ابتكار روسي: ألياف بصرية بأقل فقد للطاقة على الإطلاق؟
© flickr.com / andrea.pacelli
تابعنا عبر
طور علماء روس أليافاً من الكالكوجينيد بفقد غير مسبوق يبلغ 0.56 ديسيبل/متر، ما يتيح توصيل الليزر بدقة عالية في الجراحة والصناعة، ويتغلب هذا الإنجاز على مشكلة التبلور من خلال تحسين تركيبة الزجاج وتنقيت، وتشمل التطبيقات المستقبلية أجهزة الاستشعار الطبية، وأجهزة قياس الطيف، والتحليل الكيميائي، وتم ذلك بدعم من منحة المؤسسة الروسية للعلوم.
تُعد الألياف البصرية بمثابة النسيج الموصل في عالم التكنولوجيا. تحمل هذه الخيوط الزجاجية الرقيقة إشارات الضوء عبر مسافات شاسعة، ما يُتيح الإنترنت السلكي والتلفزيون ونقل البيانات بشكل آمن. كما تعتمد أجهزة الليزر الطبية المستخدمة في جراحات العيون والأعصاب الدقيقة على الألياف البصرية التي تنقل الأشعة تحت الحمراء.
إلا أن الألياف البصرية التقليدية تعاني من عيب رئيسي: فقد كبير للطاقة، ما يُضعف الإشعاع المنقول، حسب ماورد في بوابة روسيا العلمية "ساينتيفيك.روسيا"، ونورد في مايلي أهم ماجاء حول الموضوع.
وقد طور علماء من معهد ديفياتيخ للكيمياء العالية النقاء التابع للأكاديمية الروسية للعلوم، تقنيات متقدمة لمعالجة هذه المشكلة، فابتكروا أليافًا بصرية تعمل بالأشعة تحت الحمراء بأقل فقد للضوء في العالم عند طول موجي يبلغ 10.6 ميكرومتر.
وأشار الدكتور ألكسندر بافلوفيتش فيلموزوف، الباحث الرئيسي ومدير المشروع، إلى أن الألياف البصرية تُغني عن أنظمة المرايا المعقدة والضخمة أثناء جراحات الليزر، ما يُحسّن سلامة العمليات الجراحية. في هذا المجال، يوجد طلب كبير على الألياف الضوئية لنقل الإشعاع بأطوال موجية تبلغ 9.3 و10.6 ميكرومتر، وهي أطوال موجية شائعة الاستخدام في الصناعة.
وأوضح قائلاً: "يُحدد الفقد الضوئي للألياف الضوئية قدرتها على نقل الإشعاع (الضوء). فكلما انخفضت هذه القيمة، كان انتشار الإشعاع عبر الألياف أفضل. وهذا يسمح بتوصيل شعاع ليزر قوي بدقة من المصدر إلى المنطقة المستهدفة (مثل العضو الذي تُجرى عليه العملية الجراحية) مع أدنى حد من فقد الطاقة".
تكمن المشكلة في أنه أثناء عملية تصنيع الألياف الضوئية العاملة بالأشعة تحت الحمراء، تتشكل بلورات مجهرية داخلها. تعمل هذه البلورات على تشتيت الضوء المار عبر الزجاج، ما يؤدي إلى فقد ضوئي كبير. فعلى وجه التحديد، في الألياف النموذجية المصنوعة من تيلوريد الجرمانيوم، يمكن أن يصل هذا الفقد إلى حوالي 10 ديسيبل/متر، أي 50,000 ضعف الفقد في ألياف الاتصالات القياسية. وحتى وقت قريب، لم تكن أدنى قيمة للفقد الضوئي المُحققة باستخدام الألياف الضوئية العاملة بالأشعة تحت الحمراء تقل عن 3 ديسيبل/متر.
أشار فيلموزوف إلى أن الشوائب البلورية تتشكل في الألياف لعدة أسباب.
أولًا، يتبلور الزجاج نفسه، الذي تُصنع منه الألياف، إذا لم يكن مستقرًا بما فيه الكفاية؛ لذا، يُعد تحسين التركيب الكيميائي للمادة مرحلة حاسمة في العمل.
ثانيًا، وجود شوائب غير قابلة للذوبان في الزجاج على شكل جزيئات. وللحد من هذه الشوائب، طور الباحثون طرقًا جديدة لتصنيع المادة الخام (المادة التي تتحول إلى زجاج عند صهرها وتبريدها).
ثالثًا، ظروف سحب الألياف غير المثلى، والتي قد يبدأ فيها حتى الزجاج المستقر بالتبلور.
تضمن نهج الباحثين لتحسين الألياف البصرية ثلاث مراحل متتالية.
ركزت المرحلة الأولى على تحسين المادة نفسها. أضاف الباحثون مكونا هاما، وهو يوديد الفضة، إلى زجاج تيلوريد الجرمانيوم. جعل هذا المادة أكثر مقاومة للتبلور ووسع نطاق الشفافية الطيفية للألياف بشكل طفيف.
وأشار الدكتور فيلموزوف إلى أن "يوديد الفضة معروف منذ زمن طويل بأنه أحد أفضل المثبتات لزجاج تيلوريد الجرمانيوم". كان الهدف الرئيسي لفريق البحث هو تحديد التركيز الأمثل لهذه المادة المضافة. تطلّب هذا العمل جهدًا كبيرًا، إذ درس الباحثون خصائص أكثر من 25 تركيبة زجاجية دراسةً معمقة، ونُشرت نتائج هذه الدراسة في مجلة "المواد البصرية".
