Οπτική ίνα

Ιστορία

Η καθοδήγηση του φωτός με εσωτερική ανάκλαση, η αρχή που καθιστά δυνατή την οπτική ίνα, επιδείχθηκε για πρώτη φορά από τους Daniel Colladon και Jacques Babinet στο Παρίσι στις αρχές της δεκαετίας του 1840. Ο John Tyndall, φυσικός, συμπεριέλαβε μια επίδειξή της στις δημόσιες διαλέξεις του στο Λονδίνο, 12 χρόνια αργότερα.

Η αρχή χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά για εσωτερικές ιατρικές εξετάσεις από τον Heinrich Lamm τη δεκαετία του 1930. Οι σύγχρονες οπτικές ίνες, όπου η γυάλινη ίνα επικαλύπτεται με ένα διαφανές περίβλημα για να προσφέρει έναν πιο κατάλληλο δείκτη διάθλασης, εμφανίστηκαν αργότερα στη δεκαετία.

Το 1965 οι Charles K. Kao και George A. Hockham της βρετανικής εταιρείας Standard Telephones and Cables (STC) ήταν οι πρώτοι που έδειξαν ότι η απώλεια έντασης στις οπτικές ίνες μπορούσε να μειωθεί, καθιστώντας τις ίνες ένα πρακτικό μέσο επικοινωνίας. Πρότειναν ότι τα ελαττώματα στις διαθέσιμες τότε ίνες οφείλονταν σε ακαθαρσίες οι οποίες μπορούσαν να αφαιρεθούν. Επεσήμαναν το κατάλληλο υλικό που έπρεπε να χρησιμοποιηθεί για τέτοιες ίνες, όπως το γυαλί πυριτίου το οποίο έχει υψηλή καθαρότητα. Η ανακάλυψη αυτή χάρισε στον Kao το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2009.

Ο Daniel Colladon περιέγραψε για πρώτη φορά αυτό το "σιντριβάνι φωτός" ή "φωτοσωλήνα" σε ένα άρθρο του 1842 με τίτλο "On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream". Η συγκεκριμένη εικόνα προέρχεται από ένα μεταγενέστερο άρθρο του Colladon, το 1884.

Πώς λειτουργεί

Μια οπτική ίνα είναι ένα μακρύ, λεπτό νήμα από διαυγές υλικό. Το σχήμα της είναι συνήθως παρόμοιο με κύλινδρο. Στο κέντρο έχει έναν πυρήνα. Γύρω από τον πυρήνα υπάρχει ένα στρώμα που ονομάζεται περίβλημα. Ο πυρήνας και το περίβλημα είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά είδη γυαλιού ή πλαστικού, έτσι ώστε το φως να ταξιδεύει πιο αργά στον πυρήνα από ό,τι στο περίβλημα. Εάν το φως στον πυρήνα χτυπήσει την άκρη του περιβλήματος σε μικρή γωνία, ανακλάται. Το φως μπορεί να ταξιδέψει μέσα στον πυρήνα και να αναπηδήσει από το περίβλημα. Κανένα φως δεν διαφεύγει μέχρι να φτάσει στο τέλος της ίνας, εκτός εάν η ίνα καμφθεί απότομα ή τεντωθεί.

Εάν το περίβλημα της ίνας γρατσουνιστεί, μπορεί να σπάσει. Μια πλαστική επίστρωση που ονομάζεται ρυθμιστικό κάλυμμα καλύπτει την επένδυση για την προστασία της. Συχνά, η ενισχυμένη ίνα τοποθετείται μέσα σε ένα ακόμη πιο ανθεκτικό στρώμα, που ονομάζεται μανδύας. Αυτό διευκολύνει τη χρήση της ίνας χωρίς να σπάσει.

Τα στρώματα σε ένα είδος οπτικής ίνας. 1.- Πυρήνας 8 µm2 .- Επένδυση 125 µm3 .- Απομονωτικό στρώμα 250 µm4 .- Μανδύας 400 µm

Χρησιμοποιεί το

Επικοινωνία μέσω οπτικών ινών

Η κύρια χρήση των οπτικών ινών είναι η επικοινωνία (τηλεπικοινωνίες). Η επικοινωνία μέσω οπτικών ινών μεταδίδει πληροφορίες από ένα μέρος σε ένα άλλο στέλνοντας παλμούς φωτός μέσω μιας οπτικής ίνας. Το φως σχηματίζει ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα φορέα που διαμορφώνεται για να μεταφέρει πληροφορίες. Τα συστήματα επικοινωνίας με οπτικές ίνες, που αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1970, έφεραν επανάσταση στον κλάδο των τηλεπικοινωνιών και συνέβαλαν στην έλευση της εποχής της πληροφορίας.

