الموجه الموجي (البصريات)

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة

الموجه الضوئي هو بنية فيزيائية توجه الموجات الكهرومغناطيسية في الطيف الضوئي . تشمل الأنواع الشائعة للموجهات الضوئية الموجهات الليفية الضوئية ، والموجهات العازلة الشفافة المصنوعة من البلاستيك والزجاج، والموجهات الضوئية السائلة، والموجهات السائلة.

تُستخدم الموجهات الضوئية كمكونات في الدوائر الضوئية المتكاملة أو كوسيط نقل في أنظمة الاتصالات الضوئية المحلية والبعيدة المدى . كما يمكن استخدامها في شاشات العرض الضوئية المثبتة على الرأس في الواقع المعزز . [ 1 ]

يمكن تصنيف الموجهات الضوئية وفقًا لهندستها (موجات مستوية، أو شريطية، أو ليفية)، وبنية نمطها ( نمط واحد ، أو أنماط متعددة )، وتوزيع معامل الانكسار (معامل انكسار متدرج أو متدرج)، ومادتها ( زجاج ، أو بوليمر ، أو أشباه موصلات ).

انعكاس داخلي كامل

ينكسر الضوء عند سطح فاصل عازل، أ. ، مما يُنشئ توافقًا بين الأشعة في الوسطين، ب . بعض الأشعة في الوسط ذي معامل الانكسار الأعلى لا تدخل في عملية الاقتران (باللون الأحمر) وتُحصر بفعل الانعكاس الداخلي الكلي . ج. يمكن استخدام هذه الآلية لحصر الضوء في دليل موجي . د. هذا هو المبدأ الأساسي وراء الألياف البصرية، حيث يُوجَّه الضوء على طول لب زجاجي ذي معامل انكسار عالٍ داخل غلاف زجاجي ذي معامل انكسار منخفض .

يمكن وصف المبادئ الأساسية وراء الموجهات الضوئية باستخدام مفاهيم البصريات الهندسية أو الشعاعية ، كما هو موضح في الرسم التخطيطي.

ينحني الضوء عند مروره بوسط ذي معامل انكسار أعلى باتجاه العمود المقام عليه بفعل عملية الانكسار (الشكل أ ). على سبيل المثال، عند مرور الضوء من الهواء إلى الزجاج، يسلك الضوء المنتقل في الاتجاه المعاكس (من الزجاج إلى الهواء) المسار نفسه، منحنيًا بعيدًا عن العمود المقام. هذه نتيجة لتناظر انعكاس الزمن . يمكن تمثيل كل شعاع في الهواء (باللون الأسود) بشعاع في الزجاج (باللون الأزرق)، كما هو موضح في الشكل ب . هناك تطابق تام. ولكن بسبب الانكسار، تُستثنى بعض الأشعة في الزجاج (باللون الأحمر). تُحصر الأشعة المتبقية في الزجاج بعملية تُسمى الانعكاس الكلي الداخلي . تسقط هذه الأشعة على سطح التماس بين الزجاج والهواء بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة . تُقابل هذه الأشعة الإضافية كثافة حالات أعلى في الصيغ الأكثر تطورًا القائمة على دالة غرين .

باستخدام الانعكاس الداخلي الكلي، يمكن حصر الضوء وتوجيهه في موجه ضوئي عازل (الشكل ج ). ترتد الأشعة الحمراء عن السطحين العلوي والسفلي للوسط ذي معامل الانكسار العالي. ويتم توجيهها حتى لو انحنى السطح، طالما كان الانحناء بطيئًا. هذا هو المبدأ الأساسي للألياف البصرية، حيث يُوجَّه الضوء على طول لب زجاجي ذي معامل انكسار عالٍ داخل غلاف زجاجي ذي معامل انكسار منخفض (الشكل د ).

لا تُقدّم البصريات الشعاعية سوى صورة تقريبية لكيفية عمل الموجهات الموجية. ويمكن حل معادلات ماكسويل باستخدام الطرق التحليلية أو العددية للحصول على وصف كامل للمجال لموجه موجي عازل.

دليل موجي ذو لوح عازل

يتكون الموجه الموجي ذو الطبقة العازلة من ثلاث طبقات عازلة ذات معاملات انكسار مختلفة.

لعل أبسط أنواع الموجهات الضوئية هي الموجهات المسطحة العازلة ، [ 2 ] والتي تُسمى أيضاً الموجهات المستوية . [ 3 ] ونظراً لبساطتها، تُستخدم الموجهات المسطحة غالباً كنماذج أولية، ولكنها تجد أيضاً تطبيقات في الأجهزة المدمجة على الرقاقة مثل محززات الموجهات المصفوفة والمرشحات والمعدلات الصوتية الضوئية .

