Можно ли передавать свет по проводам? Лет 20 назад такой вопрос мог бы показаться бессмысленным. В самом деле, зачем передавать свет по проводам, если он и так прекрасно проходит через воздух, чуть хуже — через воду и особенно хорошо — в вакууме? Из невообразимых далей космоса доходит до нас свет звезд, преодолевая при этом и многокилометровую толщу атмосферы.
Здесь стоит вспомнить, что атмосфера не лучший проводник света. Это среда, очень неоднородная по своему составу. В ней есть всегда множество посторонних примесей и пыли, газовых струй и потоков, областей с разной плотностью и т. п. Все это приводит к рассеянию, отклонению и поглощению частиц света. В результате диаметр светового луча с расстоянием увеличивается, а яркость его падает.
Между тем в ряде областей науки и техники необходимо направленно и без искажений передавать свет на сравнительно большие расстояния, например для передачи световой информации, в частности изображений.
Одним из первых появился линзовый волновод — длинная трубка, покрытая изнутри светоотражающим материалом (см. Волновод) . Воздух из трубы выкачивают. Так что если на одном конце трубы поместить источник света, то от него свет беспрепятственно пойдет по трубе, не выходя за ее пределы. Помимо светоотражающего покрытия для фокусировки луча и коррекции изображения на некотором расстоянии (обычно через 50—100 м) располагают линзы или зеркала определенной формы.
Начиная с 1960-х гг. все более широкое применение стали находить стеклянные волоконные световоды — тонкие (диаметром от нескольких микрометров до десятков микрометров) стеклянные нити, окруженные оболочкой из материала, показатель преломления которого должен быть меньше, чем у стекла. В этом случае свет, двигаясь по стеклянной нити, испытывает полное внутреннее отражение от границы между стеклом и оболочкой и остается целиком внутри световода, как бы долго он ни путешествовал.
Так передают свет по проводам подобно электрическому току. И так же как в электрических проводах часть энергии теряется на преодоление электрического сопротивления металла, в световоде тоже происходят потери некоторого количества света из-за «оптического сопротивления»— поглощения квантов света самим материалом светового провода. Поэтому ученые ищут такие материалы, в которых это поглощение было бы минимальным. Чаще всего используют самое прозрачное стекло — «кварцевое, которое дополнительно легируют бором, титаном или германием (см. Легирование).
В лучших волоконных световодах потери света составляют не более 50% на несколько километров длины. И эти потери, в принципе, можно еще уменьшить.
Световые провода широко используются для оптической связи, например, между отдельными узлами и блоками быстродействующих электронных вычислительных машин. В качестве источников световых сигналов, передаваемых по таким проводам, используются миниатюрные полупроводниковые лазеры. Количество информации, передаваемое с помощью света, может быть значительно большим, чем в радиосвязи или телеграфной связи.
А с помощью многожильных световодов можно передавать не просто свет, но даже изображение. Представьте себе толстый жгут, свитый из нескольких сотен стеклянных нитей. Если с помощью линзы на один торец жгута спроектировать изображение, то на другом конце мы увидим картинку, составленную подобно мозаике из множества точек. Точка — это торец одной нити, каждая из которых несет свою часть изображения.
Волоконные световоды открывают так много возможностей, что появился даже специальный раздел науки — волоконная оптика. А применяются ее достижения почти во всех отраслях научных исследований. Например, световоды и жгуты из волокон диаметром 20— 50 мкм применяют в медицинских приборах для освещения внутренних полостей организма.