ليف بلوري فوتوني

الليف البلوري الفوتوني  نوعُ من الألياف البصريَّة يعتمد على خصائص البلَّورات الفوتونية. اكتشفت الألياف البلورية الفوتونية أول مرة عام 1996 في جامعة باث بالمملكة المتحدة.

توغَّلت الألياف البلورية الفوتونية في اتصالات الألياف البصريَّة والليازر الليفيَّة والنَّبائط غير الخطيَّة ونقل القوى الكهربائية الفائقة ومستشعرات الغاز فائقة الحساسية ومجالاتٍ أخرى؛ لقدرتها على حصر الضوء في قلوبٍ جوفاءَ أو بخصائصِ حصرٍ يتعذَّر تحقيقها في الألياف البصرية التقليدية.

 التَّاريخ 

صاغ فيليب راسيل مصطلح الألياف البلورية الفوتونية في الفترة من 1995 إلى 1997، وإن ذكر عام 2003 أن الفكرة تعود إلى عملٍ لم يُنشر في عام 1991.

 أنواعها 
يسار|تصغير|350x350بك|صور مجهرية إلكترونية لألياف بلورية فوتونية أُنتِجَت في معمل أبحاث البحرية الأمريكية. قطر القلب الصُّلب في مركز الليف 5 ميكرومترات (الصورة اليسرى)، قطر الثقوب 4 ميكرومترات (الصورة اليمنى).
تتفرَّع الألياف البلورية الفوتونية إلى أنواع شتَّى:

 ليف فجوة النطاق الفوتونية: وهو ليفٌ يحصر الضوء اعتمادًا على فجوة النطاق الفوتونية.
 ليف مثقَّب: وهو ليف يستعمل ثقوبًا هوائيَّة في مقطعه العرضي.
 ليف معزَّز بالثقوب: وهو ليفُ بلوريٌّ فوتونيٌّ يوجِّه الضوء في نواة تقليديَّة ذات معامل انكسار أعلى، بتعديله بإضافة ثقوبٍ هوائيَّة.
 ألياف براغ: وهي ألياف فجوة نطاق فوتونية تتكون من حلقاتٍ متراكزةٍ من طبقاتٍ متعددة.

يمكن عدّ الألياف البلورية الفوتونية مجموعةً من الفئة الأوسع المعروفة بالألياف البصرية دقيقة التركيب؛ إذ يُوجَّه الضوء بفعل التعديلات الهيكليَّة لا باختلافات معامل الانكسار فقط، أما الألياف ذوات القلب الأجوف (HCFs) فهي نوعُ شبيهُ من الألياف البصريَّة أشبه بالألياف البصريَّة المثقَّبة بعض الشيء، لكنها قد تكون فوتونية أو لا؛ وفق تصميمها.

 الوصف 
تطورت الألياف البصريَّة إلى أشكالٍ عديدة؛ على إثر التَّقدُّم الذي شهد توسعًا في تقديمها في سبعينيات القرن العشرين في هيئة ألياف تقليديَّة ذوات معامل انكسار خطوي ولاحقًا في هيئة أليافٍ أحاديَّة المادة حُدِّدَ فيها الانتشار بهيكل كسوةٍ هوائيَّةٍ فعالة.  لدى الألياف منتظمة الهيكل عمومًا مساحة مقطعيَّة (منتظمة على طول الليف عادةً) تتكون من مادَّةٍ أو اثنتين أو أكثر مرتَّبة دوريًّا على أغلب المساحة المقطعيَّة عادةً.

