ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ

ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ 

(OPTICAL FIBERS)

ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Όπως είναι γνωστό,τα καλώδια κατασκευάζονται από χαλκό ή κράματα του.Όμως ο χαλκός παράγεται σε λίγες μόνο χώρες του κόσμου.Έτσι οι υπόλοιπες χώρες είναι εξαρτημένες από αυτές που τον παράγουν.

Οπτικές ίνες

 Οι ερευνητές ωθήθηκαν στο να προτείνουν πιο συμφέρουσες εναλλακτικές λύσεις παρακινούμενοι και από την προσπάθεια απεξάρτησης από τις χώρες παραγωγής χαλκού και από την προσπάθεια αποτροπής υποκλοπών στις τηλεπικοινωνίες καθώς και μεταφοράς μεγαλύτερου «όγκου» πληροφοριών.Έτσι οδηγηθήκαμε στην κατασκευή των οπτικών ινών.

Οι οπτικές ίνες είναι πολύ λεπτές κυλινδρικές ίνες γυαλιού ή πλαστικού με διάμετρο μικρότερη των 8 μm (δηλαδή πιο λεπτές από μία τρίχα).Είναι διαφανείς και εύκαμπτες

 Οι οπτικές ίνες είναι πολύ λεπτές κυλινδρικές ίνες γυαλιού ή πλαστικού με διάμετρο μικρότερη των 8 μm (δηλαδή πιο λεπτές από μία τρίχα).Είναι διαφανείς και εύκαμπτες.

ΧΡΗΣΗ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ

 Με τη βοήθεια των οπτικών ινών μπορούμε να «αναγκάσουμε» μία φωτεινή δέσμη να ακολουθήσει όποια διαδρομή επιθυμούμε.Θα μπορούσαμε να πούμε ότι,όπως με ένα εύκαμπτο λάστιχο ποτίσματος μπορούμε να οδηγήσουμε το νερό από τη βρύση σε ένα σημείο του κήπου μας,έτσι και με τις οπτικές ίνες μπορούμε να «οδηγήσουμε» το φως από μία ακίνητη πηγή σε οποιοδήποτε σημείο θέλουμε.

Mε τις οπτικές ίνες μπορούμε να «οδηγήσουμε» το φως από μία ακίνητη πηγή σε οποιοδήποτε σημείο θέλουμε

 Γι' αυτό λέμε ότι μία οπτική ίνα είναι ένας φωτοαγωγός ή φωτοοδηγός.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ

 Κλείνουμε ένα λαμπτήρα σε ένα αδιαφανές κουτί και τον ανάβουμε.Αυτός δε φωτίζει το περιβάλλον.Τώρα με μία λεπτή βελόνα ανοίγουμε μία οπή στο κουτί.Από αυτό ξεπηδά μία λεπτή ακτίνα φωτός,που διαδίδεται ευθύγραμμα.

 Η διαδρομή του φωτός μέσα στην οπτική ίνα

 Στη συνέχεια παίρνουμε μία οπτική ίνα και τη «σφηνώνουμε» στην οπή.Το φως που φτάνει στην άκρη της ίνας προσπίπτει στην κυλινδρική της επιφάνεια,από μέσα, με γωνία μεγαλύτερη από την οριακή γωνία και παθαίνει ολική ανάκλαση.Έτσι το φως μετά από συνεχείς ολικές ανακλάσεις βγαίνει από το άλλο άκρο της οπτικής ίνας,ακόμη κι αν αυτή είναι καμπυλωμένη.

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ

 Στην πράξη χρησιμοποιούμε δέσμη οπτικών ινών.

Η δέσμη οπτικών ινών είναι ένα ακίνδυνο εργαλείο στα χέρια μας

 Αν οι ίνες αποτελούνταν μόνο από ένα υλικό,τότε το φως που «ταξιδεύει» στο εσωτερικό τους θα περνούσε,όταν θα έρχονταν σε επαφή,από τη μία ίνα στην άλλη.

Κάθε ίνα επικαλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα υλικού μικρότερου δείκτη διάθλασης ή με πολλά λεπτά στρώματα,έτσι ώστε κάθε επόμενο στρώμα να έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από το προηγούμενο

 Γι' αυτό κάθε ίνα επικαλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα υλικού μικρότερου δείκτη διάθλασης ή με πολλά λεπτά στρώματα, έτσι ώστε κάθε επόμενο στρώμα να έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από το προηγούμενο.

Γεωμετρία και διάδοση στην οπτική ίνα

 Τέλος στο σύστημα της γυάλινης ίνας τοποθετείται ένα περίβλημα βλήμα που την προστατεύει και την κάνει πιο ανθεκτική σε μηχανικές καταπονήσεις.