تطلبت المرحلة الثانية تقليل محتوى الشوائب الضارة، مثل الهيدروجين والأكسجين. ولتحقيق ذلك، طوّر الباحثون تقنية جديدة لتنقية مكونات الزجاج تنقيةً عميقة. ونتيجةً لذلك، انخفض تركيز الهيدروجين والأكسجين في المادة إلى 0.00001%.
وأوضح فيلموزوف قائلًا: "هذه التقنية المحسنة معروفة عمومًا منذ فترة، ولكن لم يسبق استخدامها في إنتاج زجاج الكالكوجينيد". تتضمن هذه الطريقة تمرير مركب شديد التطاير (يوديد الجرمانيوم) فوق مادة غير متطايرة (الفضة في هذه الحالة) عند درجة حرارة عالية، ما يؤدي إلى تكوين مركب وسيط ذي تطاير متزايد. يتبخر هذا المركب الوسيط من الأمبولة الأصلية إلى مفاعل، حيث تُحافظ على درجة حرارة منخفضة. في المفاعل، يُعاد تحويل المركب الوسيط إلى المادة الأصلية غير المتطايرة. تُسمى هذه العملية بالنقل الكيميائي. في هذه الحالة، لا تنتقل الشوائب وتبقى في الأمبولة الأصلية.
تضمنت الخطوة الثالثة اتباع نهج جديد في عملية تشكيل الألياف الضوئية نفسها. ففي العادة، يُستخلص الزجاج المنصهر من بوتقة باستخدام غاز خامل لتشكيل خيط، إلا أن هذه الطريقة لها عيوبها. اقترح الباحثون بديلاً مبتكراً: استخلاص الألياف من أنبوب مصمت طويل عبر ثقب صغير في قاع وعاء خاص. في هذه الحالة، يُجمع الجزء الداخلي فقط من الزجاج الخام، بينما تبقى أي عيوب - مثل التجاويف والشقوق وجزيئات الكوارتز من الأنبوب العامل - على جدران الوعاء. وبفضل هذه التقنية الجديدة، تحسنت جودة الألياف الضوئية، وكذلك كفاءة نقل الضوء فيها.
وأشار فيلموزوف إلى أن الطريقة المستخدمة في هذه الدراسة ليست جديدة، ولكنها ذُكرت في ورقة بحثية واحدة فقط لباحثين أجانب، نُشرت منذ أكثر من 30 عاماً. وقد صمم فريقنا البحثي بشكل مستقل جهازاً لتطبيق هذه الطريقة، وحسّن معاييره لتناسب تركيبات زجاجية محددة. وأضاف: "هذا مكّننا من تصنيع ألياف ضوئية بنجاح بأقل فقد ضوئي سُجّل على الإطلاق".
حققت الألياف الضوئية الناتجة إنجازًا استثنائيًا. فعند نقل الإشعاع بطول موجي 10.6 ميكرومتر (وهو الطول الموجي المستخدم في معظم أنواع الليزر الشائعة في الطب والصناعة)، لم يتجاوز الفقد الضوئي في الليف 0.79 ديسيبل/متر. وكانت هذه المرة الأولى التي يُحقق فيها مثل هذا الإنجاز.
وفي أطوال موجية أخرى، بين 7.2 و10.9 ميكرومتر، كان الفقد الضوئي في المادة منخفضًا بشكل ملحوظ أيضًا: أقل من 1 ديسيبل/متر. وبلغ الحد الأدنى للفقد الذي تم تحقيقه باستخدام الليف الجديد 0.56 ديسيبل/متر، أي أقل بخمس مرات من الأرقام القياسية السابقة. إنه رقم قياسي!
لا تكمن أهمية هذا الاكتشاف في الألياف الضوئية التي حطمت الأرقام القياسية فحسب، بل أيضًا في حقيقة أن الباحثين أشاروا إلى أن عملهم ساعدهم في تحديد طرق ستؤدي إلى تطوير الألياف الضوئية في المستقبل.
ولا تقتصر فوائد هذه الألياف الضوئية الجديدة على الليزر الطبي الأكثر قوة ودقة فحسب، بل يمكن استخدامها أيضًا في أجهزة قياس الطيف على متن المركبات الفضائية التي تدرس الكواكب الأخرى.
أشار فيلموزوف إلى أن "أحد أهم تطبيقات الألياف الضوئية هو إنتاج أجهزة الاستشعار الضوئية، وهي أجهزة قادرة على تحديد التركيب الكيميائي للمواد. ويمكن استخدام هذه الأجهزة في مجالات عديدة، بدءًا من تحديد فعالية المضادات الحيوية وصولًا إلى تقييم جودة البنزين أو زيت المحركات في السيارات". سيخضع هذا النوع الجديد من الألياف الضوئية لاختبارات في مرافق ليزر حقيقية مستقبلًا.
يخطط فريق البحث لتطوير طريقة جديدة لتشكيل القالب الأولي الذي تُسحب منه الألياف، بهدف تحسين الألياف الضوئية وتقريبها من الاستخدام العملي. كما يعتزم الباحثون مواصلة تجاربهم على تقنيات إنتاج الألياف الضوئية لتطويرها بشكل أكبر.
تشمل خطط البحث المستقبلية تعزيز استقرار الزجاج ضد التبلور بإضافة عنصر جديد، وهو الغاليوم، ما سيقلل من فقدان الضوء في الألياف، وقد حصل الفريق على منحة من المؤسسة الروسية للعلوم وحكومة منطقة نيجني نوفغورود (رقم 25-13-20046) لهذا البحث.
