الملخص:
لقد درس العلماء أن الأرض كروية منذ أكثر من 2000 عام، لكن أنصار "نظرية الأرض المسطحة" ما زالوا يؤمنون بها بشدة. بل إن بعض الناس على استعداد "للذهاب إلى نهاية العالم" للعثور على أدلة، لكنهم لم يعثروا بعد على ما يسمى بالنهاية. وبغض النظر عن شكل الأرض، فقد طور الباحثون في المعهد الملكي للتكنولوجيا في السويد وجامعة ساوثهامبتون في المملكة المتحدة مؤخرًا تقنية تثبت أنه في مجال استشعار الألياف الضوئية، قد تكون الهياكل المسطحة أفضل بكثير من الهياكل الدائرية.
طوّر فريق البحث أليافًا ضوئية من السيليكا على شكل شريط مسطح. يمكن تصميم هذا النوع من الألياف الضوئية هيكليًا لإنتاج استجابة أقوى بكثير للتأثيرات الفيزيائية مقارنة بالألياف الضوئية الأسطوانية التقليدية، وبالتالي يمكن أن يصبح جهاز استشعار بأداء أفضل. أطلق الباحثون عليها اسم "الألياف المسطحة ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية" (HARFF). في اختبار مقارن، كانت حساسية الضغط لهذه الألياف الضوئية تصل إلى 1000 مرة من حساسية الألياف الضوئية التقليدية؛ وأظهرت نسخة أخرى مملوءة بالمعدن الداخلي قدرات أقوى في استشعار درجة الحرارة. وقد استخدم فريق البحث نموذجًا تجريبيًا واحدًا لرسم هذه الألياف الضوئية الخاصة التي يزيد طولها عن 120 مترًا، مما يثبت جدواها التصنيعية.
الاستخدام الأكثر شهرة للألياف الضوئية هو أنها عبارة عن خيوط من الزجاج تنقل البيانات وتحمل المعلومات حول العالم من خلال نبضات ضوئية. ومع ذلك، فإن الألياف الضوئية هي أيضًا أجهزة استشعار قادرة جدًا. يمكن أن تؤدي التأثيرات الخارجية مثل التمدد أو الضغط أو درجة الحرارة إلى تغيير طفيف في الخصائص الفيزيائية والبصرية للزجاج. ويمكن قياس هذه التأثيرات الخارجية من خلال تتبع التغيرات في الضوء أثناء انتقاله عبر الألياف.
هناك تشبيه تقريبي ولكن بديهي بخرطوم الري. عندما يضغط الناس على جزء معين من الخرطوم، يتغير تدفق المياه. ومن خلال قياس التغير في تدفق المياه، يمكن للمهندسين معرفة مقدار الضغط المطبق. يستخدم استشعار الألياف الضوئية مبدأً مشابهًا، لكنه أكثر حساسية. يرسل الباحثون الضوء إلى الألياف الضوئية، ويقيسون كيفية تغير الإشارات الضوئية، ويستخدمون هذه التغييرات لاستنتاج ما مرت به الألياف الضوئية.
أحد الأساليب الشائعة هو استخدام شبكات الألياف Bragg. هذه الشبكات عبارة عن هياكل دورية صغيرة مكتوبة داخل الألياف الضوئية تعكس أطوال موجية محددة من الضوء. عندما يتم تمديد الألياف الضوئية أو ضغطها، يتغير الطول الموجي للضوء المنعكس، مما يوفر للمهندسين "مسطرة بصرية" لقياس الإجهاد.
عادة ما تكون ألياف السيليكا الضوئية التقليدية أسطوانية، وهي هندسة مثالية لقياس القوى المؤثرة على طول محور الألياف. ومع ذلك، فإن الأسطوانات الزجاجية الصلبة تستجيب بشكل ضعيف للقوى الجانبية والضغط الهيدروستاتيكي من جميع الاتجاهات المحيطة بها، مما يؤدي إلى قيود كبيرة على حساسيتها، وهي واحدة من أكثر الخصائص المرغوبة في تكنولوجيا الاستشعار.