Η δομή μίας οπτικής ίνας

 Όπως γίνεται φανερό από τα παραπάνω,κάθε οπτική ίνα αποτελείται από τρία μέρη:

α)Την κεντρική γυάλινη κυλινδρική ίνα, που ονομάζεται πυρήνας και είναι το τμήμα στο οποίο διαδίδεται το φως. 

β)Την επικάλυψη (απλή ή πολλαπλή), που είναι ένας ομόκεντρος με τον πυρήνα κύλινδρος.Έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα, για να παθαίνει το φως συνεχείς ολικές ανακλάσεις.Η επικάλυψη αυτή ονομάζεται μανδύας.

γ)Το περίβλημα,που είναι ένα αδιαφανές πλαστικό.

ΠΟΣΟ ΜΑΚΡΙΑ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΦΤΑΣΕΙ ΤΟ ΦΩΣ ΜΕΣΑ ΣΕ ΜΙΑ ΟΠΤΙΚΗ ΙΝΑ

 Το φως κατά το «ταξίδι» του σε μία οπτική ίνα εξασθενεί.Αυτό συμβαίνει συνήθως για τους παρακάτω λόγους:

α) Λόγω απορρόφησης,που οφείλεται στις ξένες προσμείξεις που υπάρχουν στο γυαλί (σχήμα α).

β) Λόγω σκέδασης το φως διεισδύει στο μανδύα και διασκορπίζεται.Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται εντονότερα, αν στην οπτική ίνα υπάρχουν συνδέσεις (σχήμα β).

γ) Λόγω κακής κατασκευής υπάρχουν στη διάμετρο του πυρήνα,για παράδειγμα, μικροδιακυμάνσεις (σχήμα γ).

δ) Λόγω μεγάλης καμπής της οπτικής ίνας (σχήμα δ).

Τέσσερις περιπτώσεις εξασθένησης του φωτός κατά το «ταξίδι» του στις οπτικές ίνες

 Αν ο πυρήνας ήταν κατασκευασμένος από κοινό γυαλί,όπως αυτό των τζαμιών των σπιτιών μας,τότε το φως θα «ταξίδευε» μέσα στην ίνα το πολύ ένα μέτρο.Για το λόγο αυτό το γυαλί που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του πυρήνα είναι μεγάλης καθαρότητας.Έτσι το φως μεταφέρεται σε απόσταση πολλών χιλιομέτρων με πολύ μικρές απώλειες.

Μία φλέβα νερού σε ρόλο οπτικής ίνας.Ο πυρήνας είναι το νερό και ο μανδύας ο αέρας.Ένα πείραμα που μπορεί να γίνει στην τάξη.Στους φωτεινούς υδάτινους πίδακες εφαρμόζεται η ίδια τεχνική

 Η καθαρότητα του γυαλιού είναι τέτοια,ώστε,αν θέλαμε να αντικαταστήσουμε το κοινό τζάμι ενός παραθύρου με τζάμι κατασκευασμένο από υλικό ίδιο με αυτό των οπτικών ινών,τότε αυτό,για να έχει την ίδια απορρόφηση φωτός, θα έπρεπε να έχει πάχος 1 km περίπου.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ

 Οι οπτικές ίνες βρίσκουν πάρα πολλές εφαρμογές.Οπτικές ίνες μεγάλης διαμέτρου και μικρής καθαρότητας (συνήθως πλαστικές) χρησιμοποιούνται στην κατασκευή φωτεινών επιγραφών,στη διακόσμηση και στο φωτισμό πισινών.Έτσι αποτρέπεται ο κίνδυνος ηλεκτροπληξίας.

Οι οπτικές ίνες διακοσμούν το τελεφερίκ

 Δέσμη οπτικών ινών (με μία μόνο λάμπα) φωτίζει πολλές προθήκες καταστημάτων ή πολλούς πίνακες ζωγραφικής στις γκαλερί,ώστε να εξοικονομούμε ηλεκτρική ενέργεια.

Οι οπτικές ίνες διακοσμούν το τελεφερίκ και χρησιμοποιούνται στο φωτισμό της πισίνας

 Με τη βοήθεια των οπτικών ινών μπορούμε να παρατηρήσουμε αντικείμενα απρόσιτα σε άμεση παρατήρηση.Έτσι κατασκευάστηκε το ενδοσκόπιο,όργανο που χρησιμοποιείται στην Ιατρική,για να κάνει ορατές ορισμένες εσωτερικές περιοχές του σώματος μας.

Φωτογραφία (α) και τρόπος λειτουργίας του ενδοσκοπίου (β)

 Παρόμοια συστήματα χρησιμοποιούνται από τους μηχανικούς, για να εντοπίσουν βλάβες στο εσωτερικό των μηχανών.

