Optiline kiud

Ajalugu

Valguse juhtimist sisemise peegelduse abil, mis võimaldab kiudoptika, demonstreerisid esmakordselt Daniel Colladon ja Jacques Babinet 1840. aastate alguses Pariisis. Füüsik John Tyndall lisas selle demonstreerimise oma avalikku loengusse Londonis 12 aastat hiljem.

Esimest korda kasutas seda põhimõtet sisemiste meditsiiniliste uuringute tegemiseks Heinrich Lamm 1930. aastatel. Kaasaegsed optilised kiud, kus klaaskiud on kaetud läbipaistva mantliga, et pakkuda sobivamat murdumisnäitajat, ilmusid kümnendi lõpul.

1965. aastal näitasid Charles K. Kao ja George A. Hockham Briti firmast Standard Telephones and Cables (STC) esimesena, et optiliste kiudude intensiivsuskadu on võimalik vähendada, mis teeb kiududest praktilise sidevahendi. Nad pakkusid välja, et tol ajal kättesaadavate kiudude defektid olid põhjustatud lisanditest, mida saab eemaldada. Nad näitasid välja õige materjali, mida selliste kiudude jaoks kasutada, näiteks räniklaasi, mis on kõrge puhtusastmega. See avastus tõi Kaole 2009. aastal Nobeli füüsikapreemia.

Daniel Colladon kirjeldas seda "valgusfooniat" või "valguse toru" esmakordselt 1842. aasta artiklis "Valguskiire peegeldustest paraboolses vedelikuvoolus". See konkreetne illustratsioon pärineb Colladoni hilisemast, 1884. aasta artiklist.

Kuidas see töötab

Optiline kiud on pikk, õhuke selge materjalist niit. Selle kuju on tavaliselt sarnane silindrile. Selle keskel on südamik. Tuuma ümber on kiht, mida nimetatakse mantliks. Tuum ja mantel on valmistatud eri liiki klaasist või plastist, nii et valgus liigub tuumas aeglasemalt kui mantlis. Kui valgus tabab südamikuga kaetud serva väikese nurga all, põrkub see tagasi. Valgus võib liikuda südamiku sees ja põrkuda tagasi kattekihist. Valgus ei pääse välja enne, kui see jõuab kiu lõppu, välja arvatud juhul, kui kiudu on järsult painutatud või venitatud.

Kui kiu ümbris on kriimustatud, võib see puruneda. Plastkate, mida nimetatakse puhvriks, katab kattekihti, et seda kaitsta. Sageli pannakse puhverdatud kiud veel tugevama kihi, nn mantli sisse. See muudab kiu kasutamise lihtsaks, ilma et see puruneks.

Ühe optilise kiu kihid. 1.- Tuum 8 µm2 .- Vaip 125 µm3 .- Puhver 250 µm4 .- Mantel 400 µm

Kasutab

Kiudoptiline side

Valguskiudude peamine kasutusala on side (telekommunikatsioon). Valguskaabel edastab teavet ühest kohast teise, saates valgusimpulsse läbi optilise kiu. Valgus moodustab elektromagnetilise kandelaine, mida moduleeritakse teabe edastamiseks. Esmakordselt 1970. aastatel välja töötatud kiudoptilised sidesüsteemid on telekommunikatsioonitööstust revolutsiooniliselt muutnud ja aidanud kaasa infoajastu tulekule.

Varasemad süsteemid olid lühikese ulatusega, kuid hilisemad kasutasid läbipaistvamaid kiudusid. Kuna valgus ei leki kiust välja, võib valgus läbida pika vahemaa, enne kui signaal muutub liiga nõrgaks. Seda kasutatakse telefoni- ja internetisignaalide saatmiseks linnades ja linnade vahel. Tänu eelistele elektrilise ülekande ees on optilised kiudoptika arenenud maailma põhivõrkudes suures osas asendanud vaskkaabli sidevõrgud.

Enamikul optilistel sidesüsteemidel on elektrilised ühendused. Elektriline signaal juhib saatjat. Saatja muundab elektrisignaali valgussignaaliks ja saadab selle läbi kiudoptika vastuvõtjani. Vastuvõtja muundab valgussignaali tagasi elektrisignaaliks.

Mõnikord kasutatakse kiudu ka lühemate ühenduste jaoks, näiteks helisignaalide edastamiseks CD-mängija ja stereovastuvõtja vahel. Selliste lühikeste ühenduste jaoks kasutatavad kiud on sageli valmistatud plastist, mis on vähem läbipaistev. TOSLINK on kõige tavalisem optiline pistik stereoseadmete puhul.

Muud kasutusviisid

Optilisi kiude saab kasutada anduritena. Selleks kasutatakse spetsiaalseid kiude, mis muudavad valguse läbilaskmist, kui kiu ümber toimub muutus. Selliseid andureid saab kasutada temperatuuri, rõhu ja muude muutuste tuvastamiseks. Need andurid on kasulikud, sest nad on väikesed ja ei vaja elektrit kohas, kus tuvastamine toimub.

Neid kiude kasutatakse ka valguse ülekandmiseks, et inimesed saaksid näha. Seda kasutatakse mõnikord kaunistamiseks, nagu näiteks kiudoptilised jõulupuud. Mõnikord kasutatakse seda valgustuseks, kui on mugav, et lambipirn oleks mujal kui seal, kus valgust vaja on. Seda kasutatakse mõnikord märkides ja kunstis eriefektide saavutamiseks.

Kiudude kimpu saab kasutada seadme valmistamiseks, mida nimetatakse endoskoobiks või kiudskoobiks. See on pikk õhuke sond, mida saab panna väikesesse auku, mis saadab läbi kiu sees olevast pildi kaamerale. Endoskoope kasutavad arstid inimkeha sisemusse vaatamiseks ja mõnikord kasutavad insenerid neid ka masinate kitsaste ruumide sisemusse vaatamiseks.

Optilisi kiude (millele on lisatud spetsiaalseid kemikaale) saab kasutada optiliste võimenditena. See võimaldab optilisel signaalil liikuda kaugemale lõpp-punktide vahel ja ilma optilist signaali elektriliseks muundamata ja tagasi, vähendades komponentide üldkulusid. Neid optilisi võimendeid saab kasutada ka laserite loomiseks. Neid nimetatakse kiudoptilisteks laseriteks. Need võivad olla väga võimsad, sest pikka õhukest kiudu on lihtne jahedana hoida ja see annab hea kvaliteediga valgusvihu.

TOSLINK-pistik


Jõulupuu tavaliste ja fiiberoptiliste tuledega


Kella sisemus, vaadatuna läbi kiudskoobi.