Fiber Optics: Endoscopes to Telephones
Fiber optics is een toepassing van totale interne reflectie die op grote schaal wordt gebruikt. In communicatie wordt het gebruikt om telefoon-, internet- en kabeltelevisiesignalen over te brengen. Glasvezeloptica maakt gebruik van de transmissie van licht door kunststof- of glasvezels. Omdat de vezels dun zijn, zal het licht dat de vezel binnenkomt, waarschijnlijk het binnenoppervlak raken onder een hoek die groter is dan de kritische hoek en dus volledig worden gereflecteerd ((Figuur)). De brekingsindex buiten de vezel moet kleiner zijn dan binnen de vezel. In feite hebben de meeste vezels een variërende brekingsindex om meer licht langs de vezel te kunnen leiden door totale interne breking. Lichtstralen worden om hoeken gereflecteerd, zoals te zien is, waardoor de vezels kleine lichtpijpen worden.
Bundels van vezels kunnen worden gebruikt om een beeld zonder lens over te brengen, zoals geïllustreerd in (Figuur). De uitgang van een apparaat dat een endoscoop wordt genoemd, is te zien in (Figuur)(b). Endoscopen worden gebruikt om het inwendige van het lichaam te onderzoeken via de natuurlijke openingen of kleine incisies. Licht wordt door een vezelbundel naar beneden gestuurd om inwendige delen te belichten, en het weerkaatste licht wordt door een andere bundel weer naar buiten gestuurd om te worden geobserveerd.
Fiber optics heeft een revolutie teweeggebracht in chirurgische technieken en waarnemingen binnen het lichaam, met een groot aantal medische diagnostische en therapeutische toepassingen. Er kunnen operaties worden uitgevoerd, zoals arthroscopische operaties aan een knie- of schoudergewricht, waarbij gebruik wordt gemaakt van snijgereedschap dat aan de endoscoop is bevestigd en met de endoscoop wordt geobserveerd. Er kunnen ook monsters worden genomen, bijvoorbeeld door een darmpoliep te vangen voor uitwendig onderzoek. Door de flexibiliteit van de glasvezelbundel kunnen artsen deze rond kleine en moeilijk bereikbare lichaamsdelen leiden, zoals de darmen, het hart, de bloedvaten en de gewrichten. Het overbrengen van een intense laserstraal om blokkerende plaques in grote slagaders weg te branden, alsook het toedienen van licht om chemotherapiemedicijnen te activeren, worden gemeengoed. Optische vezels hebben in feite microchirurgie en chirurgie op afstand mogelijk gemaakt, waarbij de incisies klein zijn en de vingers van de chirurg het zieke weefsel niet hoeven aan te raken.
Optische vezels in bundels zijn omgeven door een bekledingsmateriaal dat een lagere brekingsindex heeft dan de kern ((Figuur)). De cladding voorkomt dat licht tussen vezels in een bundel wordt doorgelaten. Zonder cladding zou licht kunnen passeren tussen vezels die met elkaar in contact zijn, aangezien hun brekingsindexen identiek zijn. Aangezien er geen licht in de cladding terechtkomt (er is totale interne weerkaatsing terug in de kern), kan er ook geen licht worden doorgelaten tussen vezels die met elkaar in contact zijn. In plaats daarvan wordt het licht over de hele lengte van de vezel verspreid, waardoor het signaalverlies tot een minimum wordt beperkt en aan het andere eind een beeld van goede kwaliteit wordt gevormd. De bekleding en een extra beschermlaag maken optische vezels zowel duurzaam als flexibel.
Speciale kleine lenzen die aan de uiteinden van vezelbundels kunnen worden bevestigd, zijn ontworpen en gefabriceerd. Licht dat uit een vezelbundel komt, kan door zo’n lens worden gefocusseerd, waardoor een minuscuul punt zichtbaar wordt. In sommige gevallen kan de plek worden gescand, waardoor een gebied in het lichaam goed in beeld kan worden gebracht. Speciale minuscule optische filters die aan het uiteinde van de vezelbundel worden ingebracht, kunnen het inwendige van organen die zich tientallen microns onder het oppervlak bevinden, afbeelden zonder het oppervlak te doorsnijden – een gebied dat bekend staat als niet-intrusieve diagnostiek. Dit is bijzonder nuttig voor het vaststellen van de omvang van kankers in maag en darmen.
In een ander soort toepassing worden optische vezels vaak gebruikt om signalen voor telefoongesprekken en internetcommunicatie over te brengen. Er zijn uitgebreide optischevezelkabels op de oceaanbodem en onder de grond gelegd om optische communicatie mogelijk te maken. Optische vezelcommunicatiesystemen bieden verschillende voordelen ten opzichte van elektrische (koper)-gebaseerde systemen, vooral voor lange afstanden. De vezels kunnen zo transparant worden gemaakt dat licht vele kilometers kan reizen voordat het zo zwak wordt dat versterking nodig is – veel beter dan koperen geleiders. Deze eigenschap van optische vezels wordt laag verlies genoemd. Lasers zenden licht uit met kenmerken die veel meer gesprekken in één vezel mogelijk maken dan met elektrische signalen op een enkele geleider. Deze eigenschap van optische vezels wordt hoge bandbreedte genoemd. Optische signalen in één vezel veroorzaken geen ongewenste effecten in andere aangrenzende vezels. Deze eigenschap van optische vezels wordt verminderde overspraak genoemd. In een later hoofdstuk zullen wij de unieke eigenschappen van laserstraling nader onderzoeken.