1-2) ماهیت نور
ماهیت دو گانه نور که متناقض به نظر می رسید در یکی دو قرن پیش شناخته شد و همه آن را پذیرفتند (یا لااقل ما این طور فکر می کنیم)، این دو ماهیت یکی ماهیت موجی (الکترومغناطیسی) نور و دیگر ماهیت ذره ای آن است.
1-2-1)ماهیت موجی نور
ماهیت موجی نور مشابه ماهیت امواج رادیویی و اشعه ایکس است. با توجه به این ماهیت ، می توان خواص انعکاس، انکسار، پراش، تداخل، قطبی شدن، محو شدن و اتلاف نور را توجیه کرد، پس نور به عنوان یک موج الکترومغناطیسی با هر نوع با الکتریکی که در اطرافآن باشد وارد تعامل می شود. بنابراین برای اندازه گیری نیروی میدان الگتریکی نور (از نظر بزرگی و جهت) در هر نقطه ذر فضا یک بار الکتریکی فرضی مثبت در آن نقطه در نظر گرفته می شود، همین طور برای اندازه گیری نیروی میدان مغناطیسی (هم بزرگی و هم جهت) یک وسیله دو قطبی مغناطیسی در محل مورد استفاده قرار می گیرد.
موج الکترو مغناطیسی و بنابراین نور با فرکانس ، طول موج، فاز و سرعت انتشار نور نسبت به یک نقطه مرجع مشخص می شود:
- فرکانس، تعداد نوسانات در ثانیه است و طول موج، فاصله طی شده در مدت زمان یک نوسان کامل (مثلا از قله تا قله) در فضای آزاد یا در یک محیط است. واحد سنجش فرکانس، دور در ثانیه یا هرتز است و واحد طول موج، نانومتر(nm) یا میکرو متر (µm) است. واحد قدیمی آن نیز آنگستروم است که هر آنگستروم معادل 10[SUP]-10[/SUP] متر است.
- فاز نسبت به نقطه مرجع، عبارتست از اختلاف زاویه بین قله های موج با آن نقطه.
- سرعت انتشار، مسافتی است که قله یک موج در واحد زمان طی می کند.
نور مونوکروم یا تک رنگ نوری است که امواج آن همگی در یک فرکانس واحد هستند.امواجی که در فضا منتشر می شوند، جبهه موجی کروی دارند با این حال برای آسان شدن آنالیز ریاضی، امواج الکترومغناطیسی را صفحه ای در نظر می گیرند. پس طبق قانون ماکسول این معادلات در مورد موج الکترومغناطیسی صادق است :
∇[SUP]2[/SUP]E = (1/ʋ[SUP]2[/SUP]) (∂[SUP]2 [/SUP]E/∂t[SUP]2[/SUP])
∇[SUP]2[/SUP]H = (1/ʋ[SUP]2[/SUP]) (∂[SUP]2 [/SUP]H/∂t[SUP]2[/SUP])
D =ρ.∇
و
B = 0.∇
که در آن [SUP]2[/SUP]∇ عملگر لاپلاس، ʋ سرعت موج دورن محیط ، E و Hبه ترتیب میادین الکتریکی و مغناطیسی ، D بردار جا به جایی الکتریکی (گرادیان آن چگالی بارρ است)، و B بردار القاء مغناطیسی است. بین این چهار بردار رابطه زیر برقرار است :
D = ԑ[SUB]0 [/SUB]E + P
B = µ[SUB]0[/SUB] H + M
که در آن ԑ[SUB]0[/SUB] و µ[SUB]0[/SUB] نفوذپذیری و گذردهی دی الکتریک در فضای آزاد هستند و P و M هم به ترتیب دو قطبی شدن الکتریکی و دو قطبی شدن مغناطیسی موج هستند.
وقتی یک موج لکترومغناطیسی در یک محیط خطی (یک غیر متبلور) منتشر می شود، دو قطبی شدن الکتریکی به این صورت بیان می شود:
P = ԑ[SUB]0 [/SUB]χ E
که در آن χ قابلیت پذیرش الکتریکی محیط است (در یک محیط غیر خطی ،بر حسب تنسور بیان می شود)؛ باید به این نکته توجه داشت که در یک محیط غیر خطی رابطه اخیر شامل جملاتی از مرتبه بالا تر نیز هست.
علاوه بر این ثابت الکتریکی ماده، ԑ ، با قابلیت پذیرش، دارای چنین رابطه ای است :
ԑ = ԑ[SUB]0 [/SUB](1 + χ)
انتشار یک موج مسطح با دو رابطه زیر تعریف می شود :
E (r, t) = E[SUB]0[/SUB]e[SUP]-j(ωt-k.r)[/SUP]
H (r, t) = H[SUB]0[/SUB]e[SUP]-j(ωt-k.r)[/SUP]
که ω فرکانس زاویه ای ، r بردار مکان و k بردار موج است که با ثابت دی الکتریک چنین رابطه ای دارد :
(ωθ (µ[SUB]0[/SUB]ԑ=׀k׀ =K
در دو رابطه ی مذکور موج، اعداد مختلط و شامل یک عبارت حقیقی یعنی cos(x) و یک عبارن موهومی sin(x) هستند، از آنجایی که کمیت قابل اندازه گیری در عبارت فقط حقیقی است ، می توان آن را به این صورت ساده کرد:
E (r, t) = E[SUB]0[/SUB] cos (ωt – k.r)
و
E (r, t) = E[SUB]0[/SUB] cos (ωt – k.r)
و در نهایت وقتی یک موج مسطح تک رنگ در فضای آزاد حرکت می کند، سرعت ماکزیمم و ثابت آن برابر است با (از آنجای که [SUB]0[/SUB]µ و [SUB]0[/SUB]ԑ در کمیت ثابت هستند) :
c = ω / k = 1/ [√(µ[SUB]0[/SUB] ԑ[SUB]0[/SUB])]
که در آن c = 2.99792458×10[SUP]10[/SUP] سانتیمتر بر ثانیه یا تقریبا cm/nsec30 است. وقتی نور در محیطی (به غیر از فضای آزاد ) حرکت می کند، سرعت آن ʋ به این صورت محاسبه می شود :
c = ω / k = 1/ [√(µ ԑ)]
چون [SUB]0[/SUB]µ < µ و[SUB]0[/SUB]ԑ > ԑ است، سرعت نور در هر محیط همیشه کوچکتر از c است.
منبع : کتاب شبکه ها ، قطعات و فناوری DWDM
تالیف : استیماتیوس کارتالوپولوس
ترجمه: دکتر علی اصغر عمیدیان ، دکتر سید علی علویان