Skrót LASER oznacza „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania), a pierwszy w historii laser skonstruował w 1960 roku Theodore H. Maiman, amerykański inżynier i fizyk, który za swój wynalazek otrzymał liczne nagrody. Jednak to Elias Snitzer w 1961 roku zaprezentował pierwszy fiber i fiber . Od tego czasu technologia fiber ewoluowała, obejmując różnorodne zastosowania w wielu dziedzinach, w tym w przemyśle, medycynie i telekomunikacji.
Po pierwsze, diody laserowe zasilane energią elektryczną przekształcają prąd w fotony. W ten sposób wytwarzają światło, które następnie jest wprowadzane do fiber.
Gdyby jednak nie było regulowane przez konkretny mechanizm, światło rozchodziło się we wszystkich kierunkach, a przecież wiemy, jak wąska i skupiona jest wiązka lasera. Dojdziemy do tego, ale najpierw musimy zrozumieć, w jaki sposób światło przemieszcza się w kablu fiber .
Rdzeń jest przewodnikiem, przez który przepływa światło. Jest wykonany ze szkła krzemionkowego i pokryty pierwiastkami ziem rzadkich (w tym przypadku iterbem) oraz charakteryzuje się wysokim współczynnikiem załamania światła.
Powłoka to warstwa otaczająca rdzeń o niskim współczynniku załamania światła.
Powłoka jest grubszą warstwą tworzywa sztucznego, która działa jak bufor, amortyzując wstrząsy i zapobiegając wyginaniu się rdzenia.
Kiedy myślisz o załamaniu światła, zazwyczaj wyobrażasz sobie światło wpadające z powietrza do szkła lub wody i zmieniające swój kąt. Dzieje się tak, ponieważ zarówno szkło, jak i woda są gęstsze od powietrza i mają wyższy współczynnik załamania światła, więc światło porusza się wolniej, przechodząc przez nie. Ta zmiana prędkości powoduje zmianę kąta. Kiedy światło opuszcza gęstsze medium i ponownie trafia do powietrza, nabiera prędkości, a kąt powraca do pierwotnego stopnia, jak widać na obrazku:
W jaki sposób zjawisko załamania światła wiąże się z naszym kablem fiber ? Nie chcemy, aby światło przechodziło przez powłokę i wychodziło pod innym kątem. Chcemy, aby pozostało wewnątrz rdzenia.
W tym miejscu musimy zagłębić się nieco w fizykę. Zgodnie z prawem załamania światła (prawem Snella) istnieje coś, co nazywa się „kątem krytycznym”. Kąt krytyczny to największy kąt padania, przy którym załamanie światła może nadal występować w danym ośrodku. Światło załamuje się więc tylko wtedy, gdy kąt padania (kąt, pod którym światło pada na powłokę) jest mniejszy od kąta krytycznego.
Jeśli kąt padania przekroczy kąt krytyczny, promień światła ulegnie takiemu załamaniu, że wystąpi zjawisko zwane „całkowitym wewnętrznym odbiciem”. Całkowite wewnętrzne odbicie oznacza, że światło odbija się z powrotem do pierwszego ośrodka (rdzenia), co jest dokładnie tym, czego potrzebujemy. Obraz 4 na poniższym schemacie przedstawia całkowite wewnętrzne odbicie:
Gdyby nie powłoka, światło rozchodziło się we wszystkich kierunkach i opuszczało rdzeń. Dzięki niskiemu współczynnikowi załamania światła powłoki, wysokiemu współczynnikowi załamania światła rdzenia oraz niewielkiej średnicy kabla światło pada na powłokę pod kątem większym niż kąt krytyczny i odbija się wielokrotnie, co powoduje, że przemieszcza się ono wzdłuż fiber.
Aby uzyskać tę niezwykle skupioną wiązkę, z której słyną lasery, potrzebna jest soczewka kolimacyjna. Kolimacja to proces wyrównywania światła tak, aby jego promienie były równoległe i charakteryzowały się minimalnym rozrzutem. W zależności od soczewki skolimowaną wiązkę można skalibrować do określonej średnicy i skupić w konkretnym punkcie. Ta niezwykle skupiona wiązka opuszcza następnie fiber wolną przestrzeń i uderza w blachę, tnąc ją z wyjątkową precyzją.
Każdy rodzaj fiber generuje wiązkę o jednej konkretnej długości fali, zależnej od pierwiastka domieszkowego rdzenia. Z tego powodu światło lasera widzialne jest monochromatyczne i może mieć barwę niebieską, zieloną lub czerwoną. Jednak fiber domieszkowane iterbem, takie jak te używane do cięcia metalu, generują fale o długości od 1000 do 1100 nanometrów, co czyni je bliską podczerwienią, a zatem niewidoczną dla ludzkiego oka. Tak więc podczas cięcia metalu fiber jedyne światło, które widzi oko, to iskry powstające w wyniku kontaktu lasera z metalem.
