Для передачи световой энергии и из одной плоскости в другую применяют так называемые световоды, которые представляют собой стеклянные прутки круглого, прямоугольного или другого сечения с полированной боковой поверхностью и торцами. Еще древние греки знали о способности палочек янтаря и природного стекла передавать световые потоки. В средневековой Венеции и даже раньше, в Римской империи, вполне осознанно применялась подсветка фонтанов снизу, иными словами использовались световодные свойства струй воды. Но приоритет все же принадлежит английскому физику Джону Тиндалю, который в 1870 г. продемонстрировал официальному ученому сообществу лабораторный опыт по передаче света в струе воды за счет полных внутренних отражений. Долгое время этот эксперимент оставался лабораторной забавой и только в 1934 г. американец Н. Р. Френч получил патент на оптическую телефонную систему использующую оптические кабели. Но практическая реализация этой идеи задержалась более чем на четверть века, так как недоставало важного компонента в структуре системы волоконнооптической связи – лазеров, как источников направленного, высококогерентного и узкополосного оптического излучения.
Световод может быть выполнен в виде цилиндрической отражательной трубки, на внутренней поверхности которой нанесено зеркальное покрытие (рис. 15). Ход лучей в меридиональном сечении (плоскость чертежа) аналогичен ходу лучей между двумя параллельными плоскими зеркалами. Любой луч, падающий под углом σ к оси, выйдет из цилиндрической трубки под тем же углом σ и в том же направлении (параллельно падающему лучу), если число отражений четное; при нечетном числе отражений луч выйдет под углом, равным по абсолютной величине σ, но противоположного знака. Коэффициент пропускания цилиндрической трубки с отражающим покрытием на боковой поверхности зависит от числа отражений пучка, проходящего внутри цилиндра, и он тем меньше, чем больше число отражений пучка.
Рис. 15. Световод в виде цилиндрической трубки
Рис. 16. Световод с оболочкой
В свою очередь число отражений зависит от угла наклона луча σ, а также от диаметра и длины световода. Оно будет тем больше, чем больше угол σ, чем меньше диаметр d и чем больше длина l световода.
Обычно световод представляет стеклянный пруток, в котором для обеспечения полного внутреннего отражения пучка лучей с максимально большой апертурой сердцевина изготовлена из тяжелого флинта и покрыта оболочкой из крона (рис. 16). Луч из среды с показателем преломления n1 (обычно воздух) попадает в сердцевину прутка с показателем nс и испытывает полное внутреннее отражение на границе с оболочкой, имеющей показатель преломления n0. Показатель преломления nс всегда больше, чем показатель n0. В зависимости от материалов сердцевины и оболочки световоды бывают стеклянные (сердцевина и оболочка из стекла), стеклополимерные (сердцевина из стекла, оболочка из пластмассы), полимерные (сердцевина из пластмассы, оболочка из других материалов), кварцевые (сердцевина из кварца). Передача световой энергии в световодах может происходить не только в видимой части спектра, но и в инфракрасном и в ультрафиолетовом диапазонах. Такую передачу обеспечивают полихроматические световоды.
Предельный угол εт, при котором имеет место полное внутреннее отражение на границе с оболочкой, как известно, выражается формулой sin ε с = sinε m = nо/nс. Апертурный угол σА такого световода определяют по известному углу ε m. Преломление на торце световода подчиняется закону преломления sin ε1 = sin σ1 = nc sin ε1 ', но, как видно из рис. 16, ε1 '= 90° – ε с, тогда sin σ1 = sin ε 1 = nс sin (90° – ε с) = nс cos ε c = nс (1– sin2 ε c)1/2 Подставив значение sin ε c = sin εт, получим
sin σА = (nс ²- nо ²)1/2
Эта формула относится к лучам, лежащим в меридиональной плоскости.
Уменьшая диаметр световода, можно получить светопроводящую нить, которая называется волокном. Наименьший диаметр волокна составляет 5—6 мкм. Отдельные волокна собирают в пучки светопроводящих волокон (жгуты). Апертурный угол σА для волокна можно определить по вышеприведенной формуле. Вследствие незначительного диаметра волокна луч, проходящий по такому волокну, испытывает многократные отражения. Например, в волокне диаметром 10 мкм и длиной 100 мм меридиональный луч с углом наклона 30° к оси волокна претерпевает 5775 отражений.
