Kuidas leiutati kiudoptika

Kiudoptika on valguse sujuv edastamine klaasist või plastist pikkade kiudude abil. Valgus liigub sisemise peegelduse teel. Varda või kaabli südamiku keskkond peegeldab paremini kui südamikku ümbritsev materjal. See põhjustab valguse tagasipeegeldumist südamikku, kus see saab edasi liikuda mööda kiudu. Kiudoptilisi kaableid kasutatakse hääle, piltide ja muude andmete edastamiseks valguse kiirusele lähedasel viisil.

Corning Glassi teadlased Robert Maurer, Donald Keck ja Peter Schultz leiutasid fiiberoptilise traadi või "optilise lainejuhi kiud" (patent nr 3 711 262), mis on võimelised kandma 65 000 korda rohkem teavet kui vasktraat, mille kaudu valguslainete mustriga kantud teavet saaks dekodeerida sihtpunktis isegi tuhat miili ära.

Kiudoptiliste kommunikatsioonimeetodite ja nende leiutatud materjalide abil avanes uks fiiberoptika turule toomiseks. Alates pikamaa telefoniteenusest kuni Internet ja sellised meditsiiniseadmed nagu endoskoop, fiiberoptika on nüüd moodsa elu osa.

• 1854: John Tyndall näitas kuninglikule seltsile, et valgust saab juhtida kõverdatud veevoolu kaudu, näidates, et valgussignaal võib olla painutatud.
• 1880: Alexander Graham Bell leiutas oma "Fotofon, "mis edastas häälsignaali valguskiirel. Bell keskendus päikesevalgusele peegli abil ja vestles seejärel mehhanismi, mis vibreeris peeglit. Vastuvõtvas otsas võttis detektor vibreeriva tala ja dekodeeris selle uuesti hääleks nagu telefon tegi elektrisignaale. Kuid paljud asjad - näiteks pilvine päev - võivad fotofoni segada, põhjustades Bellil selle leiutise edasiste uuringute peatamise.
• 1880: William Wheeler leiutas väga peegeldava kattega vooderdatud kergustorude süsteemi, mis valgustas kodusid kasutades keldrisse paigutatud elektrikaarevalgusti valgust ja suunates valgust koduga kodu ümber torud.
• 1888: Viini Rothi ja Reussi meditsiinimeeskond kasutas kehaõõnsuste valgustamiseks painutatud klaasvardaid.
• 1895: Prantsuse insener Henry Saint-Rene kavandas varajase televisiooni katsel kergete piltide juhtimiseks painutatud klaasist varraste süsteemi.
• 1898: ameeriklane David Smith taotles patenti kirurgilise lambina kasutatava painutatud klaasvarda seadmel.
• 1920. aastad: inglane John Logie Baird ja ameeriklane Clarence W. Hansell patenteeris idee kasutada kujutiste edastamiseks vastavalt televisioonile ja faksimilidele läbipaistvate varraste massiive.
• 1930: Saksa arstitudeng Heinrich Lamm oli esimene, kes pani pildi kandmiseks kokku optiliste kiudude kimbu. Lammi eesmärk oli vaadata ligipääsmatuid kehaosi sisemuses. Katsete ajal teatas ta, et edastas lambipirni pilti. Pilt oli aga halva kvaliteediga. Tema pingutus patendi esitamiseks lükati tagasi Hanselli Briti patendi tõttu.
• 1954: hollandlane teadlane Abraham Van Heel ja Briti teadlane Harold H. Hopkins kirjutas eraldi pildid kimpude kohta. Hopkins teatas plakeerimata kiudude kimpude kuvamisest, Van Heel aga plakeeritud kiudude lihtsate kimpude kohta. Ta kattis palja kiud madalama murdumisnäitaja läbipaistva kattega. See kaitses kiudude peegelduspinda väliste moonutuste eest ja vähendas oluliselt kiududevahelisi häireid. Sel ajal oli fiiberoptika elujõuliseks kasutamiseks suurimaks takistuseks väikseima signaali (valguse) kadu saavutamine.
• 1961: American Optical esindaja Elias Snitzer avaldas ühe režiimiga kiudude teoreetilise kirjelduse - kiud, mille südamik on nii väike, et see suudaks valgust kanda ainult ühe lainejuhi režiimis. Snitzeri idee oli inimese sisemusse suunatud meditsiiniinstrumendi jaoks sobilik, kuid kiu valguskaotus oli üks detsibelli meetri kohta. Sideaparaadid, mis olid vajalikud töötamiseks palju pikematel vahemaadel ja nõudsid valguskadu kuni kümme või 20 detsibelli (valguse mõõtmine) kilomeetri kohta.
• 1964: Kriitiline (ja teoreetiline) spetsifikatsioon tuvastas dr C.K. Kao pikamaa jaoks suhtlus seadmed. Spetsifikatsioon oli kümme või 20 detsibelli valguskadu kilomeetri kohta, mis kehtestas normi. Kao näitas ka vajadust puhtama klaasi vormi järele, mis aitaks vähendada valguskadu.
• 1970: Üks teadlaste meeskond alustas katseid sulatatud ränidioksiidiga - materjaliga, mis on eriti puhta puhtusega, kõrge sulamistemperatuuri ja madala murdumisnäitajaga. Corning Glassi uurijad Robert Maurer, Donald Keck ja Peter Schultz leiutasid fiiberoptilise traadi või "Optilised lainejuhi kiud" (patent nr 3 711 262), mis on võimelised kandma 65 000 korda rohkem teavet kui vasktraat. See juhe võimaldas valguselainete mustriga teabe dekodeerida isegi tuhande miili kaugusel asuvasse sihtkohta. Meeskond oli Dr Kao esitatud probleemid lahendanud.
• 1975: Ameerika Ühendriikide valitsus otsustas ühendada Cheyenne'i mäe NORADi peakontori arvutid häirete vähendamiseks kiudoptika abil.
• 1977: Esimene optiline telefon sidesüsteem paigaldati umbes 1,5