ใยแก้วนำแสง ซึ่งเป็นส่วนประกอบคลื่นนำแสงที่สำคัญ กำลังถูกนำมาใช้มากขึ้นในด้านโทรคมนาคม, สเปกโทรสโกปี, การส่องสว่าง และการใช้งานเซ็นเซอร์ การทำความเข้าใจหลักการทำงานและการเพิ่มประสิทธิภาพของพวกมันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเพิ่มศักยภาพสูงสุดในการใช้งานจริง
ใยแก้วนำแสงทำหน้าที่เป็นคลื่นนำแสงโดยใช้การสะท้อนกลับภายในทั้งหมด (TIR) เพื่อจำกัดและนำแสงภายในโครงสร้างของแข็งหรือของเหลว ใยแก้วนำแสงชนิดที่แพร่หลายที่สุด—ใยแก้วนำแสงแบบดัชนีขั้นบันได—ประกอบด้วยแกนที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าล้อมรอบด้วยแคลดดิ้ง เมื่อแสงกระทบกับรอยต่อแกน-แคลดดิ้งในมุมที่เกินมุมวิกฤต TIR จะเกิดขึ้น ทำให้แสงติดอยู่ภายในแกน
มุมรับแสง (θ acc ) กำหนดมุมตกกระทบสูงสุดสำหรับ TIR และคำนวณโดยใช้กฎของสเนลล์:
θ acc = arcsin(√(n core ² - n clad ²) / n)
โดยที่ n core และ n clad แสดงถึงดัชนีการหักเหของแกนและแคลดดิ้งตามลำดับ และ n หมายถึงดัชนีการหักเหของตัวกลางภายนอก ผู้ผลิตมักจะกำหนดลักษณะความสามารถในการรวบรวมแสงผ่านรูรับแสงเชิงตัวเลข (NA):
NA = √(n core ² - n clad ²)
สำหรับใยแก้วนำแสงแบบมัลติโหมดแบบดัชนีขั้นบันไดขนาดใหญ่ สูตรนี้ให้ค่า NA ที่แม่นยำ การพิจารณาเชิงทดลองผ่านการวัดโปรไฟล์ลำแสงในระยะไกล (การระบุมุมที่ความเข้มลดลงเหลือ 5% ของค่าสูงสุด) เสนอการตรวจสอบทางเลือก
แต่ละเส้นทางแสงที่เป็นไปได้ผ่านไฟเบอร์ประกอบด้วยโหมดนำแสง เรขาคณิตของไฟเบอร์และคุณสมบัติของวัสดุกำหนดจำนวนโหมด ตั้งแต่โหมดเดียวไปจนถึงหลายพันโหมด ความถี่ปกติ (V-number) ประมาณการโหมดที่รองรับ:
V = (2πa/λ) × NA
โดยที่ a คือรัศมีแกนและ λ คือความยาวคลื่นในอวกาศอิสระ ไฟเบอร์มัลติโหมดแสดงค่า V >>1 (เช่น V≈40.8 สำหรับไฟเบอร์ 50µm/0.39NA ที่ 1.5µm) รองรับโหมดประมาณ V²/2 ไฟเบอร์โหมดเดียวรักษา V<2.405 ผ่านแกนที่เล็กกว่าและ NA ที่ต่ำกว่า
| ประเภท | ลักษณะเฉพาะ | กลยุทธ์การลด |
|---|---|---|
| มาโครเบนดิ้ง | ความโค้งทางกายภาพเกินรัศมีวิกฤต | รักษารัศมีการโค้งงอที่ผู้ผลิตระบุ |
| ไมโครเบนดิ้ง | ข้อบกพร่องของรอยต่อแกน-แคลดดิ้ง | กระบวนการผลิตที่มีคุณภาพ |
| ประเภทการสัมผัส | เกณฑ์ทางทฤษฎี | ระดับความปลอดภัยในการใช้งานจริง |
|---|---|---|
| การทำงานแบบ CW | ~1 MW/cm² | ~250 kW/cm² |
| พัลส์ 10ns | ~5 GW/cm² | ~1 GW/cm² |
