Волоконная оптика

Волоконная оптика, раздел оптики, в котором рассматривается передача света и изображения по светопроводам и волноводам оптического диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон. В. о. возникла лишь в 50-е гг. 20 в.

В волоконно-оптических деталях световые сигналы передаются по световодам с одной поверхности (торца световода) на другую — выходную как совокупность элементов изображения, каждый из которых передаётся по своей световедущей жиле (рис.). В волоконных деталях обычно применяют стеклянное волокно, световедущая жила которого (сердцевина) имеет высокий показатель преломления и окружена стеклом — оболочкой с более низким показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи претерпевают полное внутреннее отражение и распространяются только по световедущей жиле. Несмотря на множество таких отражений, потери в световодах обусловлены главным образом поглощением света в массе стекла жилы. Коэффициент пропускания световодов в видимой области спектра составляет 30—70% при длине 1 м. Диаметр световедущих жил в деталях различных назначений составляет от нескольких микрон до сантиметра. Распространение света по световодам, диаметр которых велик по сравнению с длиной волны, происходит по законам геометрической оптики, по более тонким же волокнам (порядка длины волны) распространяются лишь отдельные типы волн или их совокупности, что рассматривается в рамках волновой оптики.

Для передачи изображения применяются жёсткие многожильные световоды и жгуты с регулярной укладкой волокон. На входной торец изображение проецируется объективом, а на выходном наблюдается в окуляр. Качество изображения в таких приборах определяется диаметром световедущих жил, их общим числом и совершенством изготовления. Обычно разрешающая способность таких жгутов составляет 10—50 линий на 1 мм, а в жёстких многожильных световодах и спечённых из них деталях —до 100 линий на 1 мм. Дефекты таких деталей, где бы они ни находились на длине световедущих жил, передаются по жилам на выходной торец и портят изображение. Это затрудняет изготовление высококачественных деталей.

Пластины, вырезанные поперёк из плотно спечённых волокон, служат фронтальными стеклами кинескопов и переносят изображение на их внешнюю поверхность, что позволяет контактно его фотографировать. При этом до плёнки доходит основная часть света, излучаемого люминофором, а освещённость на ней создаётся в десятки раз большая, чем при съёмке фотоаппаратом с объективом.

Числовая апертура волоконных деталей обычно лежит в пределах 0,4—1,0. Сужающиеся пучки световодов — фоконы (фокусирующие конусы) — собирают на узком торце световой поток, падающий на широкий торец. При этом на выходе возрастают освещённость и наклон лучей. Повышение концентрации возможно до тех пор, пока числовая апертура конуса лучей на выходе не достигает числовой апертуры световода. Дальнейшее уменьшение диаметра выходного торца приводит к выходу части лучей из боковой поверхности световода или же возвращению их к широкому торцу.

В. о. применяют почти во всех отраслях научных исследований. Выпускают сотни типов оптических и электронно-оптических приборов с такими деталями. Жёсткие прямые или заранее изогнутые одножильные световоды и жгуты из волокон диаметром 15—50 мкм применяют в медицинских приборах холодного света для освещения носоглотки, желудка и т.д. В таких приборах свет от электрической лампы собирается конденсором на входном торце световода или жгута и по нему подаётся в освещаемую полость; это позволяет удалить от неё лампу — источник нагревания. Световоды с заданным переплетением применимы в скоростной киносъёмке, для регистрации треков ядерных частиц, как преобразователи сканирования в фототелеграфии и телевизионной измерительной технике, как преобразователи кода и как шифровальные устройства. Созданы активные (лазерные) волокна, работающие как квантовые усилители и квантовые генераторы света, предназначенные для быстродействующих вычислительных машин и выполнения функций логических элементов, ячеек памяти и др. Волокна, закреплённые одним концом (подобно косой щётке), — септроны — позволяют анализировать спектры звуковых частот, выделять голоса из шума толпы, создавать устройства, управляющие машинами от голосовых сигналов, и т.д.

Волоконные детали изготовляются из особо чистых материалов. Из расплавов подходящих марок стекол вытягиваются световод и волокно. Предложен новый оптический материал — кристалловолокно, выращиваемое из расплава. В нём световодами являются нитевидные кристаллы, а прослойками — добавки, вводимые в расплав.

Лит.: Капани Н. С., Волоконная оптика, пер. с англ., М., 1969; Вейнберг В. Б. и Саттаров Д. К., Оптика световодов, М., 1969.

В. Б. Вейнберг.