تتميَّز أغلب الألياف منتظمة الهيكل عمومًا بمقطع عرضي (يكون عادةً منتظمًا على طول الليف) يتكون من مادَّةٍ أو اثنتين أو أكثر مرتَّبة دوريًّا على أغلب المساحة المقطعيَّة عادةً في الكسوة التي تحيط بقلبٍ أو عدَّة قلوبٍ يُحصَر فيها الضوء. يمثَّل لهذا بأولى الألياف التي اقترحها فيليب راسيل؛ إذ تتكوَّن من شبكة سداسيَّة من الثقوب الهوائية في ليف من السيليكا، مع قلب مصمت أو أجوف في المركز يوجَّه الضوء فيه. تشمل سائر الأنماط حلقاتٍ متراكزةً من مادَّتين أو أكثر كالتي عرضها يه وياريف في الأول الأمر تحت اسم ألياف براغ وربطة العنق والباندا وتركيبات الثقوب الإهليلجيَّة التي تستخدم لتحقيق انكسار مزدوج أعلى؛ لعدم انتظام معامل الانكسار النسبي، وكذا التركيبات الحلزونيَّة التي تسمح بتحكُّمٍ أفضلَ بالخصائصِ الضوئيَّة؛ لإمكانيَّة تغيير المعايير على حِدَة.

يجب تمييز الألياف البلورية الفوتونية -لا سيما ألياف براغ- عن محزَّزات براغ الليفيَّة التي تقوم على تغيُّر معامل الانكسار أو الهيكل دوريًّا على طول محور الليف خلافًا لتغيُّرات الاتجاهات المستعرضة كما في الألياف البلورية الفوتونية. تقوم الألياف البلورية الفوتونية ومحزَّزات براغ الليفية على ظاهرة حيود براغ ولو في اتِّجاهاتٍ شتَّى.

لوحظ أن أقل توهين للألياف البلورية الفوتونية ذوات القلب المصمت 0.37 ديسيبل/كم، وللألياف ذوات القلب الأجوف 1.2 ديسيبل/كم.

 الهيكل 
تصنع الألياف البلورية الفوتونية عمومًا بالطُّرُق نفسها التي تُصنع بها الألياف الأخرى، بإنشاء نموذجٍ مبدئيٍّ يقدَّر بالسنتيمترات حجمًا، ثم تسخينه وسحبه إلى أقطارٍ أصغرَ كثيرًا (عادةً بحجم شعرة إنسان) ليتقلص النموذج المبدئي مع حفظ الخصائص نفسها (عادةً)، وبهذا يمكن إنتاج كيلومتراتٍ عديدةٍ من الليف من نموذجٍ مبدئيٍّ واحد.

تُنشأ الثُّقوب الهوائيَّة عادةً بجمعِ أعمدةٍ جوفاءَ في حُزمةٍ ثم تسخينِها لدمجها إلى عمود واجد بثقوب مرتَّبة قبل السحب وإن كان التَّثقيب أو التَّفريز مستخدمًا سابقًا لإنشاء أولى التَّركيبات غير الدوريَّة، وعلى هذا تكونت لاحقًا أسس إنتاج أولى الألياف الزجاجيَّة والبوليمريَّة.

صُنعت معظم الألياف البلورية الفوتونية من زجاج السيليكا، وقد تُستَخدَم أنواعُ أخرى من الزُّجاج لتحقيق خصائصَ ضوئيَّة بعينها كارتفاع اللاخطيَّة الضوئيَّة. برز اهتمام صاعد في إنتاج تلك الألياف من المبلمرات. وقد استُقصِيَت مجموعةُ واسعةُ من الهياكل، تشمل الهياكل ذوات معامل الانكسار المتدرِّج والألياف حلقيَّة التركيب والألياف ذوات القلب الأجوف، وتدعى أليافًا بصريَّة بوليمريَّة صغريَّة البنية  "MPOF اختصارًا". استخدم تملكوران وآخرون مزيجًا من البوليمر وزجاج الكلكوجينيد لأطوالِ موجاتٍ تقدَّر بـ 10.6 ميكرومتر (ليس السيليكا شفافًا لها) عام 2002.

 أنماط التشغيل 
تصغير|451x451بك|رسم توضيحي يبين عرضًا مقطعيًّا لنوعين من الألياف البلورية الفوتونية: ليف يوجه الضوء بتغير معاملات الانكسار (يسار) وليف فجوة النطاق الفوتونية (يمين).
تصنف الألياف البلورية الفوتونية إلى نمطي تشغيل وفق آليَّة حصر الضوء: التوجيه بتغير عوامل الانكسار وفجوة النطاق الفوتونية.

