Оптическое волокно

История

Направление света путем внутреннего отражения - принцип, который делает возможной волоконную оптику, - был впервые продемонстрирован Даниэлем Колладоном и Жаком Бабине в Париже в начале 1840-х годов. Джон Тиндалл, физик, включил демонстрацию этого принципа в свои публичные лекции в Лондоне 12 лет спустя.

Впервые этот принцип был использован для внутренних медицинских обследований Генрихом Ламмом в 1930-х годах. Современные оптические волокна, в которых стекловолокно покрыто прозрачной оболочкой для обеспечения более подходящего коэффициента преломления, появились позднее в этом десятилетии.

В 1965 году Чарльз К. Као и Джордж А. Хокхэм из британской компании Standard Telephones and Cables (STC) первыми показали, что потери интенсивности в оптических волокнах могут быть уменьшены, что делает волокна практичным средством связи. Они предположили, что дефекты волокон, доступных в то время, были вызваны примесями, которые можно удалить. Они указали, какой материал следует использовать для таких волокон, например, кварцевое стекло, обладающее высокой чистотой. Это открытие принесло Као Нобелевскую премию по физике в 2009 году.

Даниэль Колладон впервые описал этот "световой фонтан" или "световую трубу" в статье 1842 года под названием "Об отражении луча света внутри параболического потока жидкости". Эта конкретная иллюстрация взята из более поздней статьи Колладона в 1884 году.

Как это работает

Оптическое волокно - это длинная тонкая нить прозрачного материала. Его форма обычно похожа на цилиндр. В центре находится сердцевина. Вокруг сердцевины находится слой, называемый оболочкой. Сердцевина и оболочка сделаны из разных видов стекла или пластика, поэтому в сердцевине свет распространяется медленнее, чем в оболочке. Если свет в ядре попадает на край облицовки под небольшим углом, он отражается от нее. Свет может двигаться внутри ядра и отскакивать от оболочки. Свет не выходит из волокна, пока не дойдет до его конца, если только волокно не согнуто резко или не растянуто.

Если поцарапать оболочку волокна, оно может сломаться. Пластиковое покрытие, называемое буфером, покрывает оболочку для ее защиты. Часто буферное волокно помещают внутрь еще более жесткого слоя, называемого оболочкой. Это позволяет легко использовать волокно, не ломая его.

Слои в одном виде оптического волокна. 1.- Сердечник 8 мкм2 .- Оболочка 125 мкм3 .- Буфер 250 мкм4 .- Оболочка 400 мкм

Использует

Волоконно-оптическая связь

Основное применение оптического волокна - это связь (телекоммуникация). Волоконно-оптическая связь передает информацию из одного места в другое, посылая импульсы света через оптическое волокно. Свет образует электромагнитную несущую волну, которая модулируется для передачи информации. Впервые разработанные в 1970-х годах, волоконно-оптические системы связи произвели революцию в телекоммуникационной отрасли и способствовали наступлению информационного века.

Ранние системы имели небольшой радиус действия, но более поздние использовали более прозрачные волокна. Поскольку свет не вытекает из волокна, он может пройти большое расстояние, прежде чем сигнал станет слишком слабым. Это используется для передачи телефонных и интернет-сигналов внутри городов и между ними. Благодаря своим преимуществам перед электрической передачей, оптические волокна в значительной степени заменили медные провода в основных сетях в развитых странах мира.

Большинство оптических систем связи имеют электрические соединения. Электрический сигнал управляет передатчиком. Передатчик преобразует электрический сигнал в световой и отправляет его по оптоволокну к приемнику. Приемник преобразует световой сигнал обратно в электрический.

Волокно иногда используется и для более коротких линий связи, например, для передачи звуковых сигналов между проигрывателем компакт-дисков и стереоприемником. Волокно, используемое для таких коротких линий связи, часто изготавливается из пластика, который менее прозрачен. TOSLINK - самый распространенный тип оптического разъема для стереосистем.

Другие виды использования

Оптические волокна можно использовать в качестве датчиков. Для этого используются специальные волокна, которые меняют способ прохождения света, когда вокруг волокна происходят изменения. Подобные датчики могут использоваться для обнаружения изменений температуры, давления и других вещей. Эти датчики полезны, потому что они маленькие и не требуют электричества в месте, где происходит зондирование.

Эти волокна также используются для передачи света, который может видеть человек. Иногда это используется для украшения, например, оптоволоконные рождественские елки. Иногда оно используется для освещения, когда удобно располагать лампочку не там, где нужен свет. Это иногда используется в вывесках и искусстве для создания специальных эффектов.

Пучок волокон можно использовать для создания устройства, называемого эндоскопом или фиброскопом. Это длинный тонкий зонд, который можно поместить в небольшое отверстие, и он будет передавать изображение того, что находится внутри, через волокно на камеру. Эндоскопы используются врачами для осмотра человеческого тела, а также иногда применяются инженерами для осмотра узких мест в машинах.

Оптические волокна (с добавлением специальных химических веществ) могут использоваться в качестве оптических усилителей. Это позволяет оптическому сигналу распространяться дальше между конечными точками без преобразования оптического сигнала в электрический и обратно, что снижает общую стоимость компонентов. Эти оптические усилители также могут быть использованы для создания лазеров. Они называются волоконными лазерами. Они могут быть очень мощными, потому что длинное тонкое волокно легко охлаждается и создает качественный световой пучок.

Штекер TOSLINK


Рождественская елка с обычными и оптоволоконными огнями


Внутренняя часть часов, рассмотренная через фиброскоп.