Faseroptik: Von Endoskopen bis zu Telefonen
Die Faseroptik ist eine weit verbreitete Anwendung der Totalreflexion. In der Kommunikation wird sie zur Übertragung von Telefon-, Internet- und Kabelfernsehsignalen eingesetzt. Die Faseroptik nutzt die Übertragung von Licht durch Fasern aus Kunststoff oder Glas. Da die Fasern dünn sind, trifft Licht, das in eine Faser eintritt, wahrscheinlich in einem Winkel, der größer als der kritische Winkel ist, auf die Innenfläche und wird somit total reflektiert ((Abbildung)). Der Brechungsindex muss außerhalb der Faser kleiner sein als innerhalb. Tatsächlich haben die meisten Fasern einen variierenden Brechungsindex, damit mehr Licht durch die totale innere Brechung entlang der Faser geleitet werden kann. Strahlen werden wie gezeigt um Ecken herum reflektiert, wodurch die Fasern zu winzigen Lichtleitern werden.
Bündel von Fasern können verwendet werden, um ein Bild ohne Linse zu übertragen, wie in (Abbildung) dargestellt. Der Ausgang eines Geräts, das Endoskop genannt wird, ist in (Abbildung)(b) dargestellt. Endoskope werden verwendet, um das Innere des Körpers durch seine natürlichen Öffnungen oder kleine Einschnitte zu untersuchen. Licht wird durch ein Faserbündel nach unten übertragen, um innere Teile zu beleuchten, und das reflektierte Licht wird durch ein anderes Bündel wieder nach außen übertragen, um beobachtet zu werden.
Die Faseroptik hat die chirurgischen Techniken und die Beobachtungen innerhalb des Körpers revolutioniert und bietet eine Vielzahl von medizinischen diagnostischen und therapeutischen Anwendungen. Chirurgische Eingriffe können durchgeführt werden, wie z. B. arthroskopische Operationen an einem Knie- oder Schultergelenk, bei denen Schneidewerkzeuge verwendet werden, die am Endoskop befestigt sind und mit diesem beobachtet werden. Es können auch Proben entnommen werden, z. B. durch das Einfangen eines Darmpolypen zur externen Untersuchung. Die Flexibilität des Glasfaserbündels erlaubt es dem Arzt, es um kleine und schwer zugängliche Regionen im Körper zu navigieren, wie z. B. den Darm, das Herz, die Blutgefäße und die Gelenke. Die Übertragung eines intensiven Laserstrahls, um blockierende Plaques in großen Arterien wegzubrennen, sowie die Abgabe von Licht zur Aktivierung von Chemotherapie-Medikamenten, werden immer alltäglicher. Optische Fasern haben die Mikrochirurgie und Fernoperationen ermöglicht, bei denen die Schnitte klein sind und die Finger des Chirurgen das kranke Gewebe nicht berühren müssen.
Optische Fasern in Bündeln sind von einem Mantelmaterial umgeben, das einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern hat ((Abbildung)). Der Mantel verhindert, dass Licht zwischen den Fasern in einem Bündel übertragen wird. Ohne Mantel könnte das Licht zwischen den sich berührenden Fasern passieren, da ihre Brechungsindizes identisch sind. Da kein Licht in den Mantel gelangt (es findet eine interne Totalreflexion zurück in den Kern statt), kann auch kein Licht zwischen sich berührenden Mantel-Fasern übertragen werden. Stattdessen breitet sich das Licht über die gesamte Länge der Faser aus, was den Signalverlust minimiert und sicherstellt, dass am anderen Ende ein hochwertiges Bild entsteht. Der Mantel und eine zusätzliche Schutzschicht machen optische Fasern sowohl langlebig als auch flexibel.
Es wurden spezielle winzige Linsen entwickelt und hergestellt, die an den Enden von Faserbündeln angebracht werden können. Licht, das aus einem Faserbündel austritt, kann durch eine solche Linse fokussiert werden und einen winzigen Punkt abbilden. In einigen Fällen kann der Punkt abgetastet werden, was eine qualitativ hochwertige Abbildung einer Region im Körperinneren ermöglicht. Spezielle winzige optische Filter, die am Ende des Faserbündels eingesetzt werden, sind in der Lage, das Innere von Organen abzubilden, die sich Dutzende von Mikrometern unter der Oberfläche befinden, ohne die Oberfläche anzuschneiden – ein Bereich, der als nicht-intrusive Diagnostik bekannt ist. Dies ist besonders nützlich für die Bestimmung des Ausmaßes von Krebserkrankungen im Magen und Darm.
In einer anderen Art von Anwendung werden optische Fasern üblicherweise verwendet, um Signale für Telefongespräche und Internetkommunikation zu übertragen. Umfangreiche Glasfaserkabel wurden auf dem Meeresboden und im Untergrund verlegt, um optische Kommunikation zu ermöglichen. Glasfaserkommunikationssysteme bieten gegenüber elektrischen (kupferbasierten) Systemen mehrere Vorteile, insbesondere bei großen Entfernungen. Die Fasern können so transparent gemacht werden, dass das Licht viele Kilometer zurücklegen kann, bevor es schwach genug wird, um eine Verstärkung zu benötigen – viel besser als bei Kupferleitern. Diese Eigenschaft von Glasfasern wird als geringer Verlust bezeichnet. Laser emittieren Licht mit Eigenschaften, die weitaus mehr Gespräche in einer Faser ermöglichen, als dies mit elektrischen Signalen auf einem einzelnen Leiter möglich ist. Diese Eigenschaft von Glasfasern wird als hohe Bandbreite bezeichnet. Optische Signale in einer Faser erzeugen keine unerwünschten Effekte in anderen, benachbarten Fasern. Diese Eigenschaft von Lichtleitfasern wird als reduziertes Übersprechen bezeichnet. Wir werden die einzigartigen Eigenschaften von Laserstrahlung in einem späteren Kapitel untersuchen.