 التوجيه بتغيُّر معاملات الانكسار 

تتميز الألياف البلورية الفوتونية بقلبٍ ذي معامل انكسارٍ متوسطٍ أعلى من معامل انكسار الكسوة، وهذا هدف يسهل تحقيقه بالحصول على قلبٍ مصمتٍ محاطًا بكسوةٍ تتخللها ثقوبٌ هوائيَّةٌ من المادَّة نفسها؛ إذ يخفِّضُ معاملُ انكسار الهواء معاملَ انكسارِ الكسوةِ المتوسِّطَ حتمًا.

تعمل تلك الألياف البلورية الفوتونية بمبدأ التوجيه بتغير معاملاتِ الانكسار كسائر الألياف البصريَّة التقليدية، وإن كان معامل الانكسار الفعَّال بين القلب والكسوة يتباين تباينًا فائقًا لتصير قدرتها على حصر الضوء أعلى في تطبيقات النَّبائط البصريَّة اللاخطيَّة والألياف البصريَّة الحافظة للاستقطاب، وقد تُنتَج بتباين أقل في معامل الانكسار الفعَّال.

 فجوة النطاق الفوتونية 
يمكن إنتاج ليف فجوة نطاقٍ فوتونيةٍ يحصر الضوء داخله اعتمادًا على فجوةِ نطاقٍ فوتونيةٍ تنشئها الكسوة صغريَّة البنية، ويمكن لمثل فجوة النطاق هذه -إن أُتقِن تصميمها- أن تحصر الضوء في قلبٍ ذي معامل انكسارٍ منخفضٍ وحتى في قلبٍ أجوف (هوائي).

قد تتعدَّى ألياف فجوة النطاقٍ الفوتونية ذوات القلب الأجوف الحدودَ التي تفرضها الموادُّ المتاحة، كحالة إنشاء أليافٍ توجه الضوء في أطوال موجاتٍ ليس لها من موادَّ شفافةٍ تنفذها (لأن الضوء يسري في الهواء لا المواد الصُّلبة). يُذكَر من منافع القلب الأجوف إدخال أي موادَّ في القلب، كتحليلِ عيِّنةٍ من غازٍ للكشف عن احتوائه مادَّةً ما.

يمكن تعديل الألياف البلورية الفوتونية بطلاء الثقوب بهُلاماتٍ حُلاليَّة من مادَّةٍ ذات معامل الانكسار نفسه أو معامل انكسار مختلف؛ لتعزيز نفاذيَّة الضوء.

 انظر أيضًا 

 بوابة ترشيح ضوئية
 ليف بصري
 اتصال ضوئي
 بلورة فوتونية

 المراجع 

 فهرس المراجع 

 بيانات المراجع 

 كتب 



 دوريات ومقالات 






 وصلات خارجيَّة 

 مركز الفوتونيات والمواد الفوتونية (CPPM)، جامعة باث (بالإنجليزية).
 مجموعة أ.د. فيليب راسيل بمعهد ماكس بلانك لعلوم الضوء بإرلنغن مع بعض المواد التمهيدية والنقد والمعلومات بشأن الأبحاث الحاليَّة.
 موسوعة فيزياء الليزر وتقانته في الألياف البصرية الفوتونية، بمراجع شتى (بالإنجليزية).
 ستيفن غ. جونسون, تدريبات الألياف البلورية الفوتونية وصغريَّة البنية، 2005 (بالإنجليزية).
 فيليب راسيل: تدريبات الألياف البلورية الفوتونية وصغرية البنية، تاريخ مسجل في نشرة IEEE LEOS الإعلامية، أكتوبر/تشرين الأول 2007.
 John D. Joannopoulos, Steven G. Johnson, Joshua N. Winn, and Robert D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light, second edition (Princeton, 2008), chapter 9. (Readable online.) (بالإنجليزية).
 عرض فيليب راسيل الشامل: تطبيقات مستحدثة للألياف البلورية الفوتونية، غرفة أخبار SPIE (بالإنجليزية).

*
تصنيف:أجهزة اتصالات
تصنيف:بصريات
تصنيف:بصريات الألياف
تصنيف:اتصالات
تصنيف:صناعة الزجاج
تصنيف:علم وهندسة الزجاج
تصنيف:إلكترونيات بصرية