Основным звеном волоконной оптики является световод. Его простейшая
форма - это одножильное стекловолокно. Из таких волокон формируются все
волоконные изделия. Световод может быть тонким и гибким, как паутинка,
или жестким прутком диаметром до нескольких сантиметров. Но независимо
от толщины он остается сложным оптическим элементом. Световод состоит из
сердцевины и оболочки (рис. 27). Их изготовляют из стекол разных сортов.
Стекла подбирают с таким расчетом, чтобы сердцевина преломляла свет
сильнее, чем оболочка. Это определяет особенности работы световода. Луч
света, войдя в сердцевину, не проникает в оболочку, а, тысячекратно
отразившись от нее, проходит по сердцевине, как по трубопроводу. Для
этого достаточно выполнить одно условие: луч должен падать на границу
сердцевина - оболочка под углом полного внутреннего отражения. И как бы
мы ни сгибали световод, свет непременно выйдет из другого конца, как
вода из шланга. Лучи внутри световода смешиваются и равномерно освещают
его выходной торец. Это очень ценное свойство. До сих пор ни один
оптический элемент не давал такого равномерного распределения света по
полю.
Еще одно свойство: световоды не пропускают тепло, излучаемое лампами
нака ливания, за что их называют <холодными> системами. Исключение
составляют специальные волокна, которые работают в инфракрасном свете.
Это свойство открыло световодам широкую дорогу в медицину. С их помощью
можно осматривать внутренние органы человека, не опасаясь ожогов.
Рис. 27. Световод: 1 - сердцевина; 2 - оболочка
Обычно световоды имеют небольшие размеры - всего несколько
сантиметров, но иногда их длина достигает десятка километров. В этих
случаях свету приходится преодолевать толщу стекла, подобно лучу солнца,
пробивающемуся сквозь морские глубины. При этом свет теряет большую
часть своей энергии. Такие световоды должны быть особо прозрачны.
Если собрать воедино несколько световодов и заключить их в стеклянную
оболочку, получится жесткий многожильный световод. В сечении он
напоминает глаз стрекозы или мухи и точно так же передает изображение.
Каждое волокно передает лишь часть изображения. Изображение в целом
создает только световод, состоящий из многих жил, число которых иногда
достигает 10 5. Но световод <видит> только те предметы, к которым он
прикасается. Удаленных предметов он не <видит>. Чтобы их рассмотреть,
ему нужно <надеть очки>. С помощью линз изображение проектируют на вход
световода, и только тогда он передает это изображение на другой конец.
Известно, что человек видит два предмета раздельно, если расстояние
между ними не меньше 0,1 мм. Если диаметр волокон световода не превышает
эту величину, изображение получается четким и ясным. Под микроскопом
картина становится мозаичной; на ней отчетливо видны обломанные волокна
световодов и неравномерная их укладка. Качество изображения улучшится,
если диаметр волокон уменьшить, а сами волокна уложить более плотно.
Современная технология позволяет изготовлять и укладывать волокна
толщиной с колбочку в сетчатке нашего глаза. В этом случае изображение
остается достаточно четким даже при 50-кратном увеличении. Изготовить
такие волокна не просто, поскольку они невидимы глазу. Не просто и
собрать их воедино, так как располагать волокна нужно строго идентично
на входе и выходе. Иначе получится та же ситуация, что и в детской игре
с кубиками. Если правильно собрать кубики, то увидим цветную картинку,
например изображение котенка. Стоит поменять местами два кубика, как
вместо носика у котенка появится хвостик. Точность укладки волокон можно
сравнить с точностью нарезки дифракционных решеток.
Если передавать не изображение, а только свет, то волокна могут быть как
угодно переплетены. Изготовить такие световоды легче, оттого и стоимость
их меньше.
Жесткие световоды бывают с круглым, прямоугольным, квадратным сечением.
Их изготовляют прямыми, изогнутыми или закрученными, в виде
вакуумноплотных пластин и дисков.
Если закрепить волокна только на торцах, то получится совершенно
уникальный тип световодов - гибкие волоконно-оптические жгуты. Сверху
жгут защищает гибкая оболочка из поливинилхлорида, силикона или латекса.
Такие жгуты легко сгибаются, скручиваются, при этом изображение не
искажается, разве что повернется. Волокна на торцах таких световодов
строго согласованы, а в гибкой части могут переплетаться как угодно.
Если на вход жгута с помощью линзы передать изображение светящегося
прямоугольника, то и на другом его конце появится прямоугольник, как бы
мы ни сгибали жгут. При скручивании жгута прямоугольник только
повернется вокруг оси, но форма его не исказится. Жгуты с регулярной
укладкой волокон в принципе можно использовать и для передачи светового
сигнала. Однако значительно дешевле применять для этих целей жгуты с
произвольным распределением волокон. Иногда световод выполняет две
функции: по центральным волокнам передается изображение, а волокна,
расположенные в наружном кольце, служат для освещения рассматриваемого
участка холодным светом. В отличие от электрического тока или потока
жидкостей и газов свет обладает замечательным свойством - его встречные
потоки не взаимодействуют между собой. Это свойство используют для
передачи световых сигналов в противоположных направлениях по одному
световоду.
