Dan Hewak, a Southamptoni Egyetem optoelektronikai kutatóközpontjának munkatársa az optikai szálak néhány alkalmazásával ismerteti meg az Olvasót. A Chemistry in Britain c. folyóiratban megjelent cikkét kissé rövidítve közöljük.

A telefonba mondott szavak útjuk legnagyobb részét ma már nem elektromos hullámok, hanem üvegszálakba zárt fényimpulzusok formájában teszik meg. A világot – a föld felszínén és a tenger alatt – sok százmillió kilométer hosszú, hajszálvékony szál hálózza be, amelyet nagytisztaságú üvegbõl készítenek. Az optikai szálak alkotják a földet átfogó "információs szupersztráda" gerincét.

Az optikai kommunikáció akkor lett az elektronikus átvitel alternatívája, amikor a szilícium-dioxid üvegszál gyengítését néhány decibel/kilométer értékre csökkentették. Ez azt jelenti, hogy a szálban megtett 1 km-nyi út után az eredeti fényintenzitás fele még továbbítható (1. ábra). 1966-ban, amikor felvetõdött, hogy a fénnyel továbbítsanak információt, a legjobb üvegekben is annyi fény nyelõdött el és szóródott, hogy csak néhány centiméterre jutott el az üzenet. Az 1970-es években – az üvegtechnológusok munkája nyomán – a gyengítés 10 dB/km-re csökkent. Ezt az értéket már a távközlés is elfogadhatta. A módosított kémiai gõzlecsapás [modified chemical vapour deposition (MCVD)] jóvoltából azóta rendkívül tiszta üvegeket is elõállítanak, amelyek gyengítését csak az üveg természetébõl adódó, elkerülhetetlen elnyelés korlátozza (gyengítésük 0,5 dB/km-nél kisebb). Ebbõl az üvegbõl 20 km vastag enged át annyi fényt, mint az ablaküveg.

Az optikai szálak többsége szilícium-dioxidból készül. A kutatók azonban olyan új anyagokat keresnek, amelyekben  nincs szükség a jelek erõsítésére (1. táblázat). A fluoridüvegekben  – amelyek fém-fluorid-, például cirkónium-fluorid-, bárium-fluorid- és nátrium-fluorid-alapúak – mintegy százszor kisebb a Rayleigh-féle fényszóródás, mint a szilícium-dioxid-alapú üvegekben (a hagyományos hullámhossznál kissé hosszabb hullámhosszon). De azok azok az üvegkomponensek és jellemzõk, amelyek a hosszú hullámhosszú jeltovábbításhoz szükségesek (a nehézfém-fluoridok és gyenge ionos kötések), sajnos erõsen csökkentik az üveg  stabilitását. Ráadásul a fluoridüvegeket megtámadja a nedvesség, amely elõször csak gyengíti, de végül el is töri a szálat, a krisztallizáció pedig, amely a szálhúzás során lép fel, ugyancsak a gyengítésnek kedvez. A fluoridüvegek tehát nem váltották be a hozzájuk fûzött reményeket.

Az új anyagok keresése azonban folytatódik. Akkoriban, amikor a fluoridszálak csõdöt mondtak a távközlésben, megjelentek a kereskedelemben az optikai szálas erõsítõk. Ezek a rendszerek 1,5 µm-en erõsítették az átvitelt, ezért nem vették sok hasznukat a földi telekommunikációban, amely rendszerint 1,3 µm-en mûködik. A kutatóknak alacsonyabb hullámhosszú változatot kellett keresniük. A fluoridszál, amely most általában prazeodímium adalékot tartalmaz, új szerephez jutott: rövid, (10–20 m-es), kis veszteségû, 1,3 µm-nél erõsítõ szálként használható. Ezeket a rövid fluoridszálakat a hagyományos, hosszú telekommunikációs szálak közé iktatják be: a szilícium-dioxid szálon továbbított gyenge jeleket az adalékolt fluoridszálak fölerõsítik.

1992-ben mutatták ki, hogy az 1,3 µm-es erõsítõ hatásfoka csak 4 százalék körül van. Ezért stabilabb és hatékonyabb anyagokat keresnek. Ígéretesnek tûnik a gallium-szulfid-alapú üveg, amelynek hatásfokát 60 százalékra becsülik.

A kis veszteségû szálak kidolgozása után a kutatókat az foglalkoztatta, hogy nem használhatnának-e optikai szálakat a nagy gázlézerek impulzusainak továbbítására. Elsõsorban a nagy energiájú infravörös (IR) sugárzást akarták optikai szálon szállítani. Az elsõ IR-továbbító szálak kalkogenidekbõl – szulfid-, szelenid- vagy telluridalapú üvegekbõl – készültek. A szilícium-dioxiddal szemben – amely 2–3 µm fölött elnyeli a fényt – a kalkogenidek széles IR-tartományban használhatók a jeltovábbításra. Az arzén- vagy germánium-szulfidos üvegek körülbelül 6 µm-ig, a szelenides vagy telluridos változatok 10 µm-en túl, a szokásos CO₂-lézerek tartományában is átengedik az IR-fényt. A további fejlesztések nyomán maga a szál vált lézerforrássá.

Azt remélik, hogy a sebészetben az IR-továbbító szálakat hatékony, rugalmas és antiszeptikus szikeként használhatják. A nagy teljesítményû lézerek ma már 2,94 µm hullámhosszú energiaimpulzusok elõállítására is képesek – ezen a hullámhosszon a legerõsebb a víz rezgési abszorpciója. Ezt a lézersugárzást jelentõsen elnyeli a biológiai szövet, ezért a sebészek nagyon kis vágásokon vagy természetes testnyílásokon át is kezelhetik a belsõ szövetet. Az optikai szálon továbbított lézerfény például a fogzománcba is behatol – a "lézeres fúró" valószínûleg kellemesebb a nagy sebességû fogfúró berendezésnél.

A lábunk alatt futó szálak csöndes, de fontos szerepet töltenek be: egyre több lépésünket vigyázzák. Optikai szálas  érzékelõket dolgoztak ki a jármûvek számlálására, a jármûsebesség mérésére és súlymérésre. A szálak segítéségével értékelhetjük majd az utak állapotát, elterelhetjük a forgalmat, figyelmeztethetjük a vezetõket a forgalmi dugókra vagy a jeges hidakra. Az adott célra kifejlesztett optikai szálas érzékelõkkel mérhetõ a gyártás közben az alkatrészek rezgése, az elemekben ébredõ feszültség, és az autó használata közben nyomon követhetõ a szerkezet kopása.

Mind az optikai, mind az elektronikus érzékelõk piacán számos technológia verseng egymással. A "kiterjedt érzékelés" során az érzékelõ bármely és minden pontján végezhetõ mérés. Erre a célra az optikai szálas érzékelés a legalkalmasabb. A Southamptoni Egyetemen azt vizsgáljuk, hogyan alkalmazható a Brillouin-féle visszaszórási mechanizmus a hõmérséklet és a feszültség kiterjedt érzékelésére. Az optikai szálas érzékelõbe egy rövid, nagy intenzitású fényimpulzust adunk. Ahogy az impulzus végighalad a szálon, egy kis része visszaszóródik a detektorhoz, az impulzus kiindulási helyére. Ennek a visszaszórt fénynek az intenzitását és frekvenciáját mérjük az idõ függvényében, s az adatokból a szál bármely pontján meg tudjuk határozni a hõmérsékletet és a feszültséget.

A kutatások arra utalnak, hogy a jövõbeli optikai szálas berendezések az eddiginél hosszabb hullámhosszon is mûködnek majd. A távolabbi IR-tartományban sok vegyület abszorpciós sávját elérik, ezért távoli spektroszkópiára és érzéklésre használhatók. A különbözõ hullámhosszakon mûködõ, új lézerforrások könnyen azonosítanak nyomnyi mennyiségû mérgezõ vagy nemkívánatos gázokat. Az optikai szállal megvilágított minta fényelnyelésének mérésébõl megállapítható például a szén-dioxid mennyisége (ennek a gáznak 4,3 µm körül jelentõs az abszorpciója).

A nehézséget az okozza, hogy kevés alkalmas lézer mûködik ebben a viszonylag hosszú hullámú infravörös tartományban. A lézerforrások rendszerint drágák, nagyok és kis teljesítményûek. Az új, IR-továbbító üvegekbõl készített optikai szálas lézerek – a megfelelõ ritkaföldfémion adalékokkal – olyan hosszú hullámhosszú fényt bocsátanak ki, amelyet számos mérgezõ vagy "környezetbarátságtalan" gáz elnyel (közéjük tartozik például a szén-monoxid, a metán és a szén-dioxid).

Az optikai szálas lézerek azért alkalmasak a gázok érzékelésére, mert hullámhosszuk hangolható, és igen monokróm fényt bocsátanak ki. Ezek a tulajdonságok olyankor fontosak, amikor a vizsgálandó gáz elnyelését jobban abszorbeáló háttér gázok mellett kell meghatározni. A hagyományos Fourier-transzformációs IR-spektrométer sokkal rosszabb felbontással mûködik. Egy optikai szálas lézerforrás például milliárdod résznyi hidrogén-fluoridot is kimutat olyankor, amikor a csúcsjel 50 000-szer gyengébb, mint a víz – hidrogén-fluoridhoz közeli – abszorpciója. Ilyen körülmények között a Fourier-transzformációs IR-spektrométer nem mutatja ki a hidrogén-fluoridot a vízgõz mellett.

A kutatások újabb és újabb felhasználási lehetõségekre vetnek fényt, miközben az optikai szálak mindennapjaink aktív szereplõivé válnak.
 

Ajánlott irodalom

* J. Senior, Optical fibre communications: principles and practice. London: Prentice-Hall International, 1985.
* T. Katsuyama and H. Matsumura, IR fibre optics. Bristol: IOP Publishing, 1989.
* P. France, Fluoride glass optical fibres. Glasgow: Blackie & Son, 1990.
* P. St. J. Russell, J. Archambault and L. Reekie, Phys. World, 1993, 10, 41.
* M. J. de Vries, V. Arya and R. O. Claus, Laser Focus World, 1996, 6, 114.
* J. G. Manni, Optics and Photonics News, 1996, 7, 23.
* D. Bornes, Diode Lasers, Photonics Spectra, 1995, 6, 88.
* P. Urquhart, Opto and Laser Europe, 1994, 9, 27.
* J. D. Minelly, Photonics Spectra, 1996, 6, 128.