Optische vezel | dunne vezel van glas of plastic die licht kan dragen

Geschiedenis

Het geleiden van licht door interne reflectie, het principe dat glasvezeloptica mogelijk maakt, werd voor het eerst gedemonstreerd door Daniel Colladon en Jacques Babinet in Parijs in het begin van de jaren 1840. John Tyndall, een natuurkundige, demonstreerde het 12 jaar later tijdens zijn openbare lezingen in Londen.

Het principe werd door Heinrich Lamm in de jaren 1930 voor het eerst gebruikt voor inwendig medisch onderzoek. Moderne optische vezels, waarbij de glasvezel is bekleed met een transparante bekleding om een geschiktere brekingsindex te bieden, verschenen later in het decennium.

De term "glasvezel" is bedacht door Narinder Singh Kapany.

In 1965 toonden Charles K. Kao en George A. Hockham van het Britse bedrijf Standard Telephones and Cables (STC) als eersten aan dat het intensiteitsverlies in optische vezels kon worden verminderd, waardoor vezels een praktisch communicatiemedium zouden worden. Zij stelden dat de gebreken in de destijds beschikbare vezels werden veroorzaakt door onzuiverheden die konden worden verwijderd. Zij wezen op het juiste materiaal voor dergelijke vezels, zoals silicaglas met een hoge zuiverheid. Deze ontdekking leverde Kao in 2009 de Nobelprijs voor natuurkunde op.

 
Daniel Colladon beschreef deze "lichtfontein" of "lichtpijp" voor het eerst in een artikel uit 1842 met de titel On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. Deze specifieke illustratie komt uit een later artikel van Colladon, in 1884.  

Hoe het werkt

Een optische vezel is een lange, dunne streng helder materiaal. De vorm lijkt meestal op een cilinder. In het midden bevindt zich een kern. Om de kern zit een laag die de cladding wordt genoemd. De kern en de bekleding zijn gemaakt van verschillende soorten glas of plastic, zodat het licht in de kern langzamer reist dan in de bekleding. Als het licht in de kern de rand van de bekleding onder een kleine hoek raakt, kaatst het terug. Licht kan in de kern reizen en weerkaatsen tegen de bekleding. Er ontsnapt geen licht tot het einde van de vezel, tenzij de vezel scherp gebogen of uitgerekt is.

Als de bekleding van de vezel wordt bekrast, kan deze breken. Een plastic coating, buffer genaamd, bedekt de bekleding om deze te beschermen. Vaak wordt de gebufferde vezel in een nog hardere laag gestopt, de mantel genoemd. Hierdoor kan de vezel gemakkelijk worden gebruikt zonder te breken.

 
De lagen in een soort optische vezel. 1.- Kern 8 µm 2.- Bekleding 125 µm 3.- Buffer 250 µm 4.- Mantel 400 µm  

Gebruikt

Vezeloptische communicatie

De belangrijkste toepassing van optische vezels is communicatie (telecommunicatie). Glasvezelcommunicatie brengt informatie over van de ene plaats naar de andere door lichtpulsen door een optische vezel te sturen. Het licht vormt een elektromagnetische draaggolf die wordt gemoduleerd om informatie over te dragen. Vezeloptische communicatiesystemen werden voor het eerst ontwikkeld in de jaren 1970 en hebben een revolutie teweeggebracht in de telecommunicatie-industrie en hebben bijgedragen tot de komst van het informatietijdperk.

Vroege systemen hadden een kort bereik, maar latere systemen gebruikten vezels die transparanter zijn. Aangezien het licht niet uit de vezel lekt, kan het licht een lange afstand afleggen voordat het signaal te zwak wordt. Dit wordt gebruikt om telefoon- en internetsignalen binnen en tussen steden te versturen. Vanwege de voordelen ten opzichte van elektrische transmissie hebben optische vezels in de ontwikkelde landen de communicatie via koperdraden in de kernnetwerken grotendeels vervangen. Onderzeese kabels met vezels verbinden de wereld.

De meeste optische communicatiesystemen hebben elektrische verbindingen. Een elektrisch signaal stuurt een zender aan. De zender zet het elektrische signaal om in een lichtsignaal en stuurt het door de vezel naar de ontvanger. De ontvanger zet het lichtsignaal weer om in een elektrisch signaal.

Vezels worden soms ook gebruikt voor kortere verbindingen, bijvoorbeeld om de geluidssignalen tussen een cd-speler en een stereo-ontvanger door te geven. De voor deze korte verbindingen gebruikte vezels zijn vaak gemaakt van plastic, dat minder transparant is. TOSLINK is het meest gebruikte type optische stekker voor stereo's.

Ander gebruik

Optische vezels kunnen worden gebruikt als sensoren. Hiervoor worden speciale vezels gebruikt, die veranderen hoe zij licht doorlaten wanneer er een verandering rond de vezel plaatsvindt. Dergelijke sensoren kunnen worden gebruikt om veranderingen in temperatuur, druk en andere zaken te detecteren. Deze sensoren zijn nuttig omdat ze klein zijn en geen elektriciteit nodig hebben op de plaats waar de detectie plaatsvindt.

Deze vezels worden ook gebruikt om licht te dragen dat mensen kunnen zien. Dit wordt soms gebruikt voor decoratie, zoals glasvezelkerstbomen. Soms wordt het gebruikt voor verlichting, wanneer het handig is om de lamp op een andere plaats te hebben dan waar het licht moet zijn. Dit wordt soms gebruikt in borden en kunst voor speciale effecten.

Een bundel vezels kan worden gebruikt om een endoscoop of fiberscoop te maken. Dit is een lange, dunne sonde die in een klein gaatje kan worden gestoken en via de vezel een beeld van de binnenkant naar een camera stuurt. Endoscopen worden gebruikt door artsen om in het menselijk lichaam te kijken, en worden soms gebruikt door ingenieurs om in krappe ruimtes in machines te kijken.

Optische vezels (met toevoeging van speciale chemicaliën) kunnen worden gebruikt als optische versterkers. Hierdoor kan een optisch signaal verder reizen tussen eindpunten, en zonder het optische signaal om te zetten naar elektrisch en terug, waardoor de totale kosten van de componenten dalen. Deze optische versterkers kunnen ook worden gebruikt om lasers te maken. Deze worden fiberlasers genoemd. Deze kunnen zeer krachtig zijn, omdat de lange dunne vezel gemakkelijk koel te houden is, en een lichtstraal van goede kwaliteit maakt.

 
Een kerstboom met normale en glasvezelverlichting  


De binnenkant van een klok, bekeken door een fiberscope.  


Een TOSLINK-stekker