Световой поток при прохождении через волокно ослабляется вследствие потерь, вызываемых отражением от торцевых поверхностей; поглощением в материале волокна (поскольку число отражений велико, следовательно, и длина хода луча в волокне будет значительной); неплотным заполнением световода волокнами, вследствие чего теряется от 10 до 40% световой энергии. Такие светопроводящие волоконные жгуты служат для передачи световой энергии или изображения с одного торца на другой. Если для передачи световой энергии положение отдельных волокон в жгуте не имеет значения, то при использовании жгута для передачи изображения расположение волокон на выходном торце должно соответствовать их расположению на входном торце. Изображение строится путем переноса малых участков предмета с помощью отдельных волокон. Качество изображения оценивают разрешающей способностью, оно зависит от размеров и укладки волокон. Теоретический расчет показывает, что разрешающая способность в линиях на миллиметр определяется числом, равным половине числа волокон, умещающихся в 1 мм. Разрешающая способность световодов достигает 20-100 линий/мм.Следовательно, чем меньше диаметр волокна, тем больше разрешающая способность, тем резче будет изображение после переноса в оптоволоконном жгуте.
По гибкости пучков волокон световоды делять на гибкие и жесткие. Спеченные пучки волокон образуют волоконные блоки, из которых изготавливают вакуумно-плотные пластины, передающие изображение с одной своей поверхности на другую и, например, используемые в качестве планшайбы на кинескопе для исключения засветки изображения на экране.
Рис. 17. Искривление поверхности изображения волоконным элементом
Рис. 18. Конический фокон
Волоконные оптические элементы используют для исправления аберраций. Придавая торцу волоконного жгута неплоскую форму, можно изменять кривизну поверхности изображения (рис. 17). Волоконная линза, входному торцу которой придана форма искривленной поверхности изображения, формируемого, например, объективом, на выходном торце дает плоское изображение.
Волоконные элементы применяют для уменьшения размеров изображения. Волоконные элементы, диаметры отдельных волокон которых изменяются в направлении распространения света, называются фоконами. Простейший фокон в виде конуса изображен на рис. 18, где D и D' – диаметры входного и выходного торцов фокона. Если первая и последняя среды воздух n =1, то:
D sin = D' sin σ ' и соответственно получим: sin σ '/sin σ=D/D'.
Числовую апертуру на выходе фокона рассчитывают по формуле
sin σ = (nс ² – nо²)1/2 cosβ – nо sinβ, где β – угол конуса; пс и п0 – показатели преломления сердцевины и оболочки. Основное отличие фоконов от цилиндрических элементов – изменение апертуры в соответствии с этой формулой.
Волоконные световоды используют также в оптических системах с малыми поперечными размерами и большой длины, например в системах, предназначенных для обследования и внутренних органов человека (гастроскопы, эндоскопы, цистоскопы, и др.), для преобразования и кодирования изображений, для осмотра, фотографирования и видеозаписи состояния внутренних стенок труб и каналов различной формы.
Существуют ступенчатые и градиентные световоды. Сердцевина ступенчатых световодов имеет одинаковый показатель преломления во всех направлениях, в которых световые лучи распространяются по ломаной линии. Показатель преломления градиентных световодов, называемых еще граданами или селфоками, в поперечном сечении плавно уменьшается от центра к краю, вследствие чего световые лучи, распространяются вдоль световода по траектории напоминающей синусоиду. Преимуществом граданов по сравнению со ступенчатыми световодами является уменьшение рассеяния света из-за отсутствия резкой границы раздела сердцевины световода с оболочкой или внешней средой.
Особой сферой применения оптоволокна являются системы волоконно-оптической связи, где в цепочке «лазер-волокно-фотодиод» полупроводниковый лазерный диод осуществляет высокоскоростную модуляцию тока накачки а фотодиод принимает широкополосный световой сигнал. При этом кабели из оптоволокна не создают электромагнитных помех и сами к ним не чувствительны. С позиций электромагнитной совместимости были получены идеальные кабели, которые при том же количестве волокон значительно тоньше медных многожильных, имеют существенно меньшую массу, не подвержены коррозии, легко протягиваются через кабельные каналы. Световое волокно, как и световод больших размеров в оболочке (рис. 16) – это цилиндр с двумя основными элементами: сердцевиной, являющимся каналом для световых лучей, и оболочкой. Согласно закону о полном внутреннем отражении все лучи, которые распространяются под углом, меньшим, по отношению к оси, чем ε1 '= 90° -– ε с должны находиться в волноводе. Распространение световых лучей внутри таких световодов можно рассматривать на основе законов геометрической оптики только при условии, если диаметр световода в несколько раз превышает длину волны излучаемого света. Если же диаметр световода соизмерим с длиной волны излучения, то в световоде могут распространяться только вполне определенные типы световых волн – моды.