Τα πρώτα συστήματα είχαν μικρή εμβέλεια, αλλά τα μεταγενέστερα χρησιμοποίησαν ίνες που είναι πιο διαφανείς. Δεδομένου ότι το φως δεν διαρρέει από την ίνα, το φως μπορεί να διανύσει μεγάλη απόσταση πριν το σήμα γίνει πολύ αδύναμο. Αυτό χρησιμοποιείται για την αποστολή σημάτων τηλεφώνου και διαδικτύου εντός και μεταξύ πόλεων. Λόγω των πλεονεκτημάτων τους έναντι της ηλεκτρικής μετάδοσης, οι οπτικές ίνες έχουν αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό τις επικοινωνίες με χάλκινα καλώδια στα κεντρικά δίκτυα στον ανεπτυγμένο κόσμο.

Τα περισσότερα οπτικά συστήματα επικοινωνίας έχουν ηλεκτρικές συνδέσεις. Ένα ηλεκτρικό σήμα ελέγχει έναν πομπό. Ο πομπός μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε φωτεινό σήμα και το στέλνει μέσω της ίνας στον δέκτη. Ο δέκτης μετατρέπει το φωτεινό σήμα πίσω σε ηλεκτρικό σήμα.

Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται μερικές φορές και για μικρότερες συνδέσεις, όπως για παράδειγμα για τη μεταφορά των ηχητικών σημάτων μεταξύ μιας συσκευής αναπαραγωγής compact disc και ενός στερεοφωνικού δέκτη. Οι ίνες που χρησιμοποιούνται για αυτές τις σύντομες συνδέσεις είναι συχνά κατασκευασμένες από πλαστικό που είναι λιγότερο διαφανές. Το TOSLINK είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος οπτικού βύσματος για στερεοφωνικά συστήματα.

Άλλες χρήσεις

Οι οπτικές ίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται ειδικές ίνες, οι οποίες αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο περνούν το φως όταν υπάρχει κάποια αλλαγή γύρω από την ίνα. Τέτοιοι αισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση αλλαγών στη θερμοκρασία, την πίεση και άλλα πράγματα. Αυτοί οι αισθητήρες είναι χρήσιμοι επειδή είναι μικροί και δεν χρειάζονται ηλεκτρισμό στο σημείο όπου γίνεται η ανίχνευση.

Αυτές οι ίνες χρησιμοποιούνται επίσης για τη μεταφορά του φωτός που βλέπουν οι άνθρωποι. Αυτό χρησιμοποιείται μερικές φορές για διακόσμηση, όπως τα χριστουγεννιάτικα δέντρα με οπτικές ίνες. Μερικές φορές χρησιμοποιείται για φωτισμό, όταν είναι βολικό να υπάρχει ο λαμπτήρας σε άλλο σημείο από εκεί που χρειάζεται να υπάρχει το φως. Αυτό χρησιμοποιείται μερικές φορές σε πινακίδες και στην τέχνη για ειδικά εφέ.

Μια δέσμη ινών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μιας συσκευής που ονομάζεται ενδοσκόπιο ή ινοσκόπιο. Πρόκειται για έναν μακρύ λεπτό καθετήρα που μπορεί να τοποθετηθεί σε μια μικρή τρύπα, ο οποίος θα στείλει μια εικόνα του τι υπάρχει μέσα μέσω της ίνας σε μια κάμερα. Τα ενδοσκόπια χρησιμοποιούνται από τους γιατρούς για να δουν μέσα στο ανθρώπινο σώμα και μερικές φορές χρησιμοποιούνται από μηχανικούς για να δουν μέσα σε στενούς χώρους σε μηχανές.

Οι οπτικές ίνες (με προσθήκη ειδικών χημικών ουσιών) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικοί ενισχυτές. Αυτό επιτρέπει σε ένα οπτικό σήμα να ταξιδέψει μακρύτερα μεταξύ των τελικών σημείων, και χωρίς μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρικό και αντίστροφα, μειώνοντας το συνολικό κόστος των εξαρτημάτων. Αυτοί οι οπτικοί ενισχυτές μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία λέιζερ. Αυτά ονομάζονται λέιζερ ινών. Μπορούν να είναι πολύ ισχυρά, επειδή η μακριά λεπτή ίνα είναι εύκολο να διατηρηθεί δροσερή και δημιουργεί μια καλής ποιότητας δέσμη φωτός.

Ένα βύσμα TOSLINK


Χριστουγεννιάτικο δέντρο με κανονικά φώτα και φώτα οπτικών ινών


Το εσωτερικό ενός ρολογιού, ιδωμένο μέσα από ένα ινοσκόπιο.