الرئيسية - مساحة المقالات - علوم الالكترونيات - تشكيل الكبلات الضوئية من العدم

تشكيل الكبلات الضوئية من العدم

تخيل أن تكون قادراً على وصل “كبل أو ليف ضوئي Optical Cable or fiber” بشكل لحظي إلى أي نقطة على الكرة الأرضية أو حتى إلى الفضاء. هذا ما أراد أن يفعله Howard Milchberg، بروفيسور فيزياء و هندسة الحواسيب والكهرباء في جامعة ماريلاند University of Maryland.

استخدم Milchberg في حلقة البحث التي نشرها “الدليل الموجي للهواء Air Waveguide” لتحسين الإشارات الضوئية القادمة من المصادر البعيدة. قد يكون لهذه الدلائل الموجية عدة تطبيقات، بما فيها الاتصالات بالليزر طويلة المدى، الكشف عن التلوث في الجو، تصنيع طبوغرافية عالية الدقة والأسلحة الليزرية.

لأن الضوء يخسر شدته مع زيادة المسافة، فالمدى الذي يمكن تطبيق هذه المهام من خلاله محدود. حتى الليزر الذي ينتج حزم موجهة بدقة عالية، يخسر تركيزه بسبب طبيعته الانتشارية، أو الأسوأ من ذلك، بسبب تفاعله مع الغازات في الهواء. تستطيع “كبلات الألياف البصرية Fiber Optic Cables” حصر حزم الضوء و توجهيها كما في الأنابيب، و بذلك يتم تجنب خسارة الشدة أو التركيز.

تتكون الألياف الاعتيادية من نواة زجاجية محاطة بمواد كسوة مع معامل انكسار منخفض. فعندما يحاول الضوء الخروج من النواة، يتم عكسه إلى الداخل. لكن قدرة تحمل الكبلات الضوئية الصلبة للطاقة محدودة، وتحتاج دعم مادي الذي لا يمكن أن يتوفر دائماً في المناطق التي نريد أن تتواجد الكبلات فيها، مثل الغلاف الجوي العلوي. اليوم، وجد فريق عمل Milchberg طريقة لجعل الهواء يسلك سلوك ليف ضوئي، و توجيه الحزم الضوئية على مدى طويل دون خسائر في الطاقة.

يتألف الدليل الموجي للهواء من “جدار” من هواء ذو كثافة منخفضة محيط بنواة من هواء ذو كثافة أعلى. الجدار لديه معامل انكسار أخفض من النواة، كما في الألياف الضوئية. قام Milchberg مع زملائه الباحثون بتحليل الهواء باستخدام الليزر لتشكيل شرار. نقل الدليل الموجي للهواء الضوء من الشرارة إلى حساس يبعد مسافة متر. جمع الباحثون  إشارة قوية بما فيه الكفاية لتحليل التركيب الكيميائي للهواء الذي أنتج تلك الشرارة.

كانت الإشارة أقوى بـ1.5 ضعف من شدة الإشارة التي لم يتم استخدام الدليل الموجي فيها. قد لا يبدو الفارق كبير، لكن بمسافة أطول ب100 مرة، حيث تضعف الإشارات غير الموجهة بشكل قاسي، نسبة تحسين الإشارة قد تكون أكبر بكثير.

أنشأ Milchberg دليله الموجي للهواء باستخدام نبضات الليزر القوية جداً و القصيرة جداً. حيث تنكسر و تتحول نبضة الليزر القوية بشكل كافي إلى حزم ضيقة تدعى “خيوط Filament”. يحدث ذلك بسبب مضاعفة ضوء الليزر لمعامل انكسار الهواء الذي يقع في وسط الحزمة، وكأن النبضة تحمل العدسة الخاصة بها معها.

أظهر Milchberg سابقاً أن هذه الخيوط ترتفع حرارتها عندما تمر من خلال الهواء، فتتسبب بتوسع الهواء  تاركاً “حفرة” من الهواء ذو الكثافة المنخفضة في أعقابها. تتميز هذه الحفر بمعامل انكسار منخفض أكثر من الهواء الذي يحيط به. وعلى الرغم من أن هذه الخيوط تتواجد بشكل آني (أقل من جزء من تريليون من الثانية)، يتطلب ظهور هذه الحفر وقتاً أكثر بمليارات المرات. “إنها تشبه حادثة صفعة على الوجه، حيث يتم ضربك ثم يتم الانتظار فترة زمنية ومن بعدها يتحرك وجهك” حسب Milchberg.

وفي 26 شباط 2014، أعلن Milchberg ومخبره لمجلةPhysical Review X، أنه عند إطلاق أربع خيوط بشكل مربع فإن الحفرة المُشَكلة تُكَون الجدار منخفض الكثافة الذي يحتاجه الدليل الموجي. و عند إطلاق حزمة ذات طاقة أعلى بين هذه الحفر، لم تخسر هذه الحزمة إلا جزء صغير جداً من طاقتها عندما تم اختبار هذه العملية على مسافة متر. والأكثر أهمية، “الأنبوب” المنتج من الخيوط استمر لبضع ميلي ثانية، أكثر بملايين المرات من النبضات الليزرية السابقة. وللعديد من التطبيقات الليزرية “ميلي ثانية هو اللانهاية” يقول Milchberg.

creatingopti

لأن الدلائل الموجية تستمر لوقت كبير جداً، يؤمن Milchberg أن دليل موجي وحيد يمكن استخدامه لإرسال الليزر والتقاط الإشارات. “يبدو الأمر وكأنه يمكنك سحب الليف الضوئي الفيزيائي بسرعة الضوء، لتضعه بجانب الشيء الذي تريد قياسه عن بعد، ومن ثم تعود الإشارة إليك” يقول Milchberg.

أولاً، يحتاج أن يثبت أن هذه الدلائل الموجية تعمل على مسافات أكبر من متر واحد، 50 متر على الأقل. في حال نجاح ذلك، يفتح هذا عالماً واسعاً من الاحتمالات. قد يستخدم الدليل الموجي للهواء لنقل التحاليل الكيمائية لبعض المناطق كالغلاف الجوي العلوي أو المفاعلات النووية، حيث من الصعب استخدام الأدوات في جوار الظاهرة المدروسة. كما يمكن استخدامها في LIDAR، وهو تكنولوجيا في الرادار تستخدم ضوء الليزر بدلاً من موجات الراديو لتشكيل خرائط طبوغرافية عالية الدقة.

 

المصدر: Phys.org

عن Michel Aractingi

طالب هندسة كهرباء في جامعة البلمند

اضف رد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني . الحقول المطلوبة مشار لها بـ *

*

x

‎قد يُعجبك أيضاً

تعاون بين غوغل وديزني لإنتاج كرتون بين المجرات لإلهام الأطفال أن يهتموا بالبرمجة

لا يمكن أن يكون التعليم هو مجرد تلقين بسيط للمعلومات ضمن صفٍ مدرسي، وبفضل التقنيات ...