يتكون الموجه المسطح من ثلاث طبقات من مواد ذات ثوابت عزل كهربائي مختلفة، تمتد بلا حدود في الاتجاهات الموازية لأسطحها البينية. ينحصر الضوء في الطبقة الوسطى بفعل الانعكاس الداخلي الكلي إذا كان معامل انكسار الطبقة الوسطى أكبر من معامل انكسار الطبقات المحيطة بها.

الموجه المسطح هو في الأساس موجه أحادي البعد. فهو يحصر الضوء عموديًا فقط على الأسطح العازلة. بالنسبة للأنماط الموجهة ، ينتشر المجال في النطاق الثاني في الرسم التخطيطي ويمكن اعتباره موجة مستوية . يتلاشى المجال في النطاقين الأول والثالث بشكل متلاشٍ بعيدًا عن الموجه. ترتد الموجة المستوية في النطاق الثاني بين السطحين العلوي والسفلي بزاوية معينة تُحدد عادةً بواسطة...β→{\displaystyle {\vec {\beta }}}، متجه الموجة في مستوى اللوح. تتداخل الأنماط الموجهة تداخلاً بناءً خلال دورة كاملة واحدة في اللوح. عند كل تردد، يمكن إيجاد نمط واحد أو أكثر يعطي مجموعة من القيم الذاتية.(ω،β→){\displaystyle (\omega ,{\vec {\beta }})}والتي يمكن استخدامها لإنشاء مخطط نطاق أو علاقة تشتت .

نظرًا لأن الأنماط الموجهة محصورة داخل اللوح، فلا يمكن إثارتها بواسطة الضوء الساقط على السطحين العلوي أو السفلي. يمكن توجيه الضوء من طرفه أو من سطحه عن طريق حقنه بعدسة في مستوى اللوح. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام عنصر اقتران لربط الضوء بالموجه، مثل مُقترن محزز أو مُقترن موشوري.

هناك تقنيتان: الموجهات الموجية الانكسارية والموجهات الموجية العاكسة.

دليل موجي ثنائي الأبعاد

دليل موجي شريطي

الموجه الشريطية هي في الأساس شريط من الطبقة محصور بين طبقتين مغلفتين. أبسط أنواعها هو الموجه المستطيلة ، التي تتشكل عندما تكون الطبقة الموجهة للموجه الشريطية مقيدة في كلا الاتجاهين العرضيين بدلاً من اتجاه واحد فقط. تُستخدم الموجهات المستطيلة في الدوائر البصرية المتكاملة وفي ثنائيات الليزر . وهي شائعة الاستخدام كأساس للمكونات البصرية مثل مقاييس التداخل ماخ-زيندر ومضاعفات تقسيم الطول الموجي . غالبًا ما تُصنع تجاويف ثنائيات الليزر على شكل موجهات بصرية مستطيلة. تُنتج الموجهات البصرية ذات الشكل المستطيل بوسائل متنوعة، عادةً من خلال عملية مستوية .

لا يمكن حل توزيع المجال في دليل موجي مستطيل تحليليًا، ومع ذلك فإن طرق الحل التقريبية، مثل طريقة ماركاتيلي ، [ 4 ] وطريقة ماركاتيلي الموسعة [ 5 ] وطريقة كومار ، [ 6 ] معروفة.

دليل الموجة المضلع

الموجه المضلع هو موجه تتكون طبقته الموجهة أساسًا من لوح مع شريط (أو عدة أشرطة) متراكبة عليه. كما توفر الموجهات المضلعة حصرًا للموجة في بعدين، ويمكن تحقيق حصر شبه كامل في الهياكل المضلعة متعددة الطبقات. [ 7 ]

الموجه المجزأ والموجه البلوري الضوئي

تحافظ الموجهات الضوئية عادةً على مقطع عرضي ثابت على طول اتجاه انتشار الضوء. وينطبق هذا، على سبيل المثال، على الموجهات الشريطية والموجهات الضلعية. مع ذلك، يمكن أن تشهد الموجهات تغيرات دورية في مقطعها العرضي مع السماح في الوقت نفسه بنقل الضوء دون فقد عبر ما يُعرف بأنماط بلوخ. تُسمى هذه الموجهات بالموجهات المجزأة (ذات نمط أحادي البعد على طول اتجاه الانتشار [ 8 ] ) أو بالموجهات البلورية الضوئية (ذات نمط ثنائي أو ثلاثي الأبعاد [ 9 ] ).

دليل موجي محفور بالليزر

تُستخدم الموجهات الضوئية بشكلٍ أساسي في مجال الفوتونيات . ويُتيح تصميم هذه الموجهات في الفضاء ثلاثي الأبعاد التكامل بين المكونات الإلكترونية على الشريحة والألياف الضوئية. ويمكن تصميم هذه الموجهات لنقل الأشعة تحت الحمراء بنمط أحادي عند أطوال موجات الاتصالات، وتكوينها لنقل الإشارة الضوئية بين مواقع الإدخال والإخراج بأقل قدر من الفقد.

