شرح مفصل لفقدان الامتصاص في مواد الألياف البصرية

تستطيع المواد المستخدمة في تصنيع الألياف البصرية امتصاص الطاقة الضوئية. بعد امتصاص الجسيمات الموجودة في هذه المواد للطاقة الضوئية، فإنها تُنتج اهتزازات وحرارة، وتُبدد الطاقة، مما يؤدي إلى فقدانها.ستتناول هذه المقالة تحليل فقدان الامتصاص في مواد الألياف البصرية.

نعلم أن المادة تتكون من ذرات وجزيئات، والذرات تتكون من نواة ذرية وإلكترونات خارج النواة تدور حولها في مدار محدد. وهذا يشبه دوران الأرض التي نعيش عليها، وكذلك كواكب مثل الزهرة والمريخ، حول الشمس. لكل إلكترون مقدار معين من الطاقة ويشغل مدارًا محددًا، أو بعبارة أخرى، لكل مدار مستوى طاقة محدد.

تكون مستويات الطاقة المدارية الأقرب إلى نواة الذرة أقل، بينما تكون مستويات الطاقة المدارية الأبعد عن نواة الذرة أعلى.يُطلق على مقدار فرق مستوى الطاقة بين المدارات اسم فرق مستوى الطاقة. عندما تنتقل الإلكترونات من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة عالٍ، فإنها تحتاج إلى امتصاص الطاقة عند فرق مستوى الطاقة المقابل.

في الألياف البصرية، عندما يتم تشعيع الإلكترونات عند مستوى طاقة معين بضوء ذي طول موجي يتوافق مع فرق مستوى الطاقة، فإن الإلكترونات الموجودة في المدارات منخفضة الطاقة ستنتقل إلى مدارات ذات مستويات طاقة أعلى.يمتص هذا الإلكترون طاقة الضوء، مما يؤدي إلى فقدان امتصاص الضوء.

المادة الأساسية لتصنيع الألياف الضوئية، ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، تمتص الضوء، بنوعيه: امتصاص الأشعة فوق البنفسجية وامتصاص الأشعة تحت الحمراء. وحاليًا، تعمل اتصالات الألياف الضوئية عمومًا ضمن نطاق أطوال موجية يتراوح بين 0.8 و1.6 ميكرومتر، لذا سنقتصر في هذا البحث على دراسة الفقد في هذا النطاق.

تقع ذروة الامتصاص الناتجة عن الانتقالات الإلكترونية في زجاج الكوارتز عند طول موجي يتراوح بين 0.1 و0.2 ميكرومتر في منطقة الأشعة فوق البنفسجية. ومع ازدياد الطول الموجي، يتناقص الامتصاص تدريجيًا، إلا أن المنطقة المتأثرة واسعة، حيث تصل إلى أطوال موجية أعلى من 1 ميكرومتر. ومع ذلك، فإن امتصاص الأشعة فوق البنفسجية له تأثير ضئيل على الألياف البصرية المصنوعة من الكوارتز والتي تعمل في منطقة الأشعة تحت الحمراء. فعلى سبيل المثال، في منطقة الضوء المرئي عند طول موجي 0.6 ميكرومتر، يمكن أن يصل امتصاص الأشعة فوق البنفسجية إلى 1 ديسيبل/كم، والذي ينخفض ​​إلى 0.2-0.3 ديسيبل/كم عند طول موجي 0.8 ميكرومتر، وإلى حوالي 0.1 ديسيبل/كم فقط عند طول موجي 1.2 ميكرومتر.

ينتج فقدان امتصاص الأشعة تحت الحمراء في ألياف الكوارتز عن الاهتزاز الجزيئي للمادة في منطقة الأشعة تحت الحمراء. توجد عدة قمم امتصاص اهتزازية في نطاق الترددات فوق 2 ميكرومتر. ونظرًا لتأثير عناصر التطعيم المختلفة في الألياف البصرية، يستحيل أن تتمتع ألياف الكوارتز بنافذة فقد منخفضة في نطاق الترددات فوق 2 ميكرومتر. يبلغ الحد النظري للفقد عند طول موجي 1.85 ميكرومتر 1.5 ديسيبل/كم.أظهرت الأبحاث وجود جزيئات ضارة تُسبب مشاكل في زجاج الكوارتز، وتحديدًا شوائب المعادن الانتقالية الضارة مثل النحاس والحديد والكروم والمنغنيز وغيرها. تمتص هذه الجزيئات طاقة الضوء بشراهة عند تعرضها للضوء، وتتحرك بشكل عشوائي، مما يُسبب فقدانًا للطاقة الضوئية. يُمكن تقليل هذا الفقدان بشكل كبير عن طريق إزالة هذه الجزيئات الضارة وتنقية المواد المستخدمة في تصنيع الألياف البصرية كيميائيًا.

يُعدّ طور الهيدروكسيد (OH-) مصدرًا آخر للامتصاص في الألياف البصرية المصنوعة من الكوارتز. وقد وُجد أن للهيدروكسيد ثلاث قمم امتصاص في نطاق عمل الليف، عند أطوال موجية تبلغ 0.95 ميكرومتر، و1.24 ميكرومتر، و1.38 ميكرومتر. ومن بينها، يُعدّ فقد الامتصاص عند الطول الموجي 1.38 ميكرومتر هو الأشدّ والأكثر تأثيرًا على الليف. عند هذا الطول الموجي، يصل فقد ذروة الامتصاص الناتج عن أيونات الهيدروكسيد بتركيز 0.0001 ميكرومتر فقط إلى 33 ديسيبل/كم.

من أين تأتي أيونات الهيدروكسيد هذه؟ هناك مصادر عديدة لأيونات الهيدروكسيد. أولًا، تحتوي المواد المستخدمة في تصنيع الألياف البصرية على رطوبة ومركبات هيدروكسيد، يصعب إزالتها أثناء عملية تنقية المواد الخام، وتبقى في النهاية على شكل أيونات هيدروكسيد في الألياف البصرية. ثانيًا، تحتوي مركبات الهيدروجين والأكسجين المستخدمة في تصنيع الألياف البصرية على كمية ضئيلة من الرطوبة. ثالثًا، يتولد الماء أثناء عملية تصنيع الألياف البصرية نتيجة للتفاعلات الكيميائية. رابعًا، يدخل الهواء الخارجي حاملاً معه بخار الماء. مع ذلك، فقد تطورت عملية التصنيع بشكل كبير، وانخفض محتوى أيونات الهيدروكسيد إلى مستوى منخفض جدًا بحيث يمكن تجاهل تأثيرها على الألياف البصرية.