Fibre optice | fibră subțire de sticlă sau plastic care poate transporta lumină

Istoric

Ghidarea luminii prin reflexie internă, principiul care face posibilă fibra optică, a fost demonstrat pentru prima dată de Daniel Colladon și Jacques Babinet la Paris, la începutul anilor 1840. Fizicianul John Tyndall l-a demonstrat în timpul prelegerilor sale publice din Londra, 12 ani mai târziu.

Principiul a fost folosit pentru prima dată pentru examinări medicale interne de către Heinrich Lamm în anii 1930. Fibrele optice moderne, în care fibra de sticlă este acoperită cu o placă transparentă pentru a oferi un indice de refracție mai adecvat, au apărut mai târziu în acest deceniu.

Termenul "fibră optică" a fost inventat de Narinder Singh Kapany.

În 1965, Charles K. Kao și George A. Hockham, de la compania britanică Standard Telephones and Cables (STC), au fost primii care au demonstrat că pierderea de intensitate în fibrele optice poate fi redusă, ceea ce face din fibrele optice un mijloc de comunicare practic. Ei au propus că defectele fibrelor disponibile la acea vreme erau cauzate de impurități care puteau fi eliminate. Aceștia au indicat materialul potrivit de utilizat pentru astfel de fibre, cum ar fi sticla de siliciu, care are o puritate ridicată. Această descoperire i-a adus lui Kao Premiul Nobel pentru Fizică în 2009.

 
Daniel Colladon a descris pentru prima dată această "fântână de lumină" sau "țeavă de lumină" într-un articol din 1842 intitulat "On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream". Această ilustrație specială provine dintr-un articol ulterior al lui Colladon, din 1884.  

Cum funcționează

O fibră optică este un fir lung și subțire de material transparent. Forma sa este, de obicei, similară unui cilindru. În centru, are un miez. În jurul miezului se află un strat numit înveliș. Miezul și învelișul sunt realizate din diferite tipuri de sticlă sau plastic, astfel încât lumina călătorește mai încet în miez decât în înveliș. Dacă lumina din miez lovește marginea stratului de acoperire la un unghi puțin adânc, aceasta ricoșează. Lumina se poate deplasa în interiorul miezului și poate ricoșa în placarea acestuia. Lumina nu scapă până când nu ajunge la capătul fibrei, cu excepția cazului în care fibra este îndoită brusc sau întinsă.

În cazul în care învelișul fibrei este zgâriat, acesta se poate rupe. Un strat de plastic numit tampon acoperă învelișul pentru a-l proteja. Adesea, fibra tamponată este plasată în interiorul unui strat și mai rezistent, numit manta. Acest lucru facilitează utilizarea fibrei fără a o rupe.

 
Straturile dintr-un tip de fibră optică. 1.- miez 8 µm 2.- căptușeală 125 µm 3.- tampon 250 µm 4.- înveliș 400 µm  

Utilizează

Comunicare prin fibră optică

Principala utilizare a fibrei optice este în domeniul comunicațiilor (telecomunicații). Comunicarea prin fibră optică transmite informații dintr-un loc în altul prin trimiterea de impulsuri de lumină printr-o fibră optică. Lumina formează o undă purtătoare electromagnetică care este modulată pentru a transporta informațiile. Dezvoltate pentru prima dată în anii 1970, sistemele de comunicații prin fibră optică au revoluționat industria telecomunicațiilor și au contribuit la apariția Epocii Informației.

Primele sisteme aveau o rază scurtă de acțiune, dar cele ulterioare au folosit fibre care sunt mai transparente. Deoarece lumina nu se scurge din fibră, aceasta poate parcurge o distanță mare înainte ca semnalul să devină prea slab. Acest lucru este folosit pentru a trimite semnale de telefonie și internet în interiorul și între orașe. Datorită avantajelor sale față de transmisia electrică, fibrele optice au înlocuit în mare măsură comunicațiile prin fire de cupru în rețelele centrale din țările dezvoltate. Cablurile submarine cu fibre conectează întreaga lume.

Majoritatea sistemelor de comunicații optice au conexiuni electrice. Un semnal electric controlează un emițător. Transmițătorul convertește semnalul electric într-un semnal luminos și îl trimite prin fibră la receptor. Receptorul convertește semnalul luminos înapoi într-un semnal electric.

Fibrele optice sunt uneori folosite și pentru legături mai scurte, cum ar fi pentru a transporta semnalele de sunet între un player de compact discuri și un receptor stereo. Fibrele utilizate pentru aceste legături scurte sunt adesea fabricate din plastic, care este mai puțin transparent. TOSLINK este cel mai comun tip de conector optic pentru casetofoane stereo.

Alte utilizări

Fibrele optice pot fi utilizate ca senzori. În acest scop, se folosesc fibre speciale, care își schimbă modul de trecere a luminii atunci când există o schimbare în jurul fibrei. Astfel de senzori pot fi folosiți pentru a detecta schimbările de temperatură, presiune și alte lucruri. Acești senzori sunt utili pentru că sunt mici și nu au nevoie de electricitate în locul în care are loc detecția.

Aceste fibre sunt, de asemenea, folosite pentru a transporta lumina pentru ca oamenii să o vadă. Acest lucru este folosit uneori pentru decorare, cum ar fi pomii de Crăciun cu fibre optice. Uneori este folosită pentru iluminat, atunci când este convenabil ca becul să fie amplasat în altă parte decât acolo unde trebuie să fie lumina. Uneori este folosită în semne și în artă pentru efecte speciale.

Un mănunchi de fibre poate fi folosit pentru a realiza un dispozitiv numit endoscop sau fibroscop. Acesta este o sondă lungă și subțire care poate fi introdusă într-o gaură mică, care va trimite o imagine a ceea ce se află în interior prin fibră către o cameră. Endoscoapele sunt folosite de medici pentru a vedea în interiorul corpului uman și, uneori, sunt folosite de ingineri pentru a vedea în interiorul spațiilor înguste din mașini.

Fibrele optice (la care se adaugă substanțe chimice speciale) pot fi utilizate ca amplificatoare optice. Acest lucru permite ca un semnal optic să călătorească mai departe între puncte terminale și fără a converti semnalul optic în semnal electric și invers, reducând costul total al componentelor. Aceste amplificatoare optice pot fi, de asemenea, utilizate pentru a crea lasere. Acestea se numesc lasere cu fibră optică. Acestea pot fi foarte puternice, deoarece fibra lungă și subțire este ușor de păstrat la rece și produce un fascicul de lumină de bună calitate.

 
Un pom de Crăciun cu lumini normale și cu fibre optice  


Interiorul unui ceas, văzut prin fibroscop.  


O mufă TOSLINK