Optikai szál

Előzmények

A fény belső visszaverődéssel történő vezetését, a száloptikát lehetővé tevő elvet először Daniel Colladon és Jacques Babinet mutatta be Párizsban az 1840-es évek elején. John Tyndall fizikus 12 évvel később Londonban tartott nyilvános előadásaiba is belefoglalta ennek bemutatását.

Az elvet először Heinrich Lamm használta belső orvosi vizsgálatokra az 1930-as években. A modern optikai szálak, amelyeknél az üvegszálat átlátszó burkolattal vonták be, hogy megfelelőbb törésmutatót biztosítsanak, az évtized későbbi szakaszában jelentek meg.

1965-ben Charles K. Kao és George A. Hockham, a brit Standard Telephones and Cables (STC) vállalat munkatársai mutatták ki elsőként, hogy az optikai szálak intenzitásveszteségét csökkenteni lehet, és így a szálak gyakorlati kommunikációs médiummá váltak. Azt javasolták, hogy az akkoriban rendelkezésre álló szálak hibáit szennyeződések okozták, amelyeket el lehetett távolítani. Rámutattak az ilyen szálakhoz használandó megfelelő anyagra, például a nagy tisztaságú szilícium-dioxid-üvegre. Ez a felfedezés hozta meg Kaónak a fizikai Nobel-díjat 2009-ben.

Daniel Colladon írta le először ezt a "fényszökőkutat" vagy "fénycsövet" 1842-ben megjelent, A fénysugár visszaverődéséről egy parabolikus folyadékáramban című cikkében. Ez az illusztráció Colladon egy későbbi, 1884-es cikkéből származik.

Hogyan működik

Az optikai szál egy hosszú, vékony, átlátszó anyagból készült szál. Alakja általában hengerhez hasonló. A közepén egy mag található. A mag körül egy burkolatnak nevezett réteg található. A mag és a burkolat különböző üvegből vagy műanyagból készül, így a fény a magban lassabban terjed, mint a burkolatban. Ha a magban lévő fény kis szögben éri el a burkolat szélét, visszaverődik. A fény a mag belsejében haladhat, és visszaverődhet a burkolatról. A fény nem szökik ki, amíg a szál végéhez nem ér, kivéve, ha a szál élesen meghajlik vagy megnyúlik.

Ha a szál burkolata megkarcolódik, akkor eltörhet. A burkolatot egy puffer nevű műanyag bevonat fedi, hogy megvédje azt. Gyakran előfordul, hogy a pufferelt szál egy még keményebb rétegbe, az úgynevezett köpenybe kerül. Ez megkönnyíti a szál használatát anélkül, hogy eltörne.

Az egyik optikai szál rétegei. 1.- Mag 8 µm2 .- Köpeny 125 µm3 .- Puffer 250 µm4 .- Köpeny 400 µm

Használja a

Száloptikai kommunikáció

Az optikai szálak fő felhasználási területe a kommunikáció (távközlés). Az optikai szálas kommunikáció úgy továbbítja az információt egyik helyről a másikra, hogy fényimpulzusokat küld egy optikai szálon keresztül. A fény elektromágneses vivőhullámot alkot, amelyet az információ továbbítása érdekében modulálnak. Az először az 1970-es években kifejlesztett száloptikai kommunikációs rendszerek forradalmasították a távközlési ipart, és hozzájárultak az információs korszak eljöveteléhez.

A korai rendszerek rövid hatótávolságúak voltak, de a későbbiek már átláthatóbb szálakat használtak. Mivel a fény nem szivárog ki a szálból, a fény nagy távolságot képes megtenni, mielőtt a jel túl gyenge lenne. Ezt használják telefon- és internetjelek küldésére városokon belül és városok között. Az elektromos átvitellel szembeni előnyei miatt az optikai szálak a fejlett világ központi hálózataiban nagyrészt felváltották a rézvezetékes kommunikációt.

A legtöbb optikai kommunikációs rendszer elektromos csatlakozásokkal rendelkezik. Egy elektromos jel vezérli az adót. Az adó az elektromos jelet fényjellé alakítja, és a szálon keresztül a vevőhöz küldi. A vevő a fényjelet visszaalakítja elektromos jellé.

A szálakat néha rövidebb összeköttetésekre is használják, például a hangjelek továbbítására egy CD-lejátszó és egy sztereó vevőegység között. Az ilyen rövid összeköttetésekhez használt szálak gyakran műanyagból készülnek, amely kevésbé átlátszó. A TOSLINK a sztereó készülékekhez használt optikai csatlakozók legelterjedtebb típusa.

Egyéb felhasználások

Az optikai szálak érzékelőként használhatók. Erre speciális szálakat használnak, amelyek megváltoztatják a fény átengedésének módját, ha a szál körül változás történik. Az ilyen érzékelők a hőmérséklet, a nyomás és más dolgok változásainak érzékelésére használhatók. Ezek az érzékelők azért hasznosak, mert kicsik, és nincs szükségük elektromosságra azon a helyen, ahol az érzékelés történik.

Ezek a szálak az emberek számára a látáshoz szükséges fény továbbítására is szolgálnak. Ezt néha díszítésre használják, mint például a száloptikás karácsonyfák. Néha világításra is használják, amikor kényelmes, ha az izzó nem ott van, ahol a fénynek lennie kell. Ezt néha jeleknél és művészeti alkotásoknál használják különleges effektusokhoz.

Egy szálkötegből endoszkópnak vagy száloptikának nevezett eszköz készíthető. Ez egy hosszú, vékony szonda, amely egy kis lyukba helyezhető, és amely a szálon keresztül egy kamerának képet küld arról, hogy mi van benne. Az endoszkópokat az orvosok arra használják, hogy belelássanak az emberi test belsejébe, és néha a mérnökök is használják, hogy belelássanak a gépek szűk helyiségeibe.

Az optikai szálak (speciális vegyszerekkel kiegészítve) optikai erősítőként használhatók. Ez lehetővé teszi, hogy az optikai jel tovább haladjon a végpontok között, és anélkül, hogy az optikai jelet elektromosra alakítanák át, és vissza, csökkentve ezzel az alkatrészek összköltségét. Ezek az optikai erősítők lézerek létrehozására is felhasználhatók. Ezeket szálas lézereknek nevezik. Ezek nagyon erősek lehetnek, mert a hosszú, vékony szál könnyen hűvösön tartható, és jó minőségű fénysugarat eredményez.

TOSLINK dugó


Karácsonyfa normál és száloptikás fényekkel


Egy óra belseje, száloptikán keresztül nézve.