Техника - молодёжи 1966-12, страница 43

СВЕТ, ЗАВЯЗАННЫЙ ВУЗЕЛ

В. ФРОЛОВ, инженер Ленинград

Под таким заголовком на 4-й странице обложки нашего журнала № 5 за 1966 год были опубликованы фотографии, демонстрирующие удивительные возможности волоконной оптики. Хотя первый эксперимент с изгибающимся световым лучом был поставлен Тиидалем еще в 1870 году, практическая разработка этой любопытной идеи началась лишь несколько лет назад. И уже сейчас ученые и инженеры нашли изогнутым в прозрачных волокнах световым лучам десятки неожиданных и важных применений. О некоторых из них рассказывает в своей статье ленинградский инженер В. Фролов.

Строго говоря, прямолинейность никогда не изменяет световому лучу. В замысловато изогнутом стеклянном волокне он движется по ломаной зигзагообразной линии, многократно отражаясь от внутренних стенок. Но ведь луч света, введенный в стеклянное волокно, может легко пройти сквозь стенкн н попасть в другие волокна, которые находятся рядом. Чтобы этого не произошло, стеклянная ннть делается двухслойной: сердечник —из стекла с большим показателем преломлении (чем больше эта величина, тем меньше скорость света в данной среде), а оболочка — нз стекла с малым показателем преломления. Гибкий пучок из таких нитей, даже будучи завит в спираль или завязан узлом, хорошо передает изображение. Световой луч, попав в сердечник стеклянной нитн, покрытой тонкой оболочкой нз другого сорта стекла, нз-за полного внутреннего отражения не может покинуть ее через боковые стенки. Единственный выход для него — торец, противоположный входному.

Современные стекла с высоким показателем преломления поглощают на 1 см длины нити менее 0,5% световой энергии. Двухметровый лучок «удерживает» примерно половину светового потока. А ведь луч испытывает прн этом около 50 тыс. отражений!

Как же делают ннтн с покрытием? Стеклянный стержень (с высоким показателем преломлении) вкладывают в трубку (с ннзкнм показателем). Разогрев такую заготовку, нз нее вытягивают «слоеную» нить, ровными рядами наматывающуюся на барабаны. Так получают иити диаметром до 0,025 мм. Пучок, набранный из них, позволяет различать расстояние между линиями всего в одну двадцатую миллиметра.

Чтобы получить еще меньшую зернистость, несколько сот подобных ннтей можно сплавить вместе н подвергнуть вытяжке получившийся пучок. Такая «сплошная» ннть, состоящая нз ииточек толщиной в 2 микрона, имеет разрешающую способность 250 линий на один миллиметр.

Гибкие светопроводы — фиброскопы, — набранные из тысяч тончайших нитей, все шире применяются в техническом, медицинском н научном приборостроении.

1. Гибкие светопроводы помогают наблюдать процессы в химических камерах, где протекают реакции с выделением ядовитых веществ, изучать состояние внутренних поверхностей котлов и ядерных реакторов. Врачн получили средство для изучения и исследования внутренних органов человека. Фиброскопы — сущая находка для дантистов: светопроводы позволяют заглянуть в самые труднодоступные части поврежденного зуба. Тончайший фиброскоп поможет хирургу увидеть даже бьющееся человеческое сердце. Такой «мнкро-осветнтель» состоит из двух жгутов: центральный — передает изображение к глазу исследователя, внешний — концентрический — подводит свет в изучаемую полость.

2. А вот как выглядит схема подкожного микроскопа, позволяющего рассматривать глубоко расположенные ткани без хирургического вскрытия организма. Стандартная игла для подкожных впрыскиваний наполняется несколькими тысячами стеклянных волокон, по которым изображение передается в микроскоп и увеличивается в 100 раз. Поток света, необходимый для освещения ткаин, струится от лампочки по периферийной части лнизы и через зеркальце и волокна. Изображение же по тем же волокнам возвращается через микроскоп к наблюдателю.

3. Из светопроводов можно изготовить не только гибкие, но н жесткие конструкции. Оптические волокна, сложенные в пучок, нетрудно термопрессовкой нлн склейкой превратить в блок. Разрезав такой блок поперек волокон, получают пластины, помогающие по-новому решить важные технические проблемы. Положим, надо сфотографировать изображение на телевизионном экране. Если просто установить перед телевизором фотокамеру, то в объектив попадет сравнительно немного световых лучей: часть испытает полное внутреннее отражение в толще стекла телевизионной трубки, часть

рассеется в пространстве. В результате в объектив попадет лишь 2,5% идущего от экрана телевизора света.

Можно поступить иначе: экран телевизионной трубки изготовить нз волоконно-оптической пластины. Люминофор, излучающий свет, наносится на входные торцы волокон, а фотопластинка прижата к выходным торцам. Такое стекло дает большие преимущества. Во-первых, получается выигрыш в свете в 30—40 раз. Во-вторых, в обычных трубках электронное изображение возникает иа сферической поверхности, поэтому обычным фотографированием не удается получить четкое изображение на плоской пленке. Волоконно-оптическая пластина легко исправляет этот недостаток. Ее внутренняя поверхность делается сферической, а внешняя плоской. Это позволяет получить четкие, неискаженные фотографии Волоконные пластины выправляют и другие искажения в оптических системах.

4. До снх пор мы говорили о светопроводах, а которых волокна расположены параллельно друг другу ровными рядами, не сплетаясь и не перекрещиваясь. А что получится, если хаотически перепутать волокна в пучке?

Ясно, что количество разноцветных точек, содержащихся во вводном сечении, останется неизменным. Но все эти точки окажутся перемешанными в хаотическом беспорядке. Однако стоит взглянуть на это бессмысленное нагромождение точек через тот же самый пучок волоком — и мы увидим первоначальное. неискаженное изображение. Выходит, это идеальное шифрующее устройство. Если взять, к примеру, пучок нз 250 тыс. перепутанных волокон, то с его помощью мы получим такую комбинацию точек, которую невозможно расшифровать, не имея в руках точио такого же пучка.

5. А вот еще одно нововведение. В высокоскоростных камерах пленка может двигаться гораздо медленнее, если сильно сжать кадр по высоте. Волоконная оптика решает эту проблему очень просто. Один торец пучка делается круглой

SopMbi, а другой сводится в прямую горизонтальную линию.

бъектнв камеры фокусирует изображение на круглый торец, а на пленке получается сжатое по высоте «зашифрованное» изображение. Чтобы получить неискаженное изображение на экране, при проецировании пленку надо пропустить через точно такой же волоконный преобразователь в обратном порядке с подсветкой с другой стороны.

6. Волоконная оптика как будто специально создана для конструирования всякого рода оптических преобразователей. Вот лишь одна оригинальная конструкция, позволяющая вращательное движение светового «зайчика» преобразовывать в прямолинейное. Свет от лампы, проходя через линзы, падает на торец вращающегося светопровода. Повернутый им на 180°, ои попадает на неподвижный волоконный преобразователь. Один торец этого преобразователя свернут в разрезанное кольцо, напоминающее букву «С». Второй торец вытянут в прямую линию. В результате «зайчик» на входном торце, бегающий по окружности, на выходном движется по прямой.

7. А вот как выглядит прибор для исследования состояния внутренней поверхности длинных трубок, применяемых в ядерных реакторах. Свет от лампочки падает на круглый торец пучка освещающих волокон. Второй, выходной торец вытянут в тонкую полоску, откуда лучн света попадают на треугольную призму, отбрасывающую свет иа внутреннюю поверхность трубы. Отраженный свет через ту же призму попадает во второй пучок, который выводит изображение через объектив на -движущуюся кинопленку.

8. Волоконный ецннтиллятор для регистрации следов ядерных частиц собирается из накрест уложенных слоев люмнне-ецнрующнх светопроводных волокон. Частица, пронизывающая такой пакет, вызывает в волокнах люминесцентные нспышки, засвечивающие фотопластинки, прижатые к торцам волокон. Пунктирные отпечатки на даух пластинках дают две проекции следа во взаимно перпендикулярных плоскостях.

37