ولحل هذه المشكلة، قام الباحثون بتغيير شكل الزجاج. بدلاً من صنع ألياف مستديرة أولاً ثم محاولة تسطيحها، قاموا بتصميم HARFF في هيكل مسطح في مرحلة التشكيل، مما أدى إلى هيكل صلب بنسبة عرض إلى ارتفاع قريبة من 20:1. تُحدث هذه الهندسة المسطحة الشبيهة بالشريط ثورة في كيفية استجابة الألياف الضوئية للقوى الخارجية. ببساطة، القوة المطلوبة لثني قضيب مستدير ليست مثل ثني مسطرة رفيعة. سيجعل الهيكل المسطح الألياف الضوئية تستجيب بسهولة أكبر لقوى الانحناء مثل المسطرة.
باستخدام HARFF، يمكن للمهندسين ضبط عرض الألياف وسمكها وسمك جدارها والقنوات الداخلية بشكل فردي لتصميم مكان انحناء الزجاج ومكان تركز الضغط بشكل خاص.
في مستشعر الضغط، صمم فريق البحث قناتين هوائيتين ممتدتين طوليًا داخل الألياف الضوئية. يتشوه هذا الهيكل غير المتماثل المصمم عمدًا عند تطبيق ضغط خارجي، مما يتسبب في درجات متفاوتة من الضغط في اتجاهات مختلفة حول الدليل الموجي البصري. ونتيجة لذلك، تتغير أيضًا خاصية الألياف التي تسمى "الانكسار الثنائي". الانكسار المزدوج يعني أن الضوء الذي ينتقل في اتجاهين استقطابيين متعامدين مع بعضهما البعض سيتعرض لمؤشرات انكسار مختلفة قليلاً في نفس قطعة الزجاج.
ثم قام الباحثون بكتابة شبكتين متطابقتين من الألياف Bragg في الدليل الموجي البصري، مما يشكل تجويفًا بصريًا صغيرًا بينهما. عندما ينتشر الضوء داخل هذا التجويف البصري، فإنه ينتج نمط تداخل مميز. عندما يؤدي الضغط إلى تشويه الزجاج، يتغير انكساره المزدوج ويتغير نمط التداخل بشكل قابل للقياس.
بعبارات بسيطة، يؤدي الضغط إلى تشويه ألياف الشريط، مما يغير الخصائص البصرية للزجاج، وتخبر الإشارة الضوئية المتغيرة الباحثين بمقدار الضغط الذي تم تطبيقه.
وضع الباحثون مستشعر إثبات المفهوم هذا في وعاء ضغط للاختبار، حيث يصل ضغط الاختبار إلى 0.40 ميجا باسكال. وتظهر نتائج القياس أن استجابتها من الذروة إلى القاع تصل إلى 7.24 ديسيبل/ميجا باسكال؛ عند حسابها باستخدام طريقة تحليل أخرى، تصل حساسية الضغط إلى حد أقصى يبلغ 31.6 راد/ميجا باسكال. وفي الوقت نفسه، تكون الحساسية المتقاطعة لدرجة الحرارة أقل من 1% من حساسية الضغط، مما يساعد الباحثين على تمييز تغيرات الضغط من تغيرات درجات الحرارة.
ذكر فريق البحث أنه بالمقارنة مع الألياف الضوئية المماثلة التي تستخدم النوى الإهليلجية والمقاطع العرضية الدائرية، فقد تم تحسين حساسية HARFF بما يصل إلى ثلاثة أوامر من حيث الحجم، أي حوالي 1000 مرة. ويزعمون أيضًا أن أداء HARFF يتحسن بما يصل إلى أمرين من حيث الحجم مقارنة بتصميمات ألياف السيليكا الأخرى المُحسّنة لاستشعار الضغط الهيدروستاتيكي.