تم تشكيل الموجهات الضوئية في زجاج السيليكا النقي نتيجة لتأثير التركيز الذاتي المتراكم مع إشعاع ليزر بطول موجي 193 نانومتر. تم التقاط الصورة باستخدام مجهر النقل مع إضاءة متوازية.

تعتمد إحدى طرق بناء هذه الموجهات الضوئية على التأثير الكهروضوئي في المواد الشفافة. يمكن زيادة معامل انكسار المادة عن طريق الامتصاص غير الخطي لضوء الليزر النبضي. ولتحقيق أقصى زيادة في معامل الانكسار، تُستخدم نبضات ليزر قصيرة جدًا (عادةً فيمتوثانية) ويتم تركيزها باستخدام عدسة مجهرية ذات فتحة عددية عالية. ومن خلال تحريك البؤرة عبر مادة شفافة، يمكن كتابة الموجهات الضوئية مباشرةً. [ 10 ] يستخدم أحد أشكال هذه الطريقة عدسة مجهرية ذات فتحة عددية منخفضة، ويحرك البؤرة على طول محور الشعاع. يُحسّن هذا من التداخل بين شعاع الليزر المركز والمادة الكهروضوئية، مما يقلل من الطاقة المطلوبة من الليزر. [ 11 ] عند تعريض مادة شفافة لشعاع ليزر غير مركز ذي سطوع كافٍ لبدء التأثير الكهروضوئي، قد تبدأ الموجهات الضوئية بالتشكل تلقائيًا نتيجةً للتركيز الذاتي المتراكم . [ 12 ] يؤدي تشكل هذه الموجهات الضوئية إلى تشتت شعاع الليزر. يؤدي التعرض المستمر للضوء إلى زيادة معامل الانكسار باتجاه محور كل موجه ضوئي، وانكماش قطر مجال نمط الضوء المنتشر. تبقى هذه الموجهات الضوئية بشكل دائم داخل الزجاج، ويمكن تصويرها لاحقًا (انظر الصورة على اليمين).

أنبوب الضوء

أنابيب الإضاءة عبارة عن أنابيب أو أسطوانات مصنوعة من مادة صلبة تُستخدم لتوجيه الضوء لمسافة قصيرة. في مجال الإلكترونيات، تُستخدم أنابيب الإضاءة البلاستيكية لتوجيه الضوء من مصابيح LED الموجودة على لوحة الدوائر إلى سطح واجهة المستخدم. أما في المباني، فتُستخدم أنابيب الإضاءة لنقل الإضاءة من خارج المبنى إلى الأماكن التي تحتاجها في الداخل.

دليل موجي للألياف الضوئية

انتشار الضوء عبر الألياف البصرية متعددة الأنماط.

