Lichtwellenleiter
Eine optische Faser ist eine dünne Faser aus Glas oder Kunststoff, die Licht von einem Ende zum anderen führen kann. Die Untersuchung von Lichtleitfasern wird als Faseroptik bezeichnet, die Teil der angewandten Wissenschaft und Technik ist.
Optische Fasern werden hauptsächlich in der Telekommunikation verwendet, aber sie werden auch für Beleuchtung, Sensoren, Spielzeug und spezielle Kameras zum Sehen in kleinen Räumen eingesetzt. Manchmal werden sie in der Medizin verwendet, um in Menschen hineinzusehen, z.B. in ihren Rachen.
Ein Bündel von optischen Fasern.
Geschichte
Die Lichtführung durch interne Reflexion, das Prinzip, das die Faseroptik ermöglicht, wurde erstmals Anfang der 1840er Jahre von Daniel Colladon und Jacques Babinet in Paris demonstriert. John Tyndall, ein Physiker, führte es 12 Jahre später in seinen öffentlichen Vorträgen in London vor.
Das Prinzip wurde erstmals in den 1930er Jahren von Heinrich Lamm für interne medizinische Untersuchungen eingesetzt. Moderne optische Fasern, bei denen die Glasfaser mit einer transparenten Ummantelung beschichtet ist, um einen geeigneteren Brechungsindex zu bieten, erschienen später in diesem Jahrzehnt.
1965 zeigten Charles K. Kao und George A. Hockham von der britischen Firma Standard Telephones and Cables (STC) als erste, dass der Intensitätsverlust in Glasfasern verringert werden kann, wodurch Glasfasern zu einem praktischen Kommunikationsmedium wurden. Sie schlugen vor, dass die Defekte in den damals verfügbaren Fasern durch Verunreinigungen verursacht wurden, die entfernt werden konnten. Sie wiesen auf das richtige Material hin, das für solche Fasern verwendet werden sollte, wie zum Beispiel Quarzglas, das eine hohe Reinheit aufweist. Diese Entdeckung brachte Kao 2009 den Nobelpreis für Physik ein.
Daniel Colladon beschrieb diese "Lichtfontäne" oder "Lichtleitung" erstmals 1842 in einem Artikel mit dem Titel Über die Reflexionen eines Lichtstrahls in einem parabolischen Flüssigkeitsstrom. Diese spezielle Illustration stammt aus einem späteren Artikel von Colladon aus dem Jahr 1884.
Wie es funktioniert
Eine optische Faser ist ein langer, dünner Strang aus klarem Material. Ihre Form ähnelt normalerweise einem Zylinder. In der Mitte hat sie einen Kern. Um den Kern herum befindet sich eine Schicht, die als Mantel bezeichnet wird. Der Kern und der Mantel bestehen aus verschiedenen Arten von Glas oder Kunststoff, so dass sich das Licht im Kern langsamer ausbreitet als im Mantel. Trifft das Licht im Kern in einem flachen Winkel auf den Rand der Hülle, so wird es reflektiert. Licht kann sich im Kern ausbreiten und an der Hülle abprallen. Bis zum Ende der Faser entweicht kein Licht, es sei denn, die Faser wird scharf gebogen oder gedehnt.
Wenn der Mantel der Faser verkratzt wird, kann er brechen. Eine Plastikbeschichtung, die als Puffer bezeichnet wird, bedeckt die Ummantelung, um sie zu schützen. Häufig wird die gepufferte Faser in eine noch härtere Schicht, den sogenannten Mantel, eingebracht. Dadurch kann die Faser leicht verwendet werden, ohne dass sie bricht.
Die Schichten in einer Art von optischer Faser. 1.- Kern 8 µm2 .- Mantel 125 µm3 .- Puffer 250 µm4 .- Mantel 400 µm
Verwendet
Faseroptische Kommunikation
Die Hauptanwendung von Glasfaser ist die Kommunikation (Telekommunikation). Bei der faseroptischen Kommunikation werden Informationen von einem Ort zum anderen übertragen, indem Lichtimpulse durch eine optische Faser gesendet werden. Das Licht bildet eine elektromagnetische Trägerwelle, die moduliert wird, um Informationen zu übertragen. Faseroptische Kommunikationssysteme, die erstmals in den 1970er Jahren entwickelt wurden, haben die Telekommunikationsindustrie revolutioniert und zur Entstehung des Informationszeitalters beigetragen.
Frühe Systeme hatten eine kurze Reichweite, aber spätere Systeme verwendeten Fasern, die transparenter sind. Da das Licht nicht aus der Faser austritt, kann das Licht eine weite Strecke zurücklegen, bevor das Signal zu schwach wird. Dies wird verwendet, um Telefon- und Internetsignale innerhalb und zwischen Städten zu senden. Wegen ihrer Vorteile gegenüber der elektrischen Übertragung haben Glasfasern die Kommunikation über Kupferdraht in Kernnetzen in der entwickelten Welt weitgehend ersetzt.