بالإضافة إلى استشعار الضغط، أثبت الباحثون أيضًا أنه يمكن أيضًا تصميم نفس المنصة الزجاجية الأساسية كجهاز استشعار لدرجة الحرارة. وفي مستشعر درجة الحرارة، قاموا بملء قناة داخلية لـ HARFF بسبيكة أساسها القصدير. يبلغ معامل التمدد الحراري لثاني أكسيد السيليكون حوالي 0.5×10⁻⁶/K، بينما يبلغ معامل التمدد الحراري لهذه السبيكة حوالي 23×10⁻⁶/K. عندما يتم تسخين الاثنين، يحاول المعدن التمدد إلى ما هو أبعد مما يسمح به الزجاج المحيط. يؤدي هذا الاختلاف في التمدد إلى خلق إجهاد في السيليكا، مما يغير انكسارها المزدوج ويشكل مرة أخرى إشارة بصرية يمكن قياسها.
يعتقد الباحثون أنهم لم ينشئوا مستشعرًا أكثر قوة فحسب، بل قاموا أيضًا بتحويل هندسة الألياف وبنيتها الداخلية إلى متغيرات تصميم هندسي جديدة.
وقال بافيل مانيفسكي، الباحث في المعهد الملكي للتكنولوجيا، إن هذه ليست مجرد ألياف ضوئية ذات مظهر مختلف، ولكنها تفتح مساحة تصميمية جديدة للألياف الضوئية. ومن خلال تغيير الشكل الهندسي، يمكن جعل الزجاج نفسه يستجيب بشكل أكبر للبيئة المادية المحيطة به.
من خلال تغيير عرض الألياف أو سمكها أو قنوات الهواء أو موقع الدليل الموجي البصري أو المواد التي تملأ هذه القنوات، من المتوقع أن يتم تحسين نفس منصة التصنيع الأساسية لأنواع مختلفة من احتياجات الاستشعار في المستقبل. على سبيل المثال، فإن دمج مثل هذه الألياف الضوئية في جناح مركب من شأنه أن يسمح بمراقبة الأحمال والتوترات دون الحاجة إلى إنشاء شبكة من أعداد كبيرة من أجهزة الاستشعار الإلكترونية التقليدية.
يمكن أيضًا استخدام الألياف الضوئية المشابهة في مجالات مثل الطائرات بدون طيار والجسور والهياكل الصناعية والبطاريات. في هذه السيناريوهات، قد تكون التغيرات في درجة الحرارة أو الضغط الداخلي بمثابة علامات إنذار مبكر لفشل المعدات. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع الألياف الضوئية أيضًا بمزايا كونها خفيفة الوزن وصغيرة الحجم ولا تتأثر بالتداخل الكهرومغناطيسي.
وبطبيعة الحال، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه من الألياف الضوئية المختبرية الرائعة إلى التطبيق العملي الذي يسمح للطائرات بالحصول على ما يشبه "الجهاز العصبي الزجاجي". ولا يزال مشروع HARFF الحالي في مرحلة إثبات المفهوم. قام الباحثون بقياس خسارة انتشار الضوء بحوالي 0.16 ديسيبل/متر، والتي يعتقدون أنها ترجع في المقام الأول إلى الهندسة الأساسية التجريبية ومواد السيليكا المستخدمة، وليس القيود الكامنة في الألياف المسطحة نفسها.
بالإضافة إلى ذلك، فإن الخسارة الناتجة عن ربط HARFF بالألياف الضوئية التقليدية عادة ما تكون أقل من 3 ديسيبل، مما يعني أنه لا يزال هناك مجال كبير لتحسين هذه التقنية.
تخطط الخطوة التالية لفريق البحث لزيادة تحسين قدرات التحكم في شكل الألياف، وتقليل الفقد البصري، وتعزيز HARFF من مستشعر إثبات المفهوم إلى نظام فعلي. وأشار المعهد الملكي للتكنولوجيا إلى أن الطائرات بدون طيار الذكية والمواد المركبة المتقدمة وتقنيات الطاقة الأكثر أمانًا، كلها اتجاهات تطبيقية مستقبلية محتملة لهذه التكنولوجيا.
وتجدر الإشارة إلى أن هذا البحث يركز على استشعار الألياف الضوئية، وليس نقل بيانات الاتصالات. في مجال الاتصالات، لا تزال الألياف الضوئية الدائرية التقليدية هي المعيار السائد.
تم نشر هذا البحث في مجلة Nature Communications.
التعليقات