Оптично влакно | тънко влакно от стъкло или пластмаса, което може да пренася светлина

История

Принципът на насочване на светлината чрез вътрешно отражение, който прави оптиката възможна, е демонстриран за първи път от Даниел Коладон и Жак Бабине в Париж в началото на 40-те години на XIX век. Джон Тиндал, физик, го демонстрира по време на публичните си лекции в Лондон 12 години по-късно.

Принципът е използван за първи път за вътрешни медицински прегледи от Хайнрих Лам през 30-те години на миналия век. По-късно през десетилетието се появяват съвременните оптични влакна, при които стъкленото влакно е покрито с прозрачна обвивка, за да предложи по-подходящ индекс на пречупване.

Терминът "влакнеста оптика" е въведен от Нариндер Сингх Капани.

През 1965 г. Чарлз К. Као и Джордж А. Хокъм от британската компания Standard Telephones and Cables (STC) първи показват, че загубата на интензитет в оптичните влакна може да бъде намалена, което прави влакната практична комуникационна среда. Те предлагат дефектите в наличните по това време влакна да се дължат на примеси, които могат да бъдат отстранени. Те посочват подходящия материал, който да се използва за такива влакна, като например силициево стъкло, което има висока чистота. Това откритие донесе на Као Нобелова награда за физика през 2009 г.

 
Даниел Коладон за първи път описва този "светлинен фонтан" или "светлинна тръба" в статия от 1842 г., озаглавена "Отраженията на светлинен лъч в параболичен поток от течност". Тази конкретна илюстрация е от по-късна статия на Коладон от 1884 г.  

Как работи

Оптичното влакно е дълга, тънка нишка от прозрачен материал. Формата му обикновено е подобна на цилиндър. В центъра му има сърцевина. Около сърцевината има слой, наречен облицовка. Сърцевината и обвивката са изработени от различни видове стъкло или пластмаса, така че светлината се движи по-бавно в сърцевината, отколкото в обвивката. Ако светлината в ядрото попадне под малък ъгъл в ръба на облицовката, тя се отразява. Светлината може да се движи вътре в ядрото и да се отразява от облицовката. Светлината не се отделя, докато не стигне до края на влакното, освен ако влакното не е рязко огънато или разтеглено.

Ако обвивката на влакното се надраска, тя може да се счупи. Пластмасово покритие, наречено буфер, покрива обвивката, за да я предпази. Често буферираното влакно се поставя в още по-здрав слой, наречен обвивка. Това улеснява използването на влакното, без то да се счупи.

 
Слоевете в един вид оптично влакно. 1.- сърцевина 8 µm 2.- обвивка 125 µm 3.- буфер 250 µm 4.- обвивка 400 µm  

Използва

Оптична комуникация

Основното приложение на оптичните влакна е в комуникациите (телекомуникациите). Оптичната комуникация предава информация от едно място на друго чрез изпращане на светлинни импулси през оптично влакно. Светлината образува електромагнитна носеща вълна, която се модулира, за да пренася информация. Разработени за първи път през 70-те години на миналия век, влакнесто-оптичните комуникационни системи направиха революция в телекомуникационната индустрия и спомогнаха за настъпването на информационната ера.

Ранните системи са имали малък обсег на действие, но по-късните използват по-прозрачни влакна. Тъй като светлината не изтича от влакното, тя може да измине голямо разстояние, преди сигналът да отслабне твърде много. Това се използва за изпращане на телефонни и интернет сигнали в рамките на градовете и между тях. Поради предимствата си пред електрическия пренос оптичните влакна до голяма степен са заменили комуникациите по медни проводници в опорните мрежи в развитите страни. Подводни кабели с оптични влакна свързват света.

Повечето оптични комуникационни системи имат електрически връзки. Електрическият сигнал управлява предавателя. Предавателят преобразува електрическия сигнал в светлинен и го изпраща по влакното до приемника. Приемникът преобразува светлинния сигнал обратно в електрически сигнал.

Понякога влакната се използват и за по-кратки връзки, например за пренос на звукови сигнали между плейър за компактдискове и стереоприемник. Влакната, използвани за тези къси връзки, често са изработени от пластмаса, която е по-малко прозрачна. TOSLINK е най-разпространеният тип оптичен конектор за стереоуредби.

Други употреби

Оптичните влакна могат да се използват като сензори. За целта се използват специални влакна, които променят начина, по който пропускат светлината, когато настъпи промяна около влакното. Подобни сензори могат да се използват за откриване на промени в температурата, налягането и други неща. Тези сензори са полезни, защото са малки и не се нуждаят от електричество на мястото, където се извършва засичането.

Тези влакна се използват и за пренасяне на светлина, която хората виждат. Понякога това се използва за украса, като например коледни елхи с оптични влакна. Понякога се използват за осветление, когато е удобно крушката да бъде поставена на друго място, а не там, където трябва да бъде светлината. Понякога се използва в знаците и изкуството за специални ефекти.

От сноп влакна може да се направи устройство, наречено ендоскоп или фиброскоп. Това е дълга тънка сонда, която може да се постави в малък отвор и която ще изпрати изображение на това, което се намира вътре, през влакното към камера. Ендоскопите се използват от лекарите, за да видят вътрешността на човешкото тяло, а понякога се използват от инженерите, за да видят вътрешността на тесни пространства в машините.

Оптичните влакна (с добавени специални химикали) могат да се използват като оптични усилватели. Това позволява на оптичния сигнал да пътува по-далеч между крайните точки и без преобразуване на оптичния сигнал в електрически и обратно, което намалява общата цена на компонентите. Тези оптични усилватели могат да се използват и за създаване на лазери. Те се наричат оптични лазери. Те могат да бъдат много мощни, тъй като дългите тънки влакна се поддържат лесно в хладно състояние и правят качествен светлинен лъч.

 
Коледна елха с обикновени и оптични лампички  


Вътрешността на часовник, видяна през фиброскоп.  


Щепсел TOSLINK