ใยแก้วนำแสง ซึ่งเป็นส่วนประกอบคลื่นนำแสงที่สำคัญ กำลังถูกนำมาใช้มากขึ้นในด้านโทรคมนาคม, สเปกโทรสโกปี, การส่องสว่าง และการใช้งานเซ็นเซอร์ การทำความเข้าใจหลักการทำงานและการเพิ่มประสิทธิภาพของพวกมันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเพิ่มศักยภาพสูงสุดในการใช้งานจริง
ใยแก้วนำแสงทำหน้าที่เป็นคลื่นนำแสงโดยใช้การสะท้อนกลับภายในทั้งหมด (TIR) เพื่อจำกัดและนำแสงภายในโครงสร้างของแข็งหรือของเหลว ใยแก้วนำแสงชนิดที่แพร่หลายที่สุด—ใยแก้วนำแสงแบบดัชนีขั้นบันได—ประกอบด้วยแกนที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าล้อมรอบด้วยแคลดดิ้ง เมื่อแสงกระทบกับรอยต่อแกน-แคลดดิ้งในมุมที่เกินมุมวิกฤต TIR จะเกิดขึ้น ทำให้แสงติดอยู่ภายในแกน
มุมรับแสง (θ acc ) กำหนดมุมตกกระทบสูงสุดสำหรับ TIR และคำนวณโดยใช้กฎของสเนลล์:
θ acc = arcsin(√(n core ² - n clad ²) / n)
โดยที่ n core และ n clad แสดงถึงดัชนีการหักเหของแกนและแคลดดิ้งตามลำดับ และ n หมายถึงดัชนีการหักเหของตัวกลางภายนอก ผู้ผลิตมักจะกำหนดลักษณะความสามารถในการรวบรวมแสงผ่านรูรับแสงเชิงตัวเลข (NA):
NA = √(n core ² - n clad ²)
สำหรับใยแก้วนำแสงแบบมัลติโหมดแบบดัชนีขั้นบันไดขนาดใหญ่ สูตรนี้ให้ค่า NA ที่แม่นยำ การพิจารณาเชิงทดลองผ่านการวัดโปรไฟล์ลำแสงในระยะไกล (การระบุมุมที่ความเข้มลดลงเหลือ 5% ของค่าสูงสุด) เสนอการตรวจสอบทางเลือก
แต่ละเส้นทางแสงที่เป็นไปได้ผ่านไฟเบอร์ประกอบด้วยโหมดนำแสง เรขาคณิตของไฟเบอร์และคุณสมบัติของวัสดุกำหนดจำนวนโหมด ตั้งแต่โหมดเดียวไปจนถึงหลายพันโหมด ความถี่ปกติ (V-number) ประมาณการโหมดที่รองรับ:
V = (2πa/λ) × NA
โดยที่ a คือรัศมีแกนและ λ คือความยาวคลื่นในอวกาศอิสระ ไฟเบอร์มัลติโหมดแสดงค่า V >>1 (เช่น V≈40.8 สำหรับไฟเบอร์ 50µm/0.39NA ที่ 1.5µm) รองรับโหมดประมาณ V²/2 ไฟเบอร์โหมดเดียวรักษา V<2.405 ผ่านแกนที่เล็กกว่าและ NA ที่ต่ำกว่า
| ประเภท | ลักษณะเฉพาะ | กลยุทธ์การลด |
|---|---|---|
| มาโครเบนดิ้ง | ความโค้งทางกายภาพเกินรัศมีวิกฤต | รักษารัศมีการโค้งงอที่ผู้ผลิตระบุ |
| ไมโครเบนดิ้ง | ข้อบกพร่องของรอยต่อแกน-แคลดดิ้ง | กระบวนการผลิตที่มีคุณภาพ |
| ประเภทการสัมผัส | เกณฑ์ทางทฤษฎี | ระดับความปลอดภัยในการใช้งานจริง |
|---|---|---|
| การทำงานแบบ CW | ~1 MW/cm² | ~250 kW/cm² |
| พัลส์ 10ns | ~5 GW/cm² | ~1 GW/cm² |
