Волоконна оптика
Що таке волоконна оптика?
Волоконна оптика ― це область оптики, яка виникла у 50-их рр. XX ст. і займається вивченням властивостей і застосуванням волоконних світловодів, які називають оптичними волокнами.
Оптичне волокно у найпростішому випадку являє собою тонку прозору скляну нитку, по якій можуть передаватися світлові хвилі за рахунок явища повного внутрішнього відбивання.
Оптоволокно; оптичний світлодіод(ВС)
Оптоволокно́ або оптичне волокно — це технічний виріб, що складається з оптичного світловоду і захисних покриттів та маркуючої кольорової оболонки.
Де використовується волоконна оптика?
Основними застосуваннями волоконної оптики на сьогоднішній день є: ― волоконно-оптичний зв'язок; ― системи передачі зображення; ― волоконно-оптичні сенсори; ― системи освітлення.
Волоконно-оптичний зв'язок
Основною областю застосування волоконної оптики з часу її появи є системи зв'язку. Більше мільйона теле-фонних розмов сьогодні можна одночасно передавати по одному єдиному оптичному волокну.
Без волоконної оптики не було б всесвітньої мережі Інтернет. В недалекому майбутньому до кожного будин-ку і до кожної квартири буде підведено окреме оптичне волокно, яке доставить до споживача кабельне телеба-чення, телефонний зв’язок, швидкісний Інтернет.
Чому саме волоконна оптика в системах зв'язку?
Волоконна оптика на сьогодні є найдосконалішим середовищем для передачі інформації як у системах зв'язку на довгі дистанції, так і в локальних системах передачі даних. Це пояснюється тим, що оптичні волок-на за своїми характеристиками набагато перевершують електричні кабелі. На відміну від мідних проводів, які передають електричні сигнали, оптичне волокно є діелектриком і передає тільки оптичний сигнал. З цього й випливають основні переваги оптичних волокон:
● широка смуга пропускання; ● малі втрати при передачі; ● нечутливість до ЕМЗ; ● мала маса;
● малий розмір; ● безпека; ● секретність.
Системи передачі зображення
Одним із перших застосувань волоконної оптики було передавання зображення. Основна мета полягала в тому, щоб подивитися всередину людини без хірургічного втручання. У наш час для такої мети широко використовують відомі ендоскопи, з допомогою яких лікар розглядає шлунок людини. Основним елемен-том такого пристрою є волоконно-оптичний джгут (зв'язка впорядко-ваних оптичних волокон), який передає зображення з одного кінця на інший.
Волоконно-оптичні сенсори
Сучасні волоконно-оптичні сенсори дозволяють вимірювати майже все, наприклад: температуру, тиск, зміщен-ня, положення в просторі, швидкість обертання, швидкість лінійного перемі-щення, прискорення, коливання, масу, рівень рідини, деформації, електричне і магнітне поле, електричний струм, кон-центрацію газу, дозу радіаційного опро-мінення та ін. На відміну від електрич-них сенсорів, які є активними пристро-ями, волоконно-оптичні сенсори є па-сивними пристроями, з чого й випли-вають їх основні переваги.
Системи освітлення
Для систем освітлення використовують як правило оптичні волокна великих діаметрів, а також джгути з невпорядкованими волокнами. Такі системи можуть використовуватись, наприклад, в автомобілях для підсвічування різних приладів розміщених на передній панелі, а також там, де необхідно освітити важко-доступні місця. Крім того, волоконне освітлення широ-ко використовується у декоративних цілях (рекламні вивіски, штучні ялинки, вироби мистецтва).
Історія
Передача світла вздовж тонкого силіконового волокна відповідно до закону заломлення, що вперше продемострував Даніель Колладон та Джакіз Бабінет на початку 1840-их років у Парижі.
Принцип роботи оптичного волокна
Оптичний світловод — це циліндричний діелектричний хвилевід, що передає світло від одного до другого кінця усієї своєї довжини завдяки фізичному явищу повного внутрішнього відбиття.
1 - серцевина
2 - оболонка
3 - буфер
4 - обшивка
Вплив коефіцієнту заломлення щодо внутрішнього відбиття
Існує максимальний кут відносно осі оптоволокна, під яким світловий промінь може увійти у середовище кабелю та просунутися вздовж його серцевини. Синус максимуму цього кута є цифровою апертурою (NA) волокна. Волокно із великим NA не потребує високої точності його зрощування, і може може функціонувати із іншим волокном, що має малий NA. Одномодові оптичні світловоди мають незначний NA.
кут падіння та відбиття - цифрова апертура -
Типи оптоволокон
Одномодовий
Ступінчастий
Градієнтний
Розсіювання світла
Розсіювання світла залежить від довжини світлової хвилі. Таким чином, виникають зони видимості на шкалі просторових координат відліку, що залежать від частоти падаючого променю та фізичних розмірів агенту розсіювання, який зазвичай предстає у вигляді якоїсь мікроструктури. Оскільки видиме світло має розміри довжини хвилі в одиницях мікрометрів, то центр дифузного відбиття повинен мати розміри співставимої величини.
Отже, причина загасання — це розсіювання світла, створеного внутрішніми поверхнями та границями розділу речовин.
Виробництво
Скляне оптоволокно майже завжди виробляється із діоксиду кремнію, проте де-які інші матеріали, як флуорид цирконію, алюмінію та халькогеніди, а також кристалічні матеріали на зразок сапфірів, теж використовується для довгохвильових інфрачервоних та інших специфічних застосувань..
Пластикове оптоволокно береться за основному виготовлення сходинкових мультимодових світловодів із діаметром серцевини 0.5 мм, чи більше. Пластикове волокно демонструє більший коєфіцієнт загасання у порівняні із скляним, десь на рівні 1 dB/m чи більше. Такий показник є обмежуючим фактором у прикладних системах на базі світловодів із цього матеріалу.