شده اند؟

در سال های اخیر، توسعه فیبرهای بلور فوتونی نگاه تازه ای به طراحی حسگرهای نوری ایجاد کرده است. این فیبرها به جای ساختار متداول، دارای شبکه ای از حفره های میکروسکوپی هستند که نحوه هدایت نور را تغییر می دهد.

این فناوری علاوه بر کاهش برخی محدودیت های 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 سامانه ها 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 فناوری های نوین در سال های اخیر، فرصت های گسترده ای را برای طراحی نسل جدید حسگرهای فیبر نوری ایجاد کرده است. به گفته وی، شناخت ویژگی های هر نوع فیبر به مهندسان کمک می کند تا متناسب با نیاز هر پروژه، مناسب ترین گزینه را انتخاب کنند و به دقت بالاتری در اندازه گیری دست یابند.

جمع بندی دیدگاه های دکتر علی اصغر آبنیکی درباره آینده فناوری فیبر نوری

فیبر نوری امروز تنها یک بستر انتقال اطلاعات نیست، بلکه به یکی از مهم ترین اجزای فناوری های اندازه گیری و پایش هوشمند تبدیل شده است. از کاربردهای صنعتی و پزشکی گرفته تا زیرساخت های انرژی و محیط زیست، این فناوری نقش پررنگی در توسعه سامانه های دقیق ایفا می کند.

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

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