الألياف الضوئية عبارة عن موجه ضوئي دائري المقطع مصنوع من مادة عازلة محاطة بمادة عازلة أخرى ذات معامل انكسار أقل . تُصنع الألياف الضوئية في الغالب من زجاج السيليكا ، ولكن تُستخدم أنواع أخرى من الزجاج في تطبيقات معينة، كما يمكن استخدام الألياف الضوئية البلاستيكية في التطبيقات قصيرة المدى.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ شيونغ، جيانغهاو؛ هسيانغ، إن-لين؛ هي، زيكيان؛ زان، تاو؛ وو، شين-تسون (25 أكتوبر 2021). "شاشات الواقع المعزز والواقع الافتراضي: التقنيات الناشئة والآفاق المستقبلية" . الضوء: العلوم والتطبيقات . 10 (1): 216. Bibcode : 2021LSA....10..216X . doi : 10.1038/s41377-021-00658-8 . ISSN: 2047-7538 . PMC: 8546092. PMID : 34697292 .   
  2. ↑ رامو، سيمون، جون ر. وينري، وثيودور فان دوزر، الحقول والموجات في إلكترونيات الاتصالات ، الطبعة الثانية، جون وايلي وأولاده، نيويورك، 1984.
  3. ↑ "الضوئيات السيليكونية"، بقلم غراهام تي. ريد، وأندرو بي. نايتس
  4. ↑ ماركاتيلي، إي. إيه. جيه. (1969). "دليل موجي مستطيل عازل ومقرن اتجاهي للبصريات المتكاملة". مجلة بيل سيستم التقنية. 48 ( 7): 2071-2102 . doi : 10.1002/j.1538-7305.1969.tb01166.x .
  5. ↑ ويسترفيلد، دبليو جيه، وليندرز، إس إم، وفان دونجن، كيه دبليو إيه، وأورباخ، إتش بي، ويوسفي، إم (2012). "توسيع منهج ماركاتيلي التحليلي للموجهات الضوئية السيليكونية المستطيلة". مجلة تكنولوجيا الموجات الضوئية . 30 (14): 2388-2401 . arXiv : 1504.02963 . Bibcode : 2012JLwT ...30.2388W . doi : 10.1109/JLT.2012.2199464 . S2CID 23182579 . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  6. ↑ كومار، أ.، ك. ثياغاراجان، و أ. ك. غاتاك. (1983). "تحليل الموجهات العازلة ذات النواة المستطيلة - منهج اضطراب دقيق". رسائل البصريات 8 ( 1): 63-65 . Bibcode : 1983OptL....8...63K . doi : 10.1364/ol.8.000063 . PMID 19714136 . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  7. ↑ تالوكدار، طهميد ح.؛ ألين، غابرييل د.؛ كرافتشينكو، إيفان؛ ريكمان، جودسون د. (2019-08-05). "مقاييس تداخل الموجات الضوئية أحادية النمط المصنوعة من السيليكون المسامي بمعاملات حصر موحدة لاستشعار الطبقات السطحية فائقة الحساسية" . مجلة أوبتكس إكسبرس . 27 (16): 22485-22498 . Bibcode : 2019OExpr..2722485T . doi : 10.1364/OE.27.022485 . ISSN 1094-4087 . OSTI 1546510. PMID 31510540 .   
  8. ↑ م. هوشبرغ؛ ت. باهر-جونز؛ س. ووكر؛ ج. ويتزينز؛ س. غان؛ أ. شيرر (2005). "موجهات مجزأة في السيليكون الرقيق على العازل" (ملف PDF) . مجلة الجمعية البصرية الأمريكية ب . 22 (7): 1493-1497 . رمز Bibcode : 2005JOSAB..22.1493H . doi : 10.1364/JOSAB.22.001493 .
  9. ↑ إس واي لين؛ إي تشاو؛ إس جي جونسون؛ جيه دي جوانوبولوس (2000). "عرض توضيحي لتوجيه الموجات عالي الكفاءة في شريحة بلورية ضوئية عند طول موجي 1.5 ميكرومتر" . رسائل البصريات . 25 (17): 1297-1299 . Bibcode : 2000OptL...25.1297L . doi : 10.1364/ol.25.001297 . OSTI 754329. PMID 18066198 .  
  10. ↑ ميني، توماس (2014). "التصنيع البصري: الموجهات المكتوبة مباشرة بالليزر الفيمتوثانية تنتج دوائر كمومية في الزجاج" . ليزر فوكس وورلد . 50 (7).
  11. ↑ ستريلتسوف، أ.م.؛ بوريللي، ن.ف. (1 يناير 2001). "تصنيع وتحليل موصل اتجاهي مكتوب في الزجاج باستخدام نبضات ليزرية نانو جولية فيمتوثانية". رسائل البصريات . 26 (1): 42-43 . رمز Bibcode : 2001OptL...26...42S . doi : 10.1364/OL.26.000042 . PMID 18033501 . 
  12. ↑ خرابكو، روستيسلاف؛ لاي، تشانغي؛ كيسي، جولي؛ وود، ويليام أ.؛ بوريللي، نيكولاس ف. (15 ديسمبر 2014). "التركيز الذاتي المتراكم للأشعة فوق البنفسجية في زجاج السيليكا" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 105 (24): 244110. Bibcode : 2014ApPhL.105x4110K . doi : 10.1063/1.4904098 .
  13. ↑ ليو، هسوان-هاو؛ تشانغ، هونغ-تشون (2013). "أنماط بولاريتون بلازمون السطح المتسرب عند سطح فاصل بين المعدن والمواد أحادية المحور غير المتجانسة" . مجلة IEEE للضوئيات . 5 (6): 4800806. Bibcode : 2013IPhoJ...500806L . doi : 10.1109/JPHOT.2013.2288298 .

13. ياو تشو، جوفان تشانغ، فنغتشو فانغ. تصميم شاشة عرض شفافة قريبة من العين باستخدام دليل موجي هندسي ثنائي البؤرة. مجلة البصريات وتكنولوجيا الليزر، 2022، المجلد 156 ، https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108546

14. ياو تشو، جوفان تشانغ، فنغتشو فانغ. تصميم دليل موجي هندسي ثنائي الأبعاد ذي مجال رؤية واسع. نتائج في البصريات، المجلد 5، 2021، 100147، https://doi.org/10.1016/j.rio.2021.100147 .

  • الموجهات غير الخطية AdvR في فوسفات تيتانيل البوتاسيوم المشوب بالروبيديوم ( KTP )