Зачем передавать свет по проводам?
Идея передавать свет по специальным проводам может показаться неочевидной, ведь свет распространяется в вакууме и воздухе. Однако в естественных условиях световой луч рассеивается из-за неоднородности атмосферы, содержащей пыль, газовые потоки и области с разной плотностью. Это приводит к потере яркости и искажению сигнала на больших расстояниях. Для точной передачи световой информации, особенно изображений, необходимы направленные и защищённые от помех каналы.
Эволюция световодов: от линзовых трубок к стеклянным волокнам
Первые попытки создать световод привели к появлению линзового волновода. Это была длинная трубка с внутренним светоотражающим покрытием, из которой откачивали воздух. Для фокусировки луча и коррекции изображения через каждые 50–100 метров устанавливали линзы или зеркала (подробнее см. Волновод).
С 1960-х годов началась эра волоконно-оптических световодов. Их основу составляют тончайшие стеклянные нити диаметром от микрометров до десятков микрометров. Каждая нить окружена оболочкой из материала с меньшим показателем преломления, чем у сердцевины. Благодаря этому свет, попадая в нить, испытывает полное внутреннее отражение на границе со оболочкой и остаётся внутри, практически не теряясь, даже на длинных дистанциях.
Преодоление потерь и материалы
Передача света по таким «проводам» аналогична передаче электрического тока, но вместо электрического сопротивления существует «оптическое» — поглощение света материалом волокна. Для минимизации этих потерь используются сверхпрозрачные сорта стекла, например кварцевое, которое дополнительно легируют бором, титаном или германием для улучшения характеристик (см. Легирование). В современных высококачественных световодах потери составляют менее 50% на несколько километров, и этот показатель постоянно улучшается.
Широкий спектр применений
Волоконные световоды нашли применение во многих высокотехнологичных областях. Они используются для оптической связи между компонентами быстродействующих компьютеров, где в качестве источников сигналов выступают миниатюрные полупроводниковые лазеры. Пропускная способность таких оптических каналов значительно превышает возможности традиционной радиосвязи.
Особый интерес представляют многожильные световоды (жгуты), состоящие из сотен или тысяч отдельных волокон. Если спроектировать изображение на торец такого жгута, то на выходе мы получим чёткую картинку, собранную как мозаика из точек света с каждого волокна. Это позволяет передавать не просто свет, а сложные визуальные данные.
Волоконная оптика как отдельная наука
Столь обширные возможности световодов привели к формированию самостоятельного научного направления — волоконной оптики. Её достижения применяются практически во всех сферах исследований. Яркий пример — медицина, где гибкие жгуты из волокон диаметром 20–50 мкм используются в эндоскопических приборах для освещения и визуализации внутренних полостей человеческого организма, что делает диагностику менее инвазивной и более точной.