Włókna optyczne: Endoskopy do telefonów
Włókna światłowodowe są jednym z zastosowań całkowitego wewnętrznego odbicia, które jest w szerokim użyciu. W komunikacji, jest on używany do transmisji sygnałów telefonicznych, internetowych i telewizji kablowej. Fiber optics zatrudnia transmisji światła w dół włókien z tworzywa sztucznego lub szkła. Ponieważ włókna są cienkie, światło wchodzące do jednego z nich prawdopodobnie uderzy w wewnętrzną powierzchnię pod kątem większym niż kąt krytyczny, a tym samym zostanie całkowicie odbite (rysunek). Współczynnik załamania światła na zewnątrz włókna musi być mniejszy niż wewnątrz. W rzeczywistości, większość włókien ma zmienny współczynnik załamania światła, aby umożliwić więcej światła, aby być prowadzone wzdłuż włókna przez całkowitą wewnętrzną refrakcję. Promienie są odbijane wokół narożników, jak pokazano na rysunku, dzięki czemu włókna stają się maleńkimi rurami świetlnymi.
Wiązki włókien mogą być używane do przesyłania obrazu bez soczewki, jak pokazano na (rysunku). Wyjście urządzenia zwanego endoskopem jest pokazane na (Rysunek)(b). Endoskopy służą do badania wnętrza ciała poprzez jego naturalne otwory lub niewielkie nacięcia. Światło jest przesyłane w dół jednej wiązki włókien w celu oświetlenia części wewnętrznych, a odbite światło jest przesyłane z powrotem przez inną wiązkę w celu obserwacji.
Włókna światłowodowe zrewolucjonizowały techniki chirurgiczne i obserwacje w ciele, z mnóstwem medycznych zastosowań diagnostycznych i terapeutycznych. Można przeprowadzać operacje, takie jak operacje artroskopowe na stawie kolanowym lub barkowym, wykorzystując narzędzia tnące przymocowane do endoskopu i obserwowane za jego pomocą. Można również pozyskiwać próbki, np. poprzez lassoing polipa jelitowego do badania zewnętrznego. Elastyczność wiązki światłowodowej pozwala lekarzom na prowadzenie jej wokół małych i trudno dostępnych obszarów ciała, takich jak jelita, serce, naczynia krwionośne i stawy. Powszechne staje się przesyłanie intensywnej wiązki laserowej w celu wypalenia zatykających blaszek miażdżycowych w głównych tętnicach, a także dostarczanie światła w celu aktywacji leków stosowanych w chemioterapii. Światłowody w rzeczywistości umożliwiły mikrochirurgię i chirurgię na odległość, gdzie nacięcia są małe, a palce chirurga nie muszą dotykać chorej tkanki.
Włókna optyczne w wiązkach są otoczone materiałem okładzinowym, który ma niższy indeks załamania niż rdzeń (rysunek). Okładzina zapobiega przenoszeniu światła pomiędzy włóknami w wiązce. Bez okładziny, światło może przejść między włóknami w kontakcie, ponieważ ich indeksy załamania są identyczne. Ponieważ żadne światło nie dostaje się do okładziny (jest całkowite wewnętrzne odbicie z powrotem do rdzenia), żaden nie może być przekazywane między włókien clad, które są w kontakcie ze sobą. Zamiast tego światło jest propagowane wzdłuż długości włókna, minimalizując straty sygnału i zapewniając, że na drugim końcu powstaje obraz wysokiej jakości. Okładzina i dodatkowa warstwa ochronna sprawiają, że światłowody są trwałe, a także elastyczne.
Zaprojektowano i wykonano specjalne maleńkie soczewki, które można przymocować do końców wiązek włókien. Światło wychodzące z wiązki włókien może być skupione przez taką soczewkę, obrazując maleńką plamkę. W niektórych przypadkach plamka ta może być skanowana, co pozwala na wysokiej jakości obrazowanie danego obszaru wewnątrz ciała. Specjalne miniaturowe filtry optyczne umieszczone na końcu wiązki światłowodów mają zdolność do obrazowania wnętrza organów znajdujących się dziesiątki mikronów pod powierzchnią bez przecinania powierzchni – jest to obszar znany jako diagnostyka nieinwazyjna. Jest to szczególnie przydatne do określania stopnia zaawansowania nowotworów żołądka i jelit.
W innego rodzaju zastosowaniach, światłowody są powszechnie używane do przenoszenia sygnałów w rozmowach telefonicznych i komunikacji internetowej. Rozległe kable światłowodowe zostały umieszczone na dnie oceanu i pod ziemią, aby umożliwić komunikację optyczną. Systemy komunikacji światłowodowej oferują kilka zalet w porównaniu z systemami elektrycznymi (miedzianymi), szczególnie na dużych odległościach. Włókna mogą być tak przezroczyste, że światło może pokonać wiele kilometrów, zanim stanie się na tyle niewyraźne, że będzie wymagało wzmocnienia – znacznie lepiej niż w przypadku przewodników miedzianych. Ta właściwość światłowodów nazywana jest niską stratą. Lasery emitują światło o charakterystyce, która pozwala na znacznie więcej konwersji w jednym włóknie niż jest to możliwe w przypadku sygnałów elektrycznych na pojedynczym przewodniku. Ta właściwość światłowodów nazywana jest wysoką szerokością pasma. Sygnały optyczne w jednym włóknie nie powodują niepożądanych efektów w innych sąsiednich włóknach. Ta właściwość światłowodów nazywana jest zredukowanym przesłuchiem. Unikalne właściwości promieniowania laserowego poznamy w późniejszym rozdziale.
.