Τεχνολογία Laser 1
H ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ LASER Η ονομασία του LASER προέρχεται από τα αρχικά των λέξεων Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (ενίσχυση φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας). Το έτος 1953 αναζητήθηκε στη Αμερική κάποια συσκευή (μέσο) για την ενίσχυση σημάτων, που συλλάμβαναν τα ραδιοτηλεσκόπια. Τα συνήθη ηλεκτρονικά συστήματα δεν έδιναν ικανοποιητικά αποτελέσματα. Γι αυτόν τον λόγο οι Φυσικοί στράφηκαν προς άλλη κατεύθυνση, επιχειρήσαντες να εκμεταλλευθούν την ιδιότητα του ατόμου, που μπορεί να απορροφήσει ενέργεια και να την αποδώσει στη συνέχεια με εκπομπή ακτινοβολίας. Τρεις από τους κύριους πρωτεργάτες της πραγματοποίησης αυτού του φαινομένου οι Ρώσοι N.Barlow και A.Prochrow και ο Αμερικανός C.Townes, οι οποίοι δημοσίευσαν τις πρώτες εργασίες τους το 1958 και 1963 και τιμήθηκαν από κοινού με το βραβείο Nobel Φυσικής. ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ LASER ΑΥΘΟΡΜΗΤΗ ΕΚΠΟΜΠΗ Θεωρώντας δύο ενεργειακά επίπεδα 1 και 2, κάποιου υλικού, που οι ενέργειές τους είναι Ε1 και Ε2 (Ε1<Ε2). Παίρνουμε το επίπεδο 1 σαν το βασικό επίπεδο. Υποθέτοντας πως ένα άτομο (ή μόριο) του υλικού είναι αρχικά στο επίπεδο 2. Επειδή Ε2>Ε1 το άτομο θα έχει την τάση να αποδιεγερθεί στο επίπεδο 1. Η αντίστοιχη ενεργειακή διαφορά (Ε2-Ε1) θα ελευθερωθεί από το άτομο. Όταν αυτή η ενέργεια αποδίδεται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικού κύματος, η διεργασία αυτή ονομάζεται αυθόρμητη (ή ακτινοβολητική) εκπομπή. Η συχνότητα ν του ακτινοβολούμενου κύματος δίνεται από την έκφραση, (που οφείλεται στον Planck) ν=( Ε2- Ε1)/h (1.1) όπου h είναι η σταθερά του Planck. Η αυθόρμητη εκπομπή λοιπόν χαρακτηρίζεται από την εκπομπή ενός φωτονίου ενέργειας hν= Ε2-Ε1, όταν το άτομο αποδιεγείρεται από το επίπεδο 2 στο επίπεδο 1. (σχήμα ) Η πιθανότητα αυθόρμητης εκπομπής μπορεί να χαρακτηριστεί με τον ακόλουθο τρόπο: ας υποθέσουμε πως στο χρόνο t, υπάρχουν Ν2 άτομα (ανά μονάδα όγκου) στο επίπεδο 2. Ο ρυθμός αποδιέγερσης αυτών των ατόμων που οφείλεται στην αυθόρμητη εκπομπή, δηλ. (dn2/dt)sp, θα είναι ανάλογος του Ν2. Έτσι μπορούμε να γράψουμε: 2
(1.2) dn2 dt = - AN2 sp Όπου, Α η πιθανότητα αυθόρμητης εκπομπής, τsp = 1/A χρόνος ζωής της αυθόρμητης εκπομπής. ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΕΚΠΟΜΠΗ Υποθέτοντας ότι το άτομο βρίσκεται αρχικά στο επίπεδο 2 και ότι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα συχνότητας ν που δίνεται από την εξίσωση (1.1), (δηλ. ίσης με εκείνη του αυθόρμητα εκπεμπόμενου κύματος) προσπίπτει στο υλικό. Αφού αυτό το κύμα έχει την ίδια συχνότητα με την ατομική συχνότητα, υπάρχει μία πεπερασμένη πιθανότητα ότι αυτό το κύμα θα εξαναγκάσει το άτομο να υποστεί τη 1 μετάπτωση2 Σ αυτήν την περίπτωση η ενεργειακή διαφορά Ε2-Ε1 αποδίδεται με η μορφή ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος που προστίθεται στο προσπίπτον. Αυτό είναι το φαινόμενο της εξαναγκασμένης εκπομπής. Υπάρχει μία βασική διάκριση μεταξύ της αυθόρμητης και της εξαναγκασμένης εκπομπής. Στην αυθόρμητη εκπομπή, το άτομο εκπέμπει ένα ηλεκτρομαγνητικό Κύμα που δεν έχει ορισμένη φασική σχέση με εκείνο που εκπέμπεται από άλλο άτομο. Επίσης το κύμα μπορεί να εκπεμφθεί σ οποιαδήποτε διεύθυνση. Στην περίπτωση όμως της εξαναγκασμένης εκπομπής, αφού η διεργασία επάγεται από το προσπίπτον ηλεκτρομαγνητικό κύμα, η εκπομπή κάθε ατόμου είναι σε φάση με το προσπίπτον κύμα. Αυτό είναι και το κύμα που καθορίζει την διεύθυνση που θα έχει το εκπεμπόμενο κύμα. Σ αυτήν την περίπτωση μπορούμε να χαρακτηρίσουμε τη διεργασία μέσω της εξίσωσης: (1.3) 3
dn2 dt = - W21N2 st 1 Όπου (dn2/dt)st είναι ο ρυθμός με τον οποίο συμβαίνουν οι μεταπτώσεις 2 σαν αποτέλεσμα εξαναγκασμένης εκπομπής και W21 ονομάζεται πιθανότητα εξαναγκασμένης μετάπτωσης. Ο συντελεστής W21 έχει τις διαστάσεις αντιστρόφου χρόνου, και εξαρτάται από την επιμέρους μετάπτωση καθώς και από την ένταση του προσπίπτοντος ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Για την ακρίβεια, για ένα επίπεδο ηλεκτρομαγνητικό κύμα, μπορούμε να γράψουμε: W21=σ21F Όπου F, η ροή των φωτονίων του προσπίπτοντος κύματος και σ21 ποσότητα που έχει διαστάσεις επιφάνειας και εξαρτάται μόνο από τα χαρακτηριστικά της δεδομένης μετάπτωσης. ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ Υποθέτοντας πως το άτομο είναι αρχικά στο επίπεδο 1. Εάν αυτό είναι το βασικό επίπεδο, το άτομο θα παραμείνει σ αυτό, εκτός αν κάποιο εξωτερικό ερέθισμα εφαρμοστεί πάνω του. Τότε, θα υποθέσουμε πως ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα συχνότητας ν που δίνεται πάλι από την (1.1) προσπίπτει στο υλικό. Σ αυτήν την περίπτωση υπάρχει μία πεπερασμένη πιθανότητα ότι το άτομο θα διεγερθεί στο επίπεδο 2. Η διαφορά ενέργειας Ε2-Ε1 που απαιτείται από το άτομο για να πραγματοποιήσει τη μετάπτωση παρέχεται από την ενέργεια του προσπίπτοντος ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Αυτά είναι η διεργασία απορρόφησης. Ο ρυθμός απορρόφησης ορίζεται μέσω της εξίσωσης: 4
dn1 dt = - W12N1 Όπου N1 είναι ο αριθμός των ατόμων (ανά μονάδα όγκου) που στη δεδομένη χρονική στιγμή βρίσκονται στο επίπεδο 1. Επίσης, όπως και πριν, μπορούμε να γράψουμε: W12=σ12F Όπου σ12 είναι κάποια χαρακτηριστική επιφάνεια που εξαρτάται μόνο από τη συγκεκριμένη μετάπτωση. 5
ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ Οι ενεργειακές στάθμες που μπορεί να κατέχει το ηλεκτρόνιο περιλαμβάνουν τη βασική κατάσταση (ground state ) ή στάθμη ελάχιστης ενέργειας για το ηλεκτρόνιο αυτό (στάθμη 1) και τις δύο ανώτερες στάθμες 2 και 3. Εάν το αέριο βρίσκεται σε κάποια θερμοκρασία Τ, υπάρχει μια απλή εκθετική συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας, η κατανομή Boltzmann που δίνεται από την P(ε) = exp [- (ε - εground)] /KY η οποία δίνει την πιθανότητα που υπάρχει να βρίσκεται το συγκεκριμένο ηλεκτρόνιο σε μια από τις τρεις επιτρεπόμενες στάθμες. Εάν ο αριθμός των ατόμων που έχουν το ηλεκτρόνιο στην κατάσταση υψηλότερης στάθμης είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό εκείνων που το έχουν στη χαμηλότερη κατάσταση, τότε έχει επιτευχθεί η λεγόμενη συνθήκη αναστροφής πληθυσμών. Όταν υπάρχει αναστροφή πληθυσμών, μπορούν να συμβούν δύο πράγματα στα ηλεκτρόνια που έχουν ανυψωθεί σε μια υψηλότερη στάθμη από την κανονική στάθμη ισορροπίας. Για να ανακτήσουν την κατανομή ισορροπίας, μπορούν είτε να επανέλθουν σε χαμηλότερες καταστάσεις αυθόρμητα, ή μπορούν να εξαναγκασθούν να το κάνουν αυτό από κάποια προσπίπτοντα φωτόνια με ακριβώς αυτή την ενέργεια που αντιστοιχεί στην πτώση σε μια χαμηλότερη επιτρεπόμενη κατάσταση. Η αυθόρμητη εκπομπή παράγει ασύμφωνο φως (incoherent light),φως που δεν έχει μια αναγνωρίσιμη ημιτονοειδή φύση,αφού αποτελείται από μια ροή φωτονίων που έχουν ανεξάρτητη φάση και πόλωση μεταξύ τους. Από την άλλη, η εξαναγκασμένη εκπομπή ενός laser παράγει σύμφωνο φως (coherent light ) είτε σε μια συχνότητα, είτε σε διαφορετικές συχνότητες ταυτόχρονα. 6
ΤΥΠΟΙ LASER Υπάρχουν διάφοροι τύποι Laser παρακάτω αναλύονται 2 από αυτούς. LASER ΑΕΡΙΩΝ (Gas Lasers) Η διέγερση αυτού του είδους των laser γίνεται συνήθως με ηλεκτρικά μέσα, δηλαδή η άντληση επιτυγχάνεται περνώντας ένα αρκετά μεγάλο ρεύμα (dc ή παλμικό) δια μέσου του αερίου. Και πιο συγκεκριμένα, ρεύμα κατάλληλης τιμής περνάει μέσα από το αέριο, μ αυτόν τον τρόπο παράγονται ιόντα και ελευθέρα ηλεκτρόνια που καθώς επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο κερδίζουν περισσότερη κινητική ενέργεια κι έτσι μπορούν να διεγείρουν με κρούση ουδέτερα άτομα. Υπάρχουν όμως και μερικά laser αερίων τα οποία μπορούν να αντληθούν και με άλλους τρόπους, όπως, με εκτόνωση δυναμικής αερίου, χημική αντληση, και οπτικλη άντληση μέσω ενός άλλου laser. Laser He-Ne (Ηλίου-Νέου) Σ αυτό το είδος των laser χρησιμοποιούνται κυρίως τα laser He-Ne έχοντας συνήθως την παρακάτω διάταξη διέγερσης (κβαντικής άντλησης): Η γεωμετρία του σωλήνα εκκένωσης είναι τέτοια, ώστε η εκκένωση να πραγματοποιείται στο εσωτερικό του (διάμετρος 1mm). Όταν ο σωλήνας δεν έχει ανάψει ακόμη, η τάση που εφαρμόζεται είναι περίπου 7/kV. Όταν ανάψει, λόγω της αντίστασης R1 έχει μεγάλη τιμή, κύρια πηγή τροφοδοσίας είναι η πηγή των 2 kv. Το ενεργό υλικό αυτών των laser είναι μίγμα αερίων He και Ne σε αναλογία περίπου 10:1 και σε πίεση της τάξης 10 Torr. ~ = 7
H ακτινοβολία που βγαίνει είναι 6330 A (ανοιχτό κόκκινο) και οφείλεται σε αποδιέγερση στάθμης του Ne. Η κβαντική άντληση, που εφαρμόζεται είναι ηλεκτρική, γιατί γίνεται με ηλεκτρική εκκένωση μέσα στο μίγμα των αερίων He-Ne. Στην ηλεκτρική εκκένωση αυτή διεγείρονται τα άτομα He, που μεταβιβάζουν ένα μέρος της ενέργειας τους στα άτομα Ne και έτσι διεγείρονται και δημιουργείται για το Ne η απαιτούμενη αναστροφή πληθυσμών. Οι ισχείς, που πετυχαίνονται είναι από 1mW μέχρι τα 100W, ανάλογα με το μήκος του σωλήνα και την ισχύ της ηλεκτρικής εκκένωσης. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα του laser He-Ne οφείλονται στην σταθερότητα της εξερχόμενης δέσμης και στη φασματική καθαρότητά της. Εξαιτίας αυτών των ιδιοτήτων τα laser He-Ne είναι κατάλληλα για διατάξεις ολογραφίας, ευθυγραμμίσεις και μικρομετρικές μετρήσεις. Άλλος χαρακτηριστικός εκπρόσωπος των laser αερίου με πολλές εφαρμογές στις τηλεπικοινωνίες είναι τα laser CO2 με μήκος κύματος 10,5 μm. LASER ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ (Semiconductor Lasers) Σε αντίθεση με τα laser αερίων όπου αναφερόμαστε σε διακριτές ενεργειακές στάθμες στα laser ημιαγωγών αναφερόμαστε σε ενεργειακές ζώνες. Για ένα εξιδανικευμένο ημιαγωγό το φάσμα των ενεργειακών επιπέδων αποτελείται από πολύ ευρείες ζώνες, τη ζώνη σθένους και τη ζώνη αγωγιμότητας, οι οποίες διαχωρίζονται από μια περιοχή απαγορευμένων ενεργειών τη ζώνη χάσματος (Eg). Πρακτικά κάθε ζώνη αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό πολύ κοντά τοποθετημένων ενεργειακών καταστάσεων και σύμφωνα με την απαγορευτική αρχή του Pauli, μπορεί να βρίσκονται μόνο δυο ηλεκτρόνια (με αντίθετη τροχιά) σε κάθε ενεργειακή κατάσταση. Συνεπώς, η πιθανότητα κατάληψης f(e) δεδομένης κατάστασης ενέργειας Ε δίνεται από τη στατιστική Fermi-Dirac παρά από τη στατιστική MaxwellBoltzmann. Έτσι: f (E) = {1+ exp [ (E - F) / kt ]}-1 όπου F η ενέργεια του αποκαλούμενου επιπέδου Fermi. Αυτό το επίπεδο έχει την ακόλουθη φυσική σημασία όταν Τ 0 έχουμε: f=1 f=0 (για Ε<F) (για Ε>F) έτσι ώστε αυτό το επίπεδο παριστά το σύνορο μεταξύ των πλήρως κατειλημμένων και των τελείως κενών επιπέδων σε Τ=00 Κ. Για μη εκφυλισμένους ημιαγωγούς το επίπεδο Fermi βρίσκεται μέσα στη ζώνη χάσματος. 8
Οπότε για Τ=00 Κ η ζώνη σθένους θα είναι πλήρως κατειλημμένη και η ζώνη αγωγιμότητας τελείως κενή. Ως εκ τούτου ο ημιαγωγός δεν θα άγει υπό αυτές τις συνθήκες και συνεπώς είναι ένας μονωτής. Αρχές λειτουργίας ενός laser ημιαγωγού Υποθέτουμε ότι ο ημιαγωγός είναι σε Τ=00 Κ στην οποία η γραμμοσκιασμένη περιοχή αντιστοιχεί σε εντελώς πλήρεις ενεργειακές καταστάσεις (θερμική ισορροπία) (σχήμα α). Έπειτα υποθέτουμε ότι τα ηλεκτρόνια διεγείρονται κατά κάποιο τρόπο (μετά από εντατική οπτική ή ηλεκτρική άντληση) από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Μετά από πολύ βραχύ χρόνο (~10-13 s) τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας θα έχουν πέσει στα χαμηλότατα επίπεδα μέσα στη ζώνη καθώς και τα ηλεκτρόνια κοντά στην κορυφή της ζώνης σθένους θα έχουν πέσει στα χαμηλότατα μη κατειλημμένα επίπεδα, αφήνοντας έτσι την κορυφή της ζώνης σθένους γεμάτη «οπές». Από αυτό συμπεραίνουμε ότι υπάρχει αναστροφή πληθυσμών μεταξύ των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας (σχήμα β). Τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας πέφτουν στη ζώνη σθένους (δηλ. επανασυνδέονται με τις οπές) εκπέμποντας στη διαδικασία ένα φωτόνιο (ακτινοβολία επανασύνδεσης). Δεδομένης μιας αναστροφής πληθυσμών μεταξύ των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας όπως φαίνεται στο σχήμα β, η διεργασία της εξαναγκασμένης εκπομπής της ακτινοβολίας επανασύνδεσης θα παράγει ταλάντωση laser όταν ο ημιαγωγός τοποθετηθεί σ ένα κατάλληλο αντηχείο. Επίσης από το σχήμα β φαίνεται ότι η συχνότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας πρέπει να ικανοποιεί τη συνθήκη: Eg <hv < FS - FA η οποία δημιουργεί το εύρος γραμμής απολαβής του ημιαγωγού. 9
Χαρακτηριστικά των lasers ημιαγωγών Οι διεργασίες άντλησης σ αυτού του είδους το laser συνήθως επιτυγχάνονται προπαρασκευάζοντας τον ημιαγωγό υπό τη μορφή μιας διοδικής επαφής p-n με υψηλά εκφυλισμένες p-τύπου και n-τύπου περιοχές, δηλαδή πολύ εμπλουτισμένες. Τα laser ημιαγωγών καλύπτουν μια ευρεία περιοχή μηκών κύματος από περίπου 0.7 έως ~30 μm. Έχουν επιτευχθεί συνεχείς ισχείς εξόδου μέχρι μερικά Mw (5-10 mw) σε θερμοκρασία δωματίου με ολική αποδοτικότητα κλίσης περίπου 10%. Η εσωτερική κβαντική αποδοτικότητα (κλάσμα εγχυμένων φορέων οι οποίοι επανασυνδέονται ακτινοβολητικά) είναι ακόμη υψηλότερη (~70%). Επομένως, τα lasers ημιαγωγών είναι μεταξύ των πιο αποδοτικών lasers. Από τα πιο ελκυστικά lasers αυτού του είδους είναι τα lasers αρσενικού γαλλίου (GaAs) για τη χρήση ως πηγές οπτικών τηλεπικοινωνιακών συνδέσεων που χρησιμοποιούν οπτικές ίνες σαν μέσο μεταφοράς. Επίσης σημαντικά είναι και τα lasers αλάτων μολύβδου, τα οποία όλα ταλαντώνονται στο μέσο ως μακρό υπέρυθρο. Τυπικές εφαρμογές αυτών των lasers βρίσκονται στο πεδίο της υπέρυθρης φασματοσκοπίας, και ειδικότερα στη φασματοσκοπία υψηλής διακριτικότητας. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Τ Ω Ν L A S E R ΣΤΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Επεξεργασία και καταγραφή πληροφοριών μέσω laser 10
Οι εφαρμογές των lasers στην ανάγνωση και τη γραφή πληροφοριών (σε κωδικοποιημένη ή αναλογική μορφή) αφορούν την περιοχή της υψηλής τεχνολογίας, όπως οπτικές μνήμες για υπολογιστές, καθώς και τον τομέα της κατανάλωσης όπως σαρωτές πωλήσεων σε ταμεία και δίσκοι βίντεο. Οι σαρωτές πωλήσεων για ταμεία διαβάζουν κωδικοποιημένες πληροφορίες που αναγράφονται στα προϊόντα που πωλούνται στα καταστήματα. Οι χαρακτήρες που προσδιορίζουν την ταυτότητα του προϊόντος είναι συνήθως γραμμένοι σε κωδικό 10 ψηφίων με τη μορφή κάθετων γραμμών διαφορετικού πάχους και απόστασης μεταξύ τους. Μια άλλη εφαρμογή των laser στην κατανάλωση είναι και συγκεκριμένα στην παραγωγή προϊόντων κατανάλωσης, τους δίσκους βίντεο (και μουσικής)(cd/dvd). Σ ένα δίσκο βίντεο γράφεται ένα πρόγραμμα βίντεο που μπορεί έπειτα να προβληθεί. Οι οπτικοί δίσκοι έχουν γραφεί, από τον κατασκευαστή, με χρήση ειδικού οργάνου και μετά διαβάζονται από ένα laser. Ένας συνήθης τρόπος γραφής περιλαμβάνει χάραξη (κατά μήκους τροχιών ή σπειροειδούς τροχιάς) γραμμών διαφορετικού μήκους και απόστασης μεταξύ τους. Οι γραμμές έχουν βάθος λ/4, όπου λ είναι το μήκος κύματος του laser που χρησιμοποιείται για την ανάγνωση. Μια άλλη εφαρμογή των lasers στην γραφή και την ανάγνωση κωδικοποιημένων πληροφοριών είναι οι οπτικές μνήμες των υπολογιστών. Το ενδιαφέρον σ αυτές τις μνήμες βασίζεται στην υψηλή πυκνότητα των πληροφοριών που είναι δυνατόν να επιτευχθεί. Έχουν αναπτυχθεί επίσης οπτικές μνήμες που βασίζονται στην τεχνική της ολογραφίας (ολογραφικές μνήμες). Εφαρμογές των lasers στις τηλεπικοινωνίες 11
Τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα της χρήσης δέσμης στις τηλεπικοινωνίες μέσω της ατμόσφαιρας διακρίνονται σε δύο: 1) Το πρώτο προκύπτει από την ύπαρξη ταλαντώσεων μεγάλου εύρους ζώνης, καθώς η ποσότητα πληροφοριών που μπορεί να μεταδοθεί μ ένα δεδομένο κυματικό φορέα είναι ανάλογη προς το εύρος ζώνης του. 2) Το δεύτερο προκύπτει από το μικρό μήκος κύματος της ακτινοβολίας Η χρήση των laser στις τηλεπικοινωνίες όπου δεν χρησιμοποιείται κυματοδηγός, έχει αναπτυχθεί για δύο περιπτώσεις: 1) Διαστημικές τηλεπικοινωνίες μεταξύ δύο δορυφόρων ή μεταξύ δορυφόρου και επίγειου σταθμού που είναι τοποθετημένος σε περιοχή με ιδιαίτερα ευνοϊκές κλιματολογικές συνθήκες 2)Επικοινωνίες μεταξύ σημείων με οπτική επαφή, για μικρές αποστάσεις, π.χ. μεταφορά δεδομένων σ ένα κτίριο. Στην περίπτωση αυτή προτιμώνται τα laser ημιαγωγών. Η κύρια περιοχή ενδιαφέροντος στις οπτικές τηλεπικοινωνίες είναι αυτή που βασίζεται στη μετάδοση μέσα από οπτικές ίνες. Ένα κλασσικό σύστημα διάδοσης με οπτικές ίνες αποτελείται από μια φωτεινή πηγή, ένα κατάλληλο οπτικό ζεύκτη για την εισαγωγή του φωτός στην οπτική ίνα και στο τέλος ένα δέκτη (φωτοδίοδος, laser LED) συζευγμένο με την ίνα. Κατά μήκος της γραμμής μεταφοράς, τοποθετούνται επαναλήπτες, σε απόσταση μεταξύ τους που μπορεί να ποικίλει από 2 έως 50 km. Οι επαναλήπτες αποτελούνται από ένα δέκτη κι από ένα πομπό. Η φωτεινή πηγή είναι συνήθως ένα laser ημιαγωγού διπλής ετεροδομής. Με τη χρήση μιας ή δύο ινών υάλου μπορούμε να μεταφέρουμε ταυτόχρονα μερικές χιλιάδες τηλεφωνήματα, εκπομπές μερικών δωδεκάδων διαφορετικών τηλεοπτικών καναλιών και μεγάλο αριθμό δεδομένων υπολογιστών. Οι οπτικές ίνες κατασκευάζονται από πολύ καθαρό γυαλί και γι αυτό λέγονται και ίνες υάλου. Το θεωρητικό εύρος ζώνης μιας οπτικής ίνας είναι 50 περίπου Τ TΗz (50 εκατομμύρια MHz). Σήμερα διάφορα τοπικά δίκτυα υπολογιστών (Local Area Networks, LANs) συνδέονται μεταξύ τους μέσω ινών υάλου. Ειδικά αυτό ισχύει σε πανεπιστημιουπόλεις. Ένα άλλο πλεονέκτημα των οπτικών ινών είναι οι μικρές διαστάσεις τους και το μικρό βάρος τους. Αναμφισβήτητα οι οπτικές ίνες υπερτερούν έναντι των παραδοσιακών χάλκινων καλωδίων. Η μείωση αυτή του βάρους είναι πολύ ευεργετική προκειμένου για στρατιωτικές εφαρμογές καθώς και για την αεροπορία. Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα των τηλεπικοινωνιών με οπτικές ίνες είναι η παντελής έλλειψη παρασίτων που προέρχονται από κεραυνούς και βιομηχανικούς θορύβους, λ.χ. ηλεκτροσυγκολλήσεις. Η πιστότητα μετάδοσης δεδομένων μέσω ινών υάλου, είναι 100 περίπου φορές καλύτερη από αυτή των χάλκινων καλωδίων. Όσον 12
αφορά τις ψηφιακές τηλεπικοινωνίες μέσω ινών υάλου το σύνηθες είναι 1 εσφαλμένο bit στα 100 εκατομμύρια bits. Επίσης, σημαντικό πλεονέκτημα είναι και η ασφάλεια των οπτικών ινών όσον αφορά τις υποκλοπές από ωτακουστές ή κατασκόπους. Μια τοποθέτηση «κοριού» στις οπτικές ίνες είναι πάρα πολύ δύσκολη να επιτευχθεί μιας και η πληροφορία που μεταφέρεται μέσα στην ίνα υάλου αποτελείται από φωτόνια, ενώ στα χάλκινα ή άλλα μεταλλικά σύρματα αποτελείται από ηλεκτρόνια. Ένα σύστημα τηλεπικοινωνίας με οπτικές ίνες αποτελείται από τις ακόλουθες συνιστώσες : Από ένα έναν πομποκωδικοποιητή που μετατρέπει (κωδικοποιεί) τα ηλεκτρικά σήματα σε οπτικά από μία ίνα υάλου που μεταφέρει οπτικά σήματα, και τον δέκτη ο οποίος δέχεται και μετατρέπει (αποκωδικοποιεί) τα οπτικά σήματα σε ηλεκτρικά. Βασικό στοιχείο του πομπού είναι η πηγή φωτός, συνήθως δίοδος laser (LEDs) ή δίοδος φωτοεκπομπής (LED). Οι δυνατότητες των διόδων laser είναι μεγαλύτερες από αυτές των LED, αλλά έχουν μεγαλύτερο κόστος, επειδή χρειάζονται πιο σύνθετα κυκλώματα και χαλούν εύκολα. Γενικά χρησιμοποιούνται δίοδοι laser για μετάδοση πληροφορίας σε πολύ μεγάλες αποστάσεις και LED για μικρές αποστάσεις. Συνήθως το μήκος κύματος που εκπέμπουν οι LEDs είναι 1.31 μm (1310nm), που βρίσκονται στο υπέρυθρο μέρος του φάσματος. Το φως με μικρότερο ή μεγαλύτερο μήκος κύματος απορροφάται από το φως. Οι δίοδοι laser (και LED) που χρησιμοποιούμε στις οπτικές ίνες είναι μικροσκοπικές και έχουν το μέγεθος βελόνας. Αυτό είναι απαραίτητο, γιατί πρέπει να φωτίσουν ίνες πολύ μικρής διατομής. Για να γίνει η «ζεύξη» σωστά, χρησιμοποιούνται και μικροί φακοί. Για να μεταφέρουμε όμως πληροφορία είναι αναγκαίο να «διαμορφώσουμε» το οπτικό σήμα. Εάν διαμορφώσουμε την ένταση του φωτός που εκπέμπει η δίοδος laser, τότε έχουμε διαμόρφωση πλάτους ή αναλογική διαμόρφωση. Εάν όμως αναβοσβήνουμε πάρα πολύ γρήγορα την δίοδο laser, τότε έχουμε ψηφιακή διαμόρφωση. Η μηχανική αντοχή των ινών υάλου καθορίζεται από το μηχανικό-προστατευτικό τους κάλυμμα. Έτσι, μπορούμε να τις στρέψουμε και να τις κάμψουμε όπως και τα συνήθη σύρματα. Η κοπή και η επανασύνδεση όμως των ινών υάλου γίνεται πολύ δύσκολα, διότι απαιτούν ειδικούς ακροδέκτες. Επίσης, επειδή οι ίνες υάλου έχουν πολύ μικρή διάμετρο, η διαδικασία επανασύνδεσης είναι παρά πολύ κοπιώδης. Στις συνδέσεις (ματίσματα) των οπτικών ινών έχουμε σκέδαση, οπότε μέρος του φωτός διαφεύγει από την ίνα και χάνεται στον περιβάλλοντα χώρο. Η μείωση της έντασης του φωτός μέσα σε μια ίνα υάλου μετριέται σε ντεσιμπέλ ανά χιλιόμετρο (db/km). Για να ξεπεραστεί το πρόβλημα της συνεχούς μείωσης του σήματος που μεταφέρουν οι ίνες υάλου χρησιμοποιούνται ανά τακτικά διαστήματα αναμεταδότες. Ο αναμεταδότης είναι συνδυασμό ηλεκτροοπτικού δέκτη και ηλεκτροοπτικού πομπού. Ο δέκτης αποκωδικοποιεί το σήμα και υποχρεώνει τον πομπό να μεταδώσει το ίδιο σήμα αλλά με μεγαλύτερη ένταση και καθαρότητα. Σήμερα τοποθετούνται αναμεταδότες κάθε 30km. Στα νέα όμως συστήματα θα τοποθετούνται κάθε 200 ή και περισσότερα χιλιόμετρα. Οι σημερινοί αναμεταδότες μετατρέπουν τα οπτικά σήματα σε ηλεκτρικά και κατόπιν εκ νέου σε οπτικά. 13
Βιβλιογραφία Πράσινος δείκτης παρουσίασης, green pointer 1)ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ LASERS O. Svelto Εκδόσεις Συμμετρία, (Μετάφραση και επιμέλεια Γ.Α.Κουρούκλης-Α.Α. Σεραφετινίδης) 2)ΕΙΔΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΑ ΦΥΣΙΚΗΣ εκδόσεις «ΙΩΝ», Δημήτρης Κ. Νίκος, Νίκος Γ. Πατάγιας 3)ΕΙΔΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΑ ΦΥΣΙΚΗΣ εκδόσεις Ζήτη, Θ.Καρακώστας, Φ.Κομνηνού 4)ΤΗΕ ΝΕW PHYSICS Cambridge University Press, edited by Paul Davies 5)PHYSICS FOR SCIENTISTS & ENGINEERS Τόμος 3 (θερμοδυναμική-κυματικήοπτική) 6) PHYSICS FOR SCIENTISTS & ENGINEERS Fishbane, Gasiorowicz, Thorton Πηγές από το Διαδίκτυο (internet) www.howstuffworks.com www.laserglow.gr www.highoptics.com www.shawohwa.com www.nasa.com 14