علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
المقدمة:
تعرفنا في المقال السابق على الألياف الضوئية و نظرياتها وأمثلتها، فبعد أن أصبحت مفاهيم الألياف الضوئية واضحة، سيركز هذا المقال على نظرية العالم براج (Bragg) المستخدمة في الألياف الضوئية مع بعض تطبيقاتها العملية.
النظرية:
عواكس براج الموزعة (Distributed Bragg Reflector): هي عبارة عن استخدام عواكس ضوئية مختلفة من ناحية المواد المصنعة ونسبة إنكسار الضوء فيها, بحيث تتوزع في مجرى الضوء الذي يمر فيه كالألياف الضوئية, والغرض من استخدامها هو أن أي تأثير خارجي على مجرى الضوء سيأثر في الموجات المنعكسة والتي سيتم رصدها وتحليلها عند مدخل الضوء. كما هو موضح في الرسوم البيانية أدناه، فإن الرسم البياني (1) يمثل الموجة المدخلة التي تمر خلال العواكس، بينما الرسم البياني (2) يمثل الموجة المصفاة (الخارجة) بعد مرورها بالعواكس حيث تمت تصفية الموجة، أما بالنسبة للرسم البياني (3) فإنه يوضح الموجة (الطول الموجي) المنعكس من عواكس براج. كما أن هذه النظرية تعتبر المنشأ الرئيسي لمصفاة براج الليفية.
مصفاة براج الليفية (Fiber Bragg grating): لم تكن عواكس براج الموزعة سوى فرضية حتى قام العالم كين هيل (Ken Hill) في نهاية السبعينات بتطبيقها عملياً على الألياف الضوئية حيث زرع أنواع مختلفة من عواكس براج على مسافات مقدرة على امتداد الليف الضوئي و يختص كل نوع من العواكس بِرَد طول موجي معين مثل الطول الموجي الخاص بالضغط، الحرارة أو غيره.
الرسم أدناه يبين أنواع مخلتفة من العواكس و الأطوال الموجية المنعكسة. على سبيل التوضيح، فإن نوع العواكس في المثال الأول مختص بِرَد الطول الموجي الأزرق دون غيره من الأطوال الموجية، لذا فإننا نجد أن الضوء المصفى خالٍ من الطول الموجي الأزرق, ويسري هذا المفهوم على المثالين الآخرين.
تتم طريقة حساب التأثير الخارجي كالحرارة و الضغط عن طريق التقاط الأطوال الموجية المنعكسة والمختصة بكل كمية فيزائية وتحليل النقل الموجي (Phase shift) الخاص بها. الرسم التالي يبين كيفية تحليل الموجة المرتدة، حيث أن الطول الموجي الملتقط هو الخاص بقوة الشد، المثال (1) يوضح الموجة المرتدة في الحالة الطبيعة (دون شد أو ضغط) و بعد تأثير الشد على الليف الضوئي كما في المثال (2) تم انتقال الموجة المرتدة لليمين على عكس المبين في المثال (3) فإن قوة الضغط تأثر على الموجة المرتدة بنقلها لليسار.
معادلات رياضية:
يمكن حساب الطول الموجي المنعكس والمسمى بالطول الموجي براج (Bragg Wavelengnth) بالمعادلة التالية:
λB =2ne Ʌ
حيث أن:
λB : الطول الموجي براج
ne : معامل الإنكسار الخاص بالعواكس (Effective Refractive Index)
Ʌ : الفترة بين المصفاتين (Grating Period)
كما أن طريقة حساب عرض الموجة (Bandwidth) يعتمد على المعادلة التالية:
حيث أن:
∆λ : عرض الموجة
δn0 : فرق معامل الإنكسار بين العواكس و اللب الليفي
Ƞ : قوة احتكاك لب الليف
التطبيقات:
ما يميز مصفاة براج الليفية عن غيرها من الحساسات التقليدية أنها متعددة المهام، اتساع مجالها، احتواؤها على خاصية العزل الكهربائي ، استقرارها على المدى أطول، وحجمها المناسب. طبقاً لجودتها العالية فإن لها العديد من التطبيقات العملية منها:
1. نظام مراقبة جدران الأنفاق (Tunnel wall monitoring system)
للأنفاق أهمية كبيرة في المناطق الجبلية حيث تكمن فائدتها في تقصير المسافات. ولكن مع وجود الضغط العالي المتولد من الجبل على جدران النفق، والذي يؤدي إلى تصدعها ثم انهيارها، يجب استخدام نظام خاص لمراقبة حالة الجدران، لذلك استفاد العلماء من مصفاة براج الليفية حيث يتم مد الطور الليفي على طول جدران النفق لقياس تغير طول الليف حيث أن التصدع سيؤدي إلى تباعد في الجدران مما يؤدي إلى شد الليف كما هو موضح في الصورة التالية.
2. نظام مراقبة مستوى السائل (Water level monitoring system):
من ضمن الطرق المستخدمة لحفظ المياه المتولدة من الأمطار هي السدود، والتي تكون ضخمةً لحفظ أكبر كمية ممكنة من الماء, ولكن لابد من وجود نظامٍ لمراقبة مستوى الماء في مثل هذه الأماكن, والذي يتوفر باستخدام مصفات براج الليفية حيث يتم مد الليف على طول السد من الأعلى إلى الأسفل لحساب فرق الضغط عند ارتفاع مستوى الماء.
3. نظام مراقبة سكة الحديد (Railway Monitoring system):
تعتبر القطارات من أهم وسائل المواصلات في الدول المتقدمة كما أن ضمان سلامة الركاب و البضائع تعتبر أولوية لدى المسؤولين في محطات القطارات. لذلك استخدمت مصفاة براج الليفية لقدرتها على حساب مقدار الإهتزاز، التسارع، الوزن و الحرارة و غيرهم من المتغيرات. فيمكن بذلك مراقبة جودة السكة وأداء القطار من مسافات بعيدة لمنع أي خطر متوقع ولتوفير الصيانة في أسرع وقت ممكن.
4. نظام مراقبة حرارة الخزانات (Tank Temperature Monitoring System):
تعمد المصانع على وجود الخزانات لحفظ السوائل الكيميائية فيها، مما يتطلب وجود أنظمة مختلفة لمراقبتها و من أهمها هو قياس الحرارة، خاصةً للسوائل القابلة للإشتعال. لذلك فإن مصفاة براج الليفية تستخدم لإحاطة السطح الخارجي للخزان و ذلك لمراقبة حرارته في جميع نقاط مُحيطه.
الخاتمة:
تتمتع مصفاة براج الليفية بالعديد من الخصائص و المميزات حيث تم استخدامها و الإستفادة منها في العديد من التطبيقات العملية و أثبتت أفضليتها على الحساسات التقليدية لذلك فإن الأبحاث لازالت مستمرة في توسيع نطاقها حتى الآن.
المراجع: