Optické vlákno

Historie

Vedení světla vnitřním odrazem, princip, který umožňuje optická vlákna, poprvé předvedli Daniel Colladon a Jacques Babinet v Paříži na počátku 40. let 19. století. Fyzik John Tyndall zařadil jeho demonstraci do svých veřejných přednášek v Londýně o 12 let později.

Tento princip poprvé použil Heinrich Lamm ve 30. letech 20. století pro interní lékařská vyšetření. Moderní optická vlákna, kde je skleněné vlákno potaženo průhledným pláštěm, který nabízí vhodnější index lomu, se objevila později v tomto desetiletí.

V roce 1965 Charles K. Kao a George A. Hockham z britské společnosti Standard Telephones and Cables (STC) jako první ukázali, že ztráty intenzity v optických vláknech lze snížit, čímž se vlákna stala praktickým komunikačním médiem. Navrhli, že vady tehdy dostupných vláken jsou způsobeny nečistotami, které lze odstranit. Poukázali na správný materiál, který je třeba pro taková vlákna použít, například křemenné sklo, které má vysokou čistotu. Za tento objev získal Kao v roce 2009 Nobelovu cenu za fyziku.

Daniel Colladon poprvé popsal tuto "světelnou fontánu" nebo "světlovod" v článku z roku 1842 nazvaném O odrazech světelného paprsku uvnitř parabolického proudu kapaliny. Tato konkrétní ilustrace pochází z pozdějšího Colladonova článku z roku 1884.

Jak to funguje

Optické vlákno je dlouhé tenké vlákno z čirého materiálu. Jeho tvar se obvykle podobá válci. Uprostřed má jádro. Kolem jádra je vrstva zvaná plášť. Jádro a plášť jsou vyrobeny z různých druhů skla nebo plastu, takže světlo se v jádře šíří pomaleji než v plášti. Pokud světlo v jádře dopadne na okraj pláště pod malým úhlem, odrazí se. Světlo se může pohybovat uvnitř jádra a odrážet se od pláště. Žádné světlo neunikne, dokud nedojde na konec vlákna, pokud není vlákno prudce ohnuté nebo natažené.

Pokud dojde k poškrábání pláště vlákna, může dojít k jeho zlomení. Plastový povlak zvaný nárazník pokrývá plášť a chrání ho. Často se pufrované vlákno vkládá do ještě pevnější vrstvy, která se nazývá plášť. Díky tomu je možné vlákno snadno používat, aniž by došlo k jeho porušení.

Vrstvy v jednom druhu optického vlákna. 1.- Jádro 8 µm2. - Plášť 125 µm3. - Pufr 250 µm4. - Plášť 400 µm

Používá

Komunikace pomocí optických vláken

Hlavní využití optických vláken je v komunikaci (telekomunikaci). Optická komunikace přenáší informace z jednoho místa na druhé vysíláním světelných pulzů přes optické vlákno. Světlo tvoří elektromagnetickou nosnou vlnu, která je modulována tak, aby přenášela informace. Optické komunikační systémy, které byly poprvé vyvinuty v 70. letech 20. století, způsobily revoluci v telekomunikačním průmyslu a pomohly s nástupem informačního věku.

Dřívější systémy měly krátký dosah, ale pozdější systémy používaly vlákna, která jsou průhlednější. Protože světlo z vlákna neuniká, může se dostat na velkou vzdálenost, než signál příliš zeslábne. To se používá k přenosu telefonních a internetových signálů v rámci měst i mezi nimi. Díky svým výhodám oproti elektrickému přenosu optická vlákna ve vyspělých zemích z velké části nahradila komunikaci po měděných vodičích v páteřních sítích.

Většina optických komunikačních systémů má elektrické připojení. Elektrický signál ovládá vysílač. Vysílač převádí elektrický signál na světelný a posílá jej vláknem k přijímači. Přijímač převádí světelný signál zpět na elektrický.

Vlákna se někdy používají i pro kratší spoje, například pro přenos zvukových signálů mezi přehrávačem kompaktních disků a stereofonním přijímačem. Vlákna používaná pro tyto krátké spoje jsou často vyrobena z plastu, který je méně průhledný. TOSLINK je nejběžnější typ optického konektoru pro stereofonní přístroje.

Další použití

Optická vlákna lze použít jako senzory. K tomu se používají speciální vlákna, která při změně v okolí vlákna změní způsob průchodu světla. Takové senzory lze použít k detekci změn teploty, tlaku a dalších věcí. Tyto senzory jsou užitečné, protože jsou malé a nepotřebují v místě snímání žádnou elektřinu.

Tato vlákna slouží také k přenosu světla, které člověk vidí. To se někdy používá k dekoraci, například vánočních stromků z optických vláken. Někdy se používá k osvětlení, kdy je vhodné mít žárovku jinde, než kde je třeba svítit. Někdy se používá ve znacích a v umění pro speciální efekty.

Ze svazku vláken lze vyrobit zařízení zvané endoskop nebo fibroskop. Jedná se o dlouhou tenkou sondu, kterou lze vložit do malého otvoru a která přes vlákno pošle obraz toho, co je uvnitř, do kamery. Endoskopy používají lékaři, aby viděli dovnitř lidského těla, a někdy je používají inženýři, aby viděli dovnitř těsných prostor ve strojích.

Optická vlákna (s přídavkem speciálních chemikálií) lze použít jako optické zesilovače. To umožňuje optickému signálu cestovat dále mezi koncovými body a bez převodu optického signálu na elektrický a zpět, což snižuje celkové náklady na komponenty. Tyto optické zesilovače lze také použít k vytvoření laserů. Ty se nazývají vláknové lasery. Mohou být velmi výkonné, protože dlouhé tenké vlákno se snadno udržuje v chladu a vytváří kvalitní světelný paprsek.

Zástrčka TOSLINK


Vánoční stromek s normálními a optickými světly


Vnitřek hodin při pohledu skrz fibroskop.