Вызывает интерес и сам процесс изготовления световодов. По одной из технологий в стеклянную трубку-оболочку с nо вставляется стеклянный пруток-сердечник волновода с nс присоблюдении правила, что nо<nс. Далее стекла разогреваются, и начинается процесс растягивания трубки со стержнем в тонкий кабель. На этой стадии примерно в 300 раз изменяются поперечные размеры заготовок. В более современных технологиях этот процесс повторяют, но формирование сердечника ведется путем вакуумного осаждения материала. Паровая фаза в процессе производства гарантирует максимальную чистоту стекла, а значит, минимальные удельные потери. Так формируются заготовки, которые потом растягиваются, – очень медленно и под строгим автоматическим контролем процесса. После изготовления оптоволокна для кабелей связи его необходимо покрыть защитной оболочкой. Далее идет технологическое формирование кабельного изделия.
Волновод в защитной оболочке может быть погружен в наполнитель – чаще всего гидрофобный (отталкивающий воду). Конструкция кабеля зависит от его прямого назначения. Между кабелями, предназначенными для прокладывания по болотам, в кабельных каналах или подвешенными на воздушных линиях электропередачи есть разница и в средствах защиты, и в других параметрах. В кабеле всегда содержится несколько световодов – от 8 до 128, но чаще всего это 32 или 64 световолокна. В конструкции кабеля предусматриваются элементы, повышающие его жесткость. Как правило, это стальная проволока, а для воздушной подвески это может быть и стальная оболочка из навитых стальных полос. Иногда предусматриваются жилы электропитания для необслуживаемых регенерационнно-ретрансляционных пунктов, которые необходимы для промежуточного усиления оптического сигнала и компенсации потерь. С момента первого появления волокон и по сей день главным параметром являются потери света в волокне. Они измеряются в дБ/км. Все начиналось с чудовищных цифр в 1000 дБ/км и более. Первые волокна могли передавать свет всего на несколько метров! Но были разработаны технологии производства волокон, позволившие снизить удельные потери сначала до 1 дБ/км, а затем к 1995 г были достигнуты показатели 0,3…0,2 дБ/км. Сегодня лучшим мировым производителям удалось снизить потери до 0,1 дБ/км и даже больше. Именно при таких показателях передача информации на расстояние в 100 км без регенерации сигнала стало нормой в магистральных световолоконных каналах. Было установлено, что максимальная прозрачность оптоволокна соответствует длинам волн 1,3 и 1,54 мкм. Именно эти два окна максимальной прозрачности стекла и применяются в современной волоконной оптике. Созданы полупроводниковые лазеры, длины волн излучения которых соответствуют окнам прозрачности.
Следует еще отметить, что волокна отличаются между собой модовым режимом, который зависит от толщины волокна. Так волокно с диаметром сердцевины 100 мкм, оболочки 140 мкм, с коэффициентами преломления 1,48 в сердечнике и 1,46 в оболочке имеет полный угол входной апертуры луча почти 30º, а теоретическое число мод достигает почти 4000. Многомодовые волокона относительно дешевы. Чем больше диаметр сердечника, тем ниже стоимость. Тем проще вводить свет. Но самое плохое – межмодовая дисперсия, которая ограничивает передачу информации при использовании многомодовых волокон на расстояния не более чем нескольких километров: около 5 км для волокон с прямоугольным профилем кривой коэффициента преломления и около 10 км – для градиентных волокон. Т. о. многомодовый режим передачи возможен только на относительно коротких линиях связи ибо он ведет к существенным потерям информации. Снижение диаметра сердечника ведет к снижению числа мод в волноводе и одномодовый режим устанавливается примерно при диаметре волокна 9 мкм (при разности показателей преломления сердечника и оболочки около 0,2). Естественно, можно делать волокна и потоньше, но это дороже технологически и усложняет ввод света. В одномодовом волокне отсутствует межмодовая дисперсия, дистанция передачи информации возросла в десятки раз (рассчетные значения в окнах прозрачности уже превышают 1000 км без регенерации), а пропускная способность, которая была получена еще несколько лет назад, увеличилась до 1000 Гбит/с. Оптоволоконные кабели ныне оцениваются как фундаментальная часть средств связи планетарной системы. При этом считается, что космические системы – это оперативный резерв связи, а другие типы кабелей для передачи информации – это ныне действующие временные заменители оптоволоконной связи.