Die meisten optischen Kommunikationssysteme haben elektrische Verbindungen. Ein elektrisches Signal steuert einen Sender. Der Sender wandelt das elektrische Signal in ein Lichtsignal um und sendet es durch die Faser zum Empfänger. Der Empfänger wandelt das Lichtsignal wieder in ein elektrisches Signal um.
Glasfaser wird manchmal auch für kürzere Verbindungen verwendet, z.B. zur Übertragung der Tonsignale zwischen einem Compact-Disc-Player und einem Stereoempfänger. Die für diese kurzen Verbindungen verwendeten Fasern bestehen oft aus Kunststoff, der weniger transparent ist. TOSLINK ist die gebräuchlichste Art von optischen Steckern für Stereoanlagen.
Andere Verwendungen
Als Sensoren können optische Fasern verwendet werden. Hierfür werden spezielle Fasern verwendet, die bei einer Veränderung um die Faser herum die Art und Weise ändern, wie sie das Licht durchlassen. Sensoren wie diese können verwendet werden, um Änderungen von Temperatur, Druck und anderen Dingen zu erkennen. Diese Sensoren sind nützlich, weil sie klein sind und an der Stelle, an der die Erfassung stattfindet, keinen Strom benötigen.
Diese Fasern werden auch dazu verwendet, Licht zu transportieren, damit Menschen sehen können. Manchmal werden sie auch zur Dekoration verwendet, wie z.B. faseroptische Weihnachtsbäume. Manchmal wird sie auch zur Beleuchtung verwendet, wenn es praktisch ist, die Glühbirne an einem anderen Ort zu haben als dort, wo das Licht sein muss. Manchmal wird es in Schildern und Kunst für Spezialeffekte verwendet.
Aus einem Bündel von Fasern kann ein Gerät hergestellt werden, das Endoskop oder Fiberskop genannt wird. Dabei handelt es sich um eine lange, dünne Sonde, die in ein kleines Loch gesteckt werden kann und die ein Bild von dem, was sich im Inneren befindet, durch die Faser an eine Kamera sendet. Endoskope werden von Ärzten verwendet, um in das Innere des menschlichen Körpers zu sehen, und werden manchmal von Ingenieuren eingesetzt, um in engen Räumen von Maschinen zu sehen.
Optische Fasern (mit Zusatz von speziellen Chemikalien) können als optische Verstärker verwendet werden. Dadurch kann ein optisches Signal zwischen den Endpunkten weiter transportiert werden, ohne das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln und wieder zurück, was die Gesamtkosten der Komponenten reduziert. Diese optischen Verstärker können auch zur Herstellung von Lasern verwendet werden. Diese werden als Faserlaser bezeichnet. Sie können sehr leistungsstark sein, da die lange dünne Faser leicht kühl zu halten ist und einen Lichtstrahl von guter Qualität erzeugt.
Ein TOSLINK-Stecker
Ein Weihnachtsbaum mit normaler und faseroptischer Beleuchtung
Das Innere einer Uhr, betrachtet durch ein Fiberskop.
Fragen und Antworten
F: Was ist eine optische Faser?
A: Eine optische Faser ist eine dünne Faser aus Glas oder Kunststoff, die Licht von einem Ende zum anderen übertragen kann.
F: Wie nennt man das Studium der optischen Fasern?
A: Das Studium der optischen Fasern wird als Faseroptik bezeichnet und ist Teil der angewandten Wissenschaft und Technik.
F: Wofür werden optische Fasern hauptsächlich verwendet?
A: Optische Fasern werden vor allem in der Telekommunikation eingesetzt, aber auch für Beleuchtung, Sensoren, Spielzeug und Spezialkameras, mit denen man in kleine Räume sehen kann, werden sie verwendet.
F: Wie werden optische Fasern manchmal in der Medizin eingesetzt?
A: In der Medizin werden sie manchmal eingesetzt, um in das Innere von Menschen zu sehen, z.B. in den Rachen.
F: Gibt es neben der Telekommunikation noch andere Verwendungszwecke für optische Fasern?
A: Ja, sie werden auch für Beleuchtung, Sensoren, Spielzeug und Spezialkameras verwendet, mit denen man in kleine Räume sehen kann.
F: Ist es möglich, mit einer Glasfaser in den Körper eines Menschen zu schauen?
A: Ja, sie können in der Medizin verwendet werden, um in das Innere von Menschen zu sehen, z.B. in den Hals.
F: Gehört die Erforschung von Glasfasern zu den angewandten Wissenschaften oder zum Ingenieurwesen?
A: Das Studium der optischen Fasern ist Teil der angewandten Wissenschaft und des Ingenieurwesens.
