Światłowody to konstrukcje optyczne przenoszące falę elektromagnetyczną drogą wielokrotnych
odbić. Zbudowane są one z:
 rdzenia o wysokim współczynniku załamania światła,
 płaszcza o niskim współczynniku załamania światła.
Zastosowanie materiałów o różnych współczynnikach załamania światła dla rdzenia oraz płaszcza
umożliwia utrzymanie wiązki świetlnej wewnątrz światłowodu.
Rozkład współczynnika załamania światła w rdzeniu (i płaszczu) decyduje o właściwościach
światłowodu. Wymagania stawiane światłowodom są tak różne, że nie jest możliwe wytwarzanie
ich tylko jednÄ…, uniwersalnÄ… metodÄ….
Światłowód składa się z 3 części:
" Rdzenia  zbudowany jest najczęściej ze szkła kwarcowego, rzadziej z innych rodzajów
materiałów, jak np. szafir, polimer.
" Płaszcza  najczęściej są to plastiki, lecz niekiedy także stosuje się szkła z odpowiednimi
domieszkami.
" Pokrycia  jego zadaniem jest chronienie płaszcza i rdzenia przed mikropęknięciami.
Wykonane jest z elastycznych materiałów, jak np. akryl. W procesie technologicznym
najczęściej składa się z dwóch lub więcej warstw.
Zasada działania światłowodu
Podstawą działania światłowodu jest zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła (bez
strat) na styku ośrodków rdzenia i płaszcza.
Aby promień pozostał w rdzeniu i podlegał całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na granicy rdzenia
i płaszcza, kąt jego padania względem osi światłowodu nie powinien przekroczyć wartości
krytycznej - wartość ta nosi nazwę kąta akceptacji światłowodu.
W płaszczu współczynnik załamania światła jest mniejszy niż w rdzeniu, wiąże się to też ze
współczynnikiem odbicia.
Światło używane do transmisji jest monochromatyczne i pochodzi od nadajnika, którym może być
dioda laserowa (LD) lub dioda elektroluminescencyjna (LED; najczęściej superluminescencyjna).
Wytwarzanie światłowodów
Wytwarzanie światłowodów polega na wyciąganiu włókna światłowodowego ze specjalnie
przygotowanej preformy. Służą do tego urządzenia zwane wyciągarkami. Może je też otrzymywać
za pomocÄ… procesu chemicznego osadzania z fazy gazowej.
Światłowody są używane:
 w celach medycznych, np. w technice endoskopowej,
 w zastosowaniach dekoracyjnych,
 w telekomunikacji, telewizji kablowej, technice laserowej,
 jako elementy urządzeń optoelektronicznych i jako składniki optycznych układów
zintegrowanych.
Do transmisji danych, zamiast prÄ…du elektrycznego, wykorzystywana jest modulowana fala
świetlna, której z
ródłem może być laser półprzewodnikowy lub dioda elektroluminescencyjna
(LED).
Dioda światłowód wzmacniacz detektor
Klasyfikacja światłowodów:
1. geometria (planarne, paskowe lub włókniste),
2. struktura modowa (jednomodowe lub wielomodowe),
3. rozkład współczynnika załamania (skokowe i gradientowe),
4. rodzaj stosowanego materiału (szklane, plastikowe lub półprzewodnikowe).
Wady światłowodów:
1. tłumienie sygnału optycznego - spowodowane jest przez straty mocy optycznej wynikające
z niedoskonałości falowodu. W rzeczywistym światłowodzie występuje:
- absorpcja (pochłanianie energii przez materiał światłowodu),
- rozpraszanie energii spowodowane przez fluktuacje gęstości i współczynnika załamania
szkła (tzw. rozpraszanie Rayleigha).
W czasie instalacji i użytkowania światłowodów mogą pojawić się dodatkowe składniki tłumienia
takie jak zgięcia lub mikropęknięcia.
Najmniejsza tÅ‚umienność sygnaÅ‚u to tzw. okna telekomunikacyjne (przy 1,3 i 1,5 µm).
Światłowody nie funkcjonują w zakresie widzialnym, bo tam występują największe straty.
I okno  1µm Yb3+, Nd3+
II okno  1,3 µm np. jony Pr3+, Dy3+
III okno  1,5 µm, ma najwiÄ™ksze zastosowanie (np. jony erbu, promieniowanie podczerwone)
IV, V okno  1,7 i 1,8 µm, Ho3+, Tm3+
2. Straty powstałe na skutek zabrudzeń  np. obecność metali lub grup -OH.
Luminescencja
" Cząsteczki substancji poddane działaniu czynnika zewnętrznego, również absorbują różnego
rodzaju energie z otoczenia (za wyjÄ…tkiem energii cieplnej) i ulegajÄ… wzbudzeniu.
Powracającemu ze stanu wzbudzonego do podstawowego elektronowi towarzyszy wówczas
emisja światła o energii niższej od energii wzbudzenia. Tego typu świecenie substancji
określa się mianem luminescencji.