Σχεδιάγραμμα εγκατάστασης φωτισμού έργων τέχνης με οπτικές ίνες 

  Η πιο σημαντική εφαρμογή των οπτικών ινών αφορά τις τηλεπικοινωνίες.Ίσως όλοι μας έχουμε ακούσει για τη χρήση των οπτικών ινών στις ψηφιακές (digital) τηλεπικοινωνίες.

Σχεδιάγραμμα εγκατάστασης  με οπτικές ίνες φωτισμός πινάκων

 Η χρήση τους έφερε την επανάσταση στο χώρο αυτό για τους λόγους που αναφέρουμε παρακάτω:

α) Με τη βοήθεια μίας ίνας μπορούμε να μεταφέρουμε ταυτόχρονα και χωρίς παρεμβολές χιλιάδες τηλεφωνήματα,δεκάδες εκπομπές τηλεοπτικών καναλιών και μεγάλο αριθμό δεδομένων υπολογιστών.

β) Οι διαστάσεις των καλωδίων των οπτικών ινών και το βάρος τους είναι πολύ μικρότερα από τα αντίστοιχα του χαλκού.Λόγου χάρη,ένα καλώδιο οπτικών ινών μπορεί να αντικαταστήσει χάλκινο καλώδιο δεκαπλάσιας,περίπου,διαμέτρου και τριανταπλάσιου,περίπου,βάρους.

γ) Κατά τη μεταφορά των πληροφοριών δεν έχουμε παράσιτα.

δ) Είναι πολύ δύσκολη η υποκλοπή (τοποθέτηση «κοριών») ή η συνακρόαση.

ε) Δε χρειάζονται γείωση.

στ) Μπορούν να παραχθούν από κάθε χώρα με συνέπεια την απεξάρτηση της από χώρες που παράγουν χαλκό.Έτσι επιτυγχάνεται και τεχνολογική διάχυση.Στην Ελλάδα υπάρχουν εργοστάσια παραγωγής οπτικών ινών,δηλαδή επεξεργασίας του διοξειδίου του πυριτίου,με πρώτη ύλη την άμμο.

Το φως μεταφέρει πληροφορίες μέσα από τις οπτικές ίνες που χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες

  Η αρχή πάνω στην οποία βασίζεται η μετάδοση των πληροφοριών μέσω οπτικών ινών φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.Το βασικό στοιχείο του κωδικοποιητή (πομπού) είναι η φωτεινή πηγή.Για μετάδοση σε πολύ μεγάλες αποστάσεις χρησιμοποιούμε laser,ενώ σε μικρές αποστάσεις διόδους φωτοεκπομπής (LED).Η μετάδοση γίνεται με ψηφιακή διαμόρφωση.

Η αρχή πάνω στην οποία βασίζεται η μετάδοση των πληροφοριών μέσω οπτικών ινών

 Αν κατά την εκπομπή αυξομειώνουμε την ένταση του φωτός,τότε έχουμε αναλογική διαμόρφωση,ενώ,αν αναβοσβήνουμε την πηγή,έχουμε ψηφιακή διαμόρφωση.

Φως→1

απουσία φωτός→0.

  Ο αποκωδικοποιητής είναι συνήθως μία φωτοδίοδος που μετατρέπει το φως σε ηλεκτρικό ρεύμα.Στην Ελλάδα ο ΟΤΕ έχει αντικαταστήσει μέχρι σήμερα (1999) ένα μεγάλο μέρος του παλιού δικτύου του με δίκτυο οπτικών ινών.

 Να αναφέρουμε επίσης ότι οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται σε σύγχρονα επιστημονικά όργανα ανίχνευσης παραμορφώσεων,πίεσης,θερμοκρασίας (ηφαιστείων και πυρηνικών αντιδραστήρων),καθώς και άλλων μεγεθών.

Μελλοντικά οι αεροναυπηγοί προσανατολίζονται στην κατασκευή αεροσκαφών τα οποία, αντί για μεταλλικό περίβλημα,θα έχουν περίβλημα από οπτικές ίνες και πολυμερή

 Μελλοντικά οι αεροναυπηγοί προσανατολίζονται στην κατασκευή αεροσκαφών τα οποία,αντί για μεταλλικό περίβλημα, θα έχουν περίβλημα από οπτικές ίνες και πολυμερή.Έτσι μέσω των οπτικών ινών ο πιλότος θα ενημερώνεται συνεχώς για την κατάσταση του αεροσκάφους του,για την πίεση που δέχεται,τη θερμοκρασία σε κάθε σημείο του,για κάποια πιθανή παραμόρφωση κτλ.Θα κατασκευαστούν δηλαδή αεροσκάφη με «δέρμα» που αισθάνεται.