Włókna optyczne w codziennym życiu

Na początku przypomnijmy sobie, że zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego zachodzi wtedy, kiedy promień światła opuszcza optycznie gęstszy ośrodek (na przykład, szkło czy wodę) i trafia do optycznie rzadszego (na przykład do powietrza). Zauważmy tutaj, że gęstość optyczną nie należy mylić z gęstością substancji tzn. z masą właściwą! Teraz wyobraźmy sobie, że promień światła trafia na powierzchnię szklanego pryzmatu - tak, jak jest pokazane na rysunku.

Źródło: www.dic.academic.ru

Widzimy, że światło zmienia swój kierunek rozchodzenia się: w pierwszym wypadku o 90, a w drugim - o 180 stopni. Otóż, dzięki zjawisku całkowitego odbicia wewnętrznego, szklane pryzmaty mogą być stosowane w układach optycznych zamiast luster - tam, gdzie potrzeba przeprowadzić wiązkę laserową w pewnym kierunku (na przykład na badaną próbkę). Natomiast w odróżnieniu od luster, pryzmaty mają dużo mniejsze straty energii na powierzchni odbicia. Współczynnik odbicia dla nich praktycznie równa się 1, co oznacza, że energia wiązki padającej na pryzmat nie jest pochłaniana i może być skierowana do właściwego miejsca bez strat.

Ciekawszą zjawiskiem jest całkowite wewnętrzne odbicie w strumieniu cieczy (patrz rysunek poniżej).

Źródło: www.dic.academic.ru

Jak widać, promień światła przechodzi przez lewą ściankę naczynia bez załamania się, ponieważ kąt padania równa się 0 st. Później trafia na ściankę strumienia cieczy - ale pod kątem większym niż graniczny kąt całkowitego wewnętrznego odbicia. W takim wypadku promień będzie "ślizgać się" po ściankach strumienia nie wychodząc zza jego granicy. W rzeczywistości zjawisko to wygląda w następujący sposób:

Zamienimy teraz w naszej wyobraźni strumień wody (patrz rysunek) na szkło optycznie gęstsze, a warstwę powietrza przylegającego do strumienia - na szkło optycznie rzadsze. Jest oczywistym, że w takim systemie - analogicznie do strumienia wody - też będzie zachodziło zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Ale tym razem dostaliśmy najprostszy model włókna optycznego (czyli światłowodu), w którym optycznie gęstszy ośrodek nazywa się "rdzeniem", a optycznie rzadszy - "płaszczem". Nazwa tego przyrządu mówi sama za siebie: służy on do przeprowadzenia światła na odległość, ale po drodze nie koniecznie prostej. W rzeczywistości taki bieg światła może wyglądać w następujący sposób:

Włókna optyczne są często stosowane w laboratoriach naukowo-badawczych. Służą one zarówno do przeprowadzenia promieniowania laserowego do próbek, jak i do przeprowadzania sygnału pochodzącego od próbki do systemu detekcyjnego. Jest to szczególnie pożyteczne wówczas, gdy laser i układ pomiarowy lub próbka i system detekcyjny znajdują się w różnych pomieszczeniach.

Bez światłowodów nie da się również wyobrazić współczesnej medycyny. Żeby zbadać, na przykład tkankę żołądka, wystarczy "łyknąć" tzw. fibroskop - specjalne urządzenie, służące do obserwacji obrazu ścianek organów wewnętrznych. Jak on działa?

Obraz rzeczywisty z obiektywu fibroskopu trafia na dobrze zeszlifowany pęk włókienek. Jest ich kilkadziesiąt tysięcy. Każde włókienko jest oświetlone bardziej lub mniej, otóż od jednego swego końca do drugiego przewodzi odpowiednią "porcję" światła. Z tych małych porcji składa się obraz mający - odpowiednio - kilkadziesiąt tysięcy punkcików. Aby móc go zobaczyć, musimy go powiększyć za pomocą okularu. Jakość sygnału przekazywanego przez taki fibroskop zależy od średnicy włókienek, ich jakości oraz ilości.

Włókna optyczne są bardzo użyteczne dla przekazu informacji w sieciach komputerowych oraz w telekomunikacji. Dzięki modulacji przekazywanego we włóknach sygnału do bardzo dużych częstotliwości, można przez nie przekazać dużo więcej informacji niż przez przewody elektryczne. Jednocześnie światłowody zajmują dużo mniej miejsca niż metalowy druty.

W zależności od warunków, w których przebywa światłowód, parametry światła przechodzącego przez niego, mogą ulegać zmianom. Ten fakt jest wykorzystany do konstruowania czujników ciśnienia i temperatury . Najprostszym z nich jest taki, w którym w zależności od warunków zewnętrznych zmienia się natężenie światła. W bardziej skomplikowanych czujnikach może być rejestrowana zmiana długości fali, fazy a nawet polaryzacji światła przechodzącego przez światłowód w zależności od zewnętrznych warunków, w których ten się znajduje.

Sergiusz Truszkin

Autor skończył kierunek fizyko-matematyczny NPIP (obecnie - Niżyński Państwowy Uniwersytet) im. M. Gogola na Ukrainie. Pracuje w Instytucie Fizyki PAN. Zajmuje się badaniem półprzewodników w wysokich ciśnieniach hydrostatycznych. Pracę naukowo-badawczą łączy z dziennikarstwem naukowym.

Czytaj także:

Ogniwa paliwowe do komputerów

Doskonałe prognozy nie istnieją

Nanorurki przeciw nowotworom