Юный техник, 2001 № 03
Шрифт:
Противоречие удалось разрешить при помощи градиентной оптики. Десятки линз или сотни оптических волокон могут заменить всего два стержня с радиальным распределением показателя преломления (рис. 1).
Первый стержень выполняет функции объектива. Он строит изображение объекта на своем торце. Но поскольку оно получается перевернутым, нужен второй, оборачивающий изображение.
На рисунке 2 изображен градиентный эндоскоп отечественного производства марки Ци-ВС-01 диаметром всего 1,9
Рис. 2
Отметим, что эндоскоп жесткий, но для большинства случаев его применения это не помеха. На первый план выходят достоинства: высокое качество изображения и очень малый диаметр.
Завершая медицинскую тему, скажем несколько слов об очках. На смену тяжелым очкам с толстыми стеклами, ограничивающим поле зрение, да и не слишком красивым, пришли контактные линзы. Они незаметны и обеспечивают хорошее поле зрения. Но такие линзы должны быть легкими, иначе их нельзя долго держать на глазах. Градиентная оптика выручает и здесь. Если обычная контактная линза +10 диоптрий весит 27 мг, то выточенная из материала с перепадом показателя преломления 0,05 весит 18,5 мг и в два раза тоньше, да еще дает более высокое качество изображения.
Теперь о технике. Без ксероксов и другой копировально-множительной техники наша жизнь уже немыслима. Во многих таких аппаратах узкая полоска оригинала проецируется на светочувствительный барабан. На первых множительных аппаратах задача решалась при помощи обычной оптики, и в результате получался аппарат размером с письменный стол.
А вот как компактно и просто делает это оптика градиентная (рис. 3).
Рис. 3
Если на переднем торце градиентного стержня с радиальным распределением показателя преломления, имеющего длину, равную периоду траектории луча в нем, находится предмет, то его изображение находится на заднем торце. Это изображение прямое и в натуральную величину. Для передачи изображения стержни надо выстроить в одну-две линии. Но есть тонкости. Стержни не могут касаться оригинала и тем более нестойкого к царапинам и износу светочувствительного барабана, который зачастую бывает покрыт слоем полированного селена.
Поэтому стержни делают несколько короче периода траектории луча. Поле зрения стержня при этом расширяется, а увеличение остается прежним, равным единице. Вышедшие из стержня лучи снова сходятся в плоскости изображения (рис. 4).
Рис. 4
Блок градиентных стержней используется и в лазерном принтере. Он обеспечивает фокусировку излучения линейки миниатюрных полупроводниковых лазеров (рис. 5) на поверхность светочувствительного барабана.
Рис. 5
Важно отметить, что если бы здесь передача излучения
Напомним, что градиентный стержень не обязательно должен быть коротким. Есть градиентные стержни длиною в сотни и тысячи метров, только они называются оптическими волокнами. В них распределение показателя преломления происходит так, что траектория луча проходит относительно далеко от поверхности волокна. Благодаря этому он и не уходит вовне через всегда существующие на поверхности волокна шероховатости. (Оптические волокна первых поколений были основаны на полном внутреннем отражении луча от поверхности. Поэтому получались огромные потери света через поверхностные дефекты и дальность передачи сигнала по таким волокнам не превышала нескольких метров.)
Сегодня по градиентным оптическим волокнам сигналы передаются на десятки тысяч километров. Такие линии связи надежно защищены от помех и подслушивания и, как полагают специалисты, способны значительно потеснить спутниковую связь. Однако при создании волоконно-оптических систем связи возникают специфические проблемы соединения линий между собой. Вот одна из них, казалось бы, очень простая — передать сигнал из одного волокна в другое. Для обычной электрической линии дело решается при помощи паяльника.
Здесь такое невозможно. Свет из оптического волокна, обычно имеющего диметр 0,02 — 0,05 мм, выходит расходящимся пучком с углом 10–20 градусов. Поэтому при передаче его непосредственно в другое волокно потери энергии будут огромны. На помощь приходят те же градиентные стержни.
На рисунке 6 изображена схема разъемного соединителя оптических волокон.
Волокна приклеиваются к торцам двух одинаковых градиентных стержней. Пучок света, пройдя через первый стержень, становится параллельным. Войдя в торец второго, он на противоположном его конце соберется в точку и почти без потерь попадет в следующую оптическую линию. Между торцами стержней можно иметь большой воздушный промежуток. А при необходимости ослабить сигнал можно установить светофильтр. Такое устройство называется аттенюатором.
Иногда по нескольким оптическим линиям передают сигналы с разной длиной волны. Настроиться и поймать нужную волну, как это делает радиоприемник, в оптическом диапазоне не просто. Когда-то для этого пытались делать приемники, содержавшие гетеродины, фильтры, смесители и прочие элементы, аналогичные тем, что применяются в радиодиапазоне.
Получалось громоздко и сложно. А вот как изящно и просто эта задача решается градиентной оптикой. На рисунке 7 — схема демультиплексора, предназначенного для разделения единого потока излучения с разными длинами волн на два отдельных потока.
Рис. 7
Волокно со смешанным потоком и приемные волокна приклеены к градиентной стержневой линзе. Смешанный поток проходит через линзу, лучи становятся почти параллельными и попадают на отражательную дифракционную решетку (зеркало, покрытое множеством штрихов — до нескольких тысяч на 1 мм). От нее лучи разных длин волн отражаются под разными углами. Пройдя через стержневую линзу, каждый из них сходится в свою точку и попадает в соответствующий оптический канал. Просто, не правда ли?