Optično vlakno: definicija, delovanje in glavne uporabe

Vodenje svetlobe z notranjim odbojem, načelo, ki omogoča optična vlakna, sta v začetku štiridesetih let 19. stoletja v Parizu prvič pokazala Daniel Colladon in Jacques Babinet. Fizik John Tyndall je 12 let pozneje v svojih javnih predavanjih v Londonu predstavil to metodo.

Načelo je v tridesetih letih prejšnjega stoletja za notranje zdravstvene preglede prvič uporabil Heinrich Lamm. Sodobna optična vlakna, pri katerih so steklena vlakna prevlečena s prozorno oblogo, ki zagotavlja ustreznejši lomni količnik, so se pojavila kasneje v desetletju.

Leta 1965 sta Charles K. Kao in George A. Hockham iz britanskega podjetja Standard Telephones and Cables (STC) prva pokazala, da je mogoče zmanjšati izgubo intenzivnosti v optičnih vlaknih, s čimer so vlakna postala praktičen komunikacijski medij. Predlagala sta, da so napake v vlaknih, ki so bila takrat na voljo, posledica nečistoč, ki jih je mogoče odstraniti. Opozorili so na pravi material, ki ga je treba uporabiti za takšna vlakna, na primer silicijevo steklo, ki ima visoko čistost. Za to odkritje je Kao leta 2009 prejel Nobelovo nagrado za fiziko.

Optično vlakno je dolg, tanek pramen prozornega materiala. Njegova oblika je običajno podobna valju. V sredini ima jedro. Okoli jedra je plast, ki se imenuje obloga. Jedro in obloga sta izdelana iz različnih vrst stekla ali plastike, zato svetloba v jedru potuje počasneje kot v oblogi. Če svetloba v jedru pade na rob obloge pod majhnim kotom, se odbije. Svetloba lahko potuje znotraj jedra in se odbije od obloge. Svetloba ne uide, dokler ne pride do konca vlakna, razen če je vlakno močno upognjeno ali raztegnjeno.

Če se obloga vlakna opraska, se lahko zlomi. Plastična prevleka, imenovana pufer, prekriva oblogo in jo ščiti. Pogosto je vlakno s pufrom vstavljeno v še trdnejšo plast, imenovano plašč. To omogoča, da vlakno enostavno uporabljamo, ne da bi ga zlomili.

Komunikacija z optičnimi vlakni

Glavna uporaba optičnih vlaken je v komunikacijah (telekomunikacijah). Pri komunikaciji z optičnimi vlakni se informacije prenašajo z enega mesta na drugo s pošiljanjem svetlobnih impulzov po optičnem vlaknu. Svetloba tvori elektromagnetno nosilno valovanje, ki se modulira za prenos informacij. Optični komunikacijski sistemi, ki so bili prvič razviti v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, so korenito spremenili telekomunikacijsko industrijo in pripomogli k prihodu informacijske dobe.

Zgodnji sistemi so imeli kratek doseg, poznejši pa so uporabljali vlakna, ki so bolj pregledna. Ker svetloba ne uhaja iz vlakna, lahko doseže veliko razdaljo, preden signal postane prešibek. To se uporablja za pošiljanje telefonskih in internetnih signalov znotraj mest in med njimi. Zaradi prednosti pred električnim prenosom so optična vlakna v razvitem svetu v glavnem nadomestila komunikacije z bakrenimi žicami v osrednjih omrežjih.

Večina optičnih komunikacijskih sistemov ima električne povezave. Električni signal krmili oddajnik. Oddajnik pretvori električni signal v svetlobni signal in ga pošlje po vlaknu do sprejemnika. Sprejemnik pretvori svetlobni signal nazaj v električni signal.

Vlakna se včasih uporabljajo tudi za krajše povezave, na primer za prenos zvočnih signalov med predvajalnikom zgoščenk in stereo sprejemnikom. Vlakna, ki se uporabljajo za te kratke povezave, so pogosto izdelana iz plastike, ki je manj prozorna. TOSLINK je najpogostejša vrsta optičnega vtiča za stereofonske sprejemnike.

Druge uporabe

Optična vlakna se lahko uporabljajo kot senzorji. Za to se uporabljajo posebna vlakna, ki ob spremembi v okolici vlakna spremenijo način prepuščanja svetlobe. Takšni senzorji se lahko uporabljajo za zaznavanje sprememb temperature, tlaka in drugih stvari. Ti senzorji so uporabni, ker so majhni in ne potrebujejo električne energije na mestu, kjer se zaznava.

Ta vlakna se uporabljajo tudi za prenos svetlobe, ki jo ljudje vidimo. To se včasih uporablja za dekoracijo, kot so božična drevesca z optičnimi vlakni. Včasih se uporabljajo za razsvetljavo, kadar je priročno, da je žarnica drugje kot tam, kjer mora biti svetloba. Včasih se uporablja v znakih in umetnosti za posebne učinke.

Iz snopa vlaken je mogoče izdelati napravo, imenovano endoskop ali fibroskop. To je dolga tanka sonda, ki jo lahko vstavite v majhno luknjo in ki skozi vlakna pošlje sliko notranjosti v kamero. Endoskope uporabljajo zdravniki, da vidijo notranjost človeškega telesa, včasih pa jih uporabljajo tudi inženirji, da vidijo notranjost tesnih prostorov v strojih.

Optična vlakna (z dodanimi posebnimi kemikalijami) se lahko uporabljajo kot optični ojačevalniki. Tako lahko optični signal potuje dlje med končnimi točkami, ne da bi optični signal pretvorili v električni in nazaj, kar zmanjša skupne stroške komponent. Te optične ojačevalnike je mogoče uporabiti tudi za izdelavo laserjev. Ti se imenujejo laserji iz optičnih vlaken. Ti so lahko zelo močni, saj je dolga tanka vlakna enostavno ohlajati in ustvarjajo kakovosten svetlobni snop.