Прозрачность стекла зависит от наличия в нем примесей различных элементов. Чем меньше примесей, тем оно прозрачней. При изготовлении световодов из стекла нужно обеспечить очень высокую степень его очистки. Получить сверхчистое стекло удалось в 1970 г. Это сделал инженер американской фирмы "Corning glass company" по фамилии Капрон. Он и его сотрудники изготовили тонкую стеклянную нить очень высокой (по тем временам) степени прозрачности: в такой нити свет на расстоянии в 1 км ослаблялся "всего" в 100 раз.
Дальнейший прогресс в технологии получения сверхпрозрачных оптических волокон позволил уже в 1972–1973 гг. уменьшить ослабление света: теперь на таком же расстоянии он ослаблялся только в 3 раза. В лучших образцах современных световодов, изготовленных из сверхчистого кварцевого стекла, интенсивность света на длине 1 км уменьшается всего в 1,05 раза.
Вам интересно, как получают сверхчистое стекло? Это очень трудоемкий процесс. Чтобы иметь о нем хотя бы отдаленное представление, мы расскажем, как делается стекло из кварца.
Знаете ли вы, какие самые распространенные элементы в природе? Правильно, кислород. И еще кремний. В земной коре его 27,6 %. В свободном виде кремний в природе не встречается. Он входит в состав различных соединений, которые попадаются нам на каждом шагу: кварца, песчаника, глины, многих других горных пород и минералов. Свою историю кремний отсчитывает с 1811 г., когда французские химики Ж.Л. Гей-Люссак и Л.Ж. Тенар получили его в свободном виде. Однако они не описали кремний как элемент. Сделал это шведский химик И.Я. Берцелиус в 1823 г. Новый элемент назвали силицием (от латинского слова, обозначающего "кремень").
Кварц — это окисел кремния SiО2. При температуре выше 1710 °C кварц плавится и переходит в жидкое состояние. Можно было бы варить из кварца стекломассу и затем вытягивать из нее волокно. Однако в данном случае трудно избавиться от примесей и изготовить сверхчистое стекло. Поэтому поступают следующим образом. Сначала получают с помощью химической реакции "газообразный" кварц (или, еще говорят, его газовую фазу), в таком состоянии примесей в кварце почти нет. Затем путем охлаждения осаждают его в твердом виде на внешней или внутренней поверхности цилиндрического стержня. Этот метод так и называют — "химическое осаждение из газовой фазы".
Рассмотрим случай, когда осаждение кварца происходит на внешней поверхности стержня (его называют затравочным).
В горелку наподобие бунзеновской подают газообразную смесь: горючий газ — для создания высокотемпературного пламени; газ в виде соединения кремния с хлором (хлорид SiCl4) — как основной "держатель акций" кремния; кислород (О2) — для получения реакции окисления хлорида. В жарком пламени горелки (до 1 600 °C) кремний и кислород воссоединяются и рождаются мелкие порошкообразные частицы высокочистого кварцевого стекла (SiO2), а "отделившийся" в самостоятельный газ хлор (2Сl2) улетучивается через вытяжной колпак.
На расстоянии 15 см от горелки вращается и перемещается вдоль нее затравочный стержень, к поверхности которого и прилипают эти порошкообразные частицы. За 1 мин на стержне осаждается 0,5–1,0 г стекла. После того как толщина слоя стекла достигает нужного размера, процесс останавливают и стеклянную заготовку снимают с затравочного стержня. Получается стеклянная трубка, а нужна сплошная цилиндрическая заготовка. Как быть? Что делать дальше?
Следующая стадия процесса состоит в нагревании трубчатой заготовки пламенем приблизительно до 1900 °C. За счет сил поверхностного натяжения, возникающих в размягченной трубке, происходит "схлопывание" (есть такой специальный термин) трубчатого цилиндра в сплошной. Полученную стеклянную заготовку вытягивают в тонкое оптическое волокно. Например, из заготовки длиной 1 м и диаметром 1 см можно вытянуть стеклянную нить диаметром 100 мкм и длиной 10 км.
Конечно, описанный способ изготовления оптического волокна не единственный. И материалы для него используются разные, не только кварц. Мы ограничились описанием (да и то в самых общих чертах) процесса, разработанного американской фирмой "Coming glass company", чтобы читатель смог составить представление о технологии производства прозрачных стекол для световодов.
И все же как ни стараются сделать стекло сверхчистым, свет в нем ослабляется. Происходит это по двум причинам: свет рассеивается за пределами стеклянной нити и поглощается в ней молекулами и атомами "вредных" примесей, находящихся в стекле. Установлено, что рассеяние света зависит от длины волны передаваемого излучения. Чем короче длина волны, тем выше рассеяние света.
Помните, в нашем мысленном эксперименте мы заставляли линейку вибрировать и излучать электромагнитные колебания разных частот? Вы, вероятно, обратили внимание, что по мере увеличения частоты мы попадали сначала в область инфракрасного излучения, затем — видимого, а потом — ультрафиолетового и т. д. Так вот, рассеяние ультрафиолетовых лучей намного больше, чем видимых, а рассеяние последних в несколько раз выше, чем инфракрасных. Но вместе с тем инфракрасные лучи гораздо интенсивнее поглощаются веществом стекловолокна.
Если посмотреть на график ослабления света в стеклянном волокне, построенный для различных длин волн, то на нем можно увидеть так называемое "окно прозрачности", в котором ослабление сравнительно небольшое. Запомним это.
Следует сказать, что в технике связи ослабление измеряют обычно не в "разах", а в специальных единицах — "белах" (в честь изобретателя телефона А.Г. Белла). Чтобы получить "белы", нужно прологарифмировать "разы". Эти единицы особенно удобны, когда речь идет об ослаблении в огромное число раз. Например, если ослабление в "разах" составляет миллион, то в "белах" — это всего 6 (надеемся, вы не забыли, что lg 1000000 = 6). Ослаблению в 1000 раз соответствует 3 Б (снова напомним, что lg 1 000 = 3). Дальше все понятно: 100 раз — это 2 Б, 10 раз — 1 Б. Перевод в белы величины "3 раза" даст 0,5 Б, а величины "1,05 раза" — 0,02 Б. Для практики бел — слишком крупная единица, поэтому чаще используют более мелкую — децибел (1 Б = 10 дБ подобно тому, как 1 м = 10 дм). Децибелы многим знакомы: соответствие производственного или уличного шума санитарным нормам устанавливается в децибелах. Рев двигателя самолета на старте — 100 дБ, шумная улица — 90 дБ, громкий разговор — 70 дБ, шелест листьев — 10 дБ. Как видим, громкий разговор действует на уши с интенсивностью звука, в 1 000 раз меньшей, чем взлетающий лайнер.
Таким образом, и завоевания в области прогрессивных стеклотехнологий можно в полной мере оценивать децибелами (на сегодня ослабление света, или потери его интенсивности, в волокне составляет 0,2 дБ/км).
Однако взглянем еще раз на "окно прозрачности". Оно охватывает длины волн, расположенные в диапазоне ближнего инфракрасного излучения (0,85-1,8 мкм), т. е. в области "невидимого" света. Правда, внутри "окна" для некоторых излучений (0,95; 1,24; 1,39 мкм) наблюдаются всплески ослабления. Это вызвано тем, что колебания света "попадают в такт" (в резонанс) с колебаниями ионов "вредных" гидроксильных групп ОН — непрозрачной компоненты стекла, от которой, как правило, не удастся избавиться даже при изготовлении сверхчистых стекол. Возникает резонансное поглощение света ионами этих групп (вероятно, вам известна история о том, как полк солдат, дружно шагавших "в ногу" по мосту, "попал" в резонанс с его собственными колебаниями и был "поглощен" рухнувшим в реку мостом).
