Під терміном волоконна оптика на увазі вчення про процеси поширення світла в оптоволокне і зміні його властивостей при цьому, або готову продукцію, що має в своєму складі оптоволокно.
У свою чергу, оптоволокном називають найтоншу гнучку жилу з кварцового скла або особливого виду пластику, усередині якої протікає світло, відбиваючись від стінок жили. Провід на основі оптичного волокна дозволяють передавати цифрові дані на тривалі відстані з дуже високою швидкістю.
Походження оптичного волокна
Застосування звуку і світла в якості сигналів для подачі інформації почалося ще з давніх часів, коли люди стукали в гонг і підпалювали багаття, попереджаючи один одного про небезпеку. Ті часи канули в лету, але ідея про звукових і світлових носіях інформації не втратила актуальність і згодом удосконалилася в різних пристроях. Одним з них був оптичний телеграф, винайдений Робертом Гуком. Він представляв собою апарат, інформація з якого подавалася у вигляді спеціальних сигналів. На далекій відстані їх можна було розглянути за допомогою підзорної труби. Пристрій Гука отримало популярність і використовувалося досить тривалий час.
Згодом француз Клод Шапп спроектував і розробив сигнальний апарат з цифровим кодом, значення якого розшифровували за допомогою спеціального словника. Точність і швидкість переданих даних сприяла успіху цього винаходу і незабаром ланцюг телеграфів Шаппа була споруджена не тільки у Франції, але і в інших країнах.
Протягом наступного століття іншими винахідниками вносилися свої корективи в уже існуючі сигнальні пристрої, а на початку 1960-го року радянські вчені зробили абсолютний прорив у фізиці: був винайдений лазер. На основі нової розробки були побудовані оптоволоконні лінії передачі інформації, що мають ряд значних переваг перед кабельної продукцією з міді: велику пропускну здатність, стійкість до електромагнітних завад, меншу вагу і більш тривалий термін експлуатації.
Матеріали для оптоволокна
При виготовленні оптоволокна застосовується кварцове скло або полімерні матеріали. Кварцеве оптичне волокно засноване на плавленом кварці - цінне породотвірні мінерали. Завдяки його властивостям оптоволокно на основі кварцового скла має безліч позитивних характеристик, таких як:
- хорошу оптичну прозорість, що дозволяє при передачі інформації задіяти хвилі різного діапазону
- низький показник загасання. Завдяки цій властивості дані можуть передаватися на далекі відстані, що розширює сферу використання кварцового оптоволокна
- стійкість до тривалого впливу високих температур.
Полімерне оптичне волокно має велику гнучкість, тому світлопроводи, виготовлені з їх застосуванням можуть мати досить великий діаметр (від 1000 мікрометрів), що забезпечує хорошу провідність випромінювання по ньому. Разом з тим через високі значень загасання полімерне оптоволокно не може використовуватися в інфрачервоних зонах, де його светопропускная здатність значно знижується.
структура виробів
Кварцеве оптоволокно як і полімерне мають однакову будову, в яке входять такі елементи, кожен з яких має свій показник заломлення:
- Сердечник забезпечує рух світлового випромінювання по волокну. Від величини діаметра сердечника залежить ступінь потрапляння в нього пучків світлових променів. Отже, чим більше діаметр, тим ширше доступна площа для подачі випромінювання. В оптичному волокні значення заломлення (n) сердечника становить приблизно 1,48.
- Внутрішня оболонка має менше значення заломлення, ніж у сердечника, що забезпечує внутрішнє віддзеркалення, завдяки якому світлові промені рухаються уздовж волокна. При повному внутрішньому відбитті, світловий промінь, який потрапляє в сердечник, буде пересуватися по ньому з максимальною потужністю.
- Зовнішня обшивка є буферним багатошаровим покриттям, що служить для захисту внутрішніх елементів оптичного волокна від зовнішніх негативних факторів. Мінімальна товщина обшивки становить 250 мікрон.
Різновиди оптичного волокна
На сьогоднішній день розрізняють такі типи оптичного волокна, як одномодове і багатомодове. різняться один від одного діаметром сердечника.
У одномодовом волокні діаметр сердечника становить близько 8 мкм. Через невеликого діаметру сердечника пересуватися по ньому може виключно один промінь світла тому виникнення межмодовой дисперсії зводиться до нуля. Цей фактор робить можливим передачу даних на багатокілометрові відстані з високою швидкістю.
Оптоволокно, що мають великий діаметр сердечника (62,5 мкм), через який поширюється світлове випромінювання, називають багатомодовим. Цей тип оптичного волокна дозволяє вводити численні світлові промені під різними кутами і сприяє їх одночасного пересування. Однак через великого розміру сердечника збільшується світловідображення від зовнішньої обшивки, яке тягне за собою розсіювання, при цьому пропускна здатність зменшується.
У свою чергу багатомодові оптоволокна поділяють на:
- градієнтні
У них щільність сердечника місцями змінюється, що викликає межмодовую дисперсію: при переході в різні щільності сердечника розвивається велика швидкість світлових променів і тому вони досягають відстань до кінцевої точки проводу за менший проміжок часу. - ступінчасті
Тут щільність сердечника рівномірна протягом всієї довжини оптоволокна, тому ймовірність виникнення межмодовой дисперсії вище, ніж в градієнтному волокні
Галузь застосування
Завдяки своїм універсальним властивостям оптичне волокно широко застосовується в медицині, технічних і наукових сферах, у створенні оптичного зв'язку і оптоволоконних датчиків з високою точністю показань.