" Przejścia promieniste (radiacyjne) występują, gdy na skutek przemieszczenia elektronu
emitowane są fotony oraz przerwa energetyczna między dwoma poziomami jest znacząca.
" Przejścia niepromieniste (nieradiacyjne) wiążą z emisją fononów, a nie fotonów. Gdy
przerwa energetyczna pomiędzy poszczególnymi poziomami jest mała, to wówczas energia
wydzielana podczas przejścia elektronu z poziomu wzbudzonego na poziom niższy jest
przekazywana w sposób niepromienisty, w postaci drgań cieplnych matrycy, czyli fononów.
Prawdopodobieństwo przejścia niepromienistego elektronu w przypadku małej różnicy
energii między poziomami jest bardzo duże, ponieważ pokrycie takiej przerwy
energetycznej wymaga emisji małej ilości fononów. Występowanie znaczącej różnicy
energetycznej między poziomami powoduje, że ilość fononów potrzebna na pokrycie
przejścia byłaby za duża, dlatego niepromieniste przekazywanie energii jest mało
prawdopodobne. W związku z czym, gdy w matrycy występuje wiele drgań to ilość przejść
niepromienistych jest duża, natomiast gdy ilość drgań matrycy jest mała to przeważają
przejścia promieniste.
" Właściwości luminescencyjne jonów lantanowców zależą od specyfiki przejść
energetycznych, stężenia aktywatora, składu chemicznego i rodzaju drgań występujących w
matrycy oraz sposobu przygotowania produktu końcowego, czyli poddania go obróbce
termicznej.
" Oprócz tego w matrycy może zachodzić proces bezpromienistego transferu energii, który
również przyczynia się do zmian luminescencji. Gdy stężenie jonu w matrycy jest małe, to
wówczas to nie ma możliwości przekazywania energii wzbudzenia pomiędzy jonami i to
drgania wpływają na to, czy w matrycy będą występowały promieniste lub niepromieniste
przejścia elektronowe. Duża ilość drgań przyczynia się do wystąpienia bezpromienistego
transferu energii i tym samym do zwiększenia ilości przejść nieradiacyjnych. Mała ilość
drgań powoduje, że zachodzą promieniste przejścia elektronów.
Lasery oparte na pierwiastkach metali przejściowych:
Laser rubinowy:
W laserze rubinowym, jako ośrodka czynnego użyto ciało stałe krystaliczne - rubin. Rubin jest to
kryształ tlenku glinu (AL O ), w którym niektóre atomy glinu są zastąpione atomami chromu Cr3+.
2 3
Atomy chromu nadają rubinowi charakterystyczną czerwoną lub różową barwę, ponieważ
absorbują one żółto-zieloną część widma. Rolę aktywną w laserze rubinowym spełniają tylko jony
chromu. Kryształ rubinu ma postać cylindrycznego pręta. Powierzchnie czołowe pręta są bardzo
dokładnie oszlifowane tak, aby wykazywały jak największą gładkość i przepuszczały światło do
luster. Tak przygotowany kryształ umieszczony jest w lampie błyskowej (wyładowczej), która
wypełniona jest ksenonem. Lampie tej nadaje się kształt sprężyny.
Przejścia elektronowe w laserze rubinowym:
 Przeprowadzenie atomów ze stanu podstawowego E do stanu metatrwałego E lub 2A
0
nazywamy pompowaniem. Laser rubinowy jest pompowany lampą błyskową stąd zjawisko
to nazywamy pompowaniem optycznym.
 Widzialne światło o długości fali 400 nm lub 550 nm przenosi jony chromu (Cr+3) do stanów
wzbudzonych E lub E , gdzie omawiane jony żyją krótko ok. 100 ns. Elektrony wracają,
1 2
więc do stanów niższych.
 Czas życia w temperaturach pokojowych jonów Cr+3 wynosi 3 ms, które w wyniku przejść
bezpromienistych przechodzą do jednego z dwóch stanów metastabilnych: E lub 2A.
 Dla przejścia E E akcja laserowa wytwarza światło widzialne czerwone o długości fali
0
694,3 nm. Pompowanie rozpoczyna się i akcja laserowa kończy się na poziomie E .
0
Światło lasera rubinowego znajdują zastosowanie w holografii i dermatologii. W dermatologii laser
rubinowy wykorzystywany jest do usuwania tatuaży i pigmentacyjnych zabarwień skóry.
Lasery szafirowe (tytanowo  szafirowe) są to przestrajalne lasery emitujące światło czerwone i w
bliskiej podczerwieni, Ti3+:Al O Mogą być pompowane laserem argonowym i YAG:Nd3+.
2 3 .
Laser Ni 2+
:MgO
otoczenie jonu wpływa na emisję, niezapełnione orbitale d powodują że nie ma ekranowania jądra i
występuje duży wpływ pola krystalicznego. Przejścia na widmie są bardzo szerokie i dozwolone z
regułami wyboru. Emisja w obszarze III okna telekomunikacyjnego (okno terapeutyczne) przez co
duże zastosowanie w medycynie. Przejście emisyjne to 3T 3A (Ni2+) 1300 nm podczerwień.
2 2