Fibre ottiche: Dagli endoscopi ai telefoni
La fibra ottica è un’applicazione della riflessione interna totale che è molto usata. Nelle comunicazioni, è usata per trasmettere segnali telefonici, internet e TV via cavo. La fibra ottica impiega la trasmissione della luce attraverso fibre di plastica o di vetro. Poiché le fibre sono sottili, è probabile che la luce che entra in una di esse colpisca la superficie interna con un angolo maggiore dell’angolo critico e, quindi, sia totalmente riflessa (figura). L’indice di rifrazione all’esterno della fibra deve essere più piccolo di quello interno. Infatti, la maggior parte delle fibre ha un indice di rifrazione variabile per permettere a più luce di essere guidata lungo la fibra attraverso la rifrazione interna totale. I raggi vengono riflessi intorno agli angoli come mostrato, rendendo le fibre dei piccoli tubi di luce.
Fasci di fibre possono essere usati per trasmettere un’immagine senza una lente, come illustrato in (Figura). L’uscita di un dispositivo chiamato endoscopio è mostrato in (Figura)(b). Gli endoscopi sono usati per esplorare l’interno del corpo attraverso i suoi orifizi naturali o piccole incisioni. La luce viene trasmessa lungo un fascio di fibre per illuminare le parti interne, e la luce riflessa viene ritrasmessa attraverso un altro fascio per essere osservata.
La fibra ottica ha rivoluzionato le tecniche chirurgiche e le osservazioni all’interno del corpo, con una serie di usi medici diagnostici e terapeutici. Si possono eseguire interventi chirurgici, come la chirurgia artroscopica su un’articolazione del ginocchio o della spalla, utilizzando strumenti da taglio collegati all’endoscopio e osservati con esso. Si possono anche ottenere campioni, come per esempio prendendo al lazo un polipo intestinale per un esame esterno. La flessibilità del fascio di fibre ottiche permette ai medici di navigare intorno a regioni del corpo piccole e difficili da raggiungere, come l’intestino, il cuore, i vasi sanguigni e le articolazioni. La trasmissione di un intenso raggio laser per bruciare le placche che ostruiscono le arterie principali, così come la consegna della luce per attivare i farmaci chemioterapici, stanno diventando luoghi comuni. Le fibre ottiche hanno infatti permesso la microchirurgia e la chirurgia a distanza dove le incisioni sono piccole e le dita del chirurgo non hanno bisogno di toccare il tessuto malato.
Le fibre ottiche in fasci sono circondate da un materiale di rivestimento che ha un indice di rifrazione più basso del nucleo (Figura). Il rivestimento impedisce alla luce di essere trasmessa tra le fibre in un fascio. Senza cladding, la luce potrebbe passare tra le fibre in contatto, poiché i loro indici di rifrazione sono identici. Poiché nessuna luce entra nel rivestimento (c’è una riflessione interna totale verso il nucleo), nessuna può essere trasmessa tra le fibre rivestite che sono in contatto tra loro. Invece, la luce si propaga lungo la lunghezza della fibra, minimizzando la perdita di segnale e assicurando la formazione di un’immagine di qualità all’altra estremità. Il rivestimento e un ulteriore strato protettivo rendono le fibre ottiche durevoli e flessibili.
Speciali piccole lenti che possono essere attaccate alle estremità dei fasci di fibre sono state progettate e fabbricate. La luce che emerge da un fascio di fibre può essere focalizzata attraverso una lente di questo tipo, immaginando un piccolo punto. In alcuni casi, il punto può essere scansionato, permettendo un’immagine di qualità di una regione all’interno del corpo. Speciali filtri ottici minuscoli inseriti all’estremità del fascio di fibre hanno la capacità di immaginare l’interno di organi situati decine di micron sotto la superficie senza tagliare la superficie – un’area conosciuta come diagnostica non intrusiva. Questo è particolarmente utile per determinare l’estensione dei tumori nello stomaco e nell’intestino.
In un altro tipo di applicazione, le fibre ottiche sono comunemente usate per trasportare segnali per le conversazioni telefoniche e le comunicazioni internet. Estesi cavi in fibra ottica sono stati collocati sul fondo dell’oceano e sottoterra per consentire le comunicazioni ottiche. I sistemi di comunicazione in fibra ottica offrono diversi vantaggi rispetto ai sistemi elettrici (rame), in particolare per le lunghe distanze. Le fibre possono essere rese così trasparenti che la luce può viaggiare per molti chilometri prima di diventare abbastanza fioca da richiedere un’amplificazione – molto superiore ai conduttori di rame. Questa proprietà delle fibre ottiche è chiamata bassa perdita. I laser emettono luce con caratteristiche che permettono molte più conversazioni in una fibra di quanto sia possibile con segnali elettrici su un singolo conduttore. Questa proprietà delle fibre ottiche è chiamata alta larghezza di banda. I segnali ottici in una fibra non producono effetti indesiderati in altre fibre adiacenti. Questa proprietà delle fibre ottiche è chiamata crosstalk ridotta. Esploreremo le caratteristiche uniche della radiazione laser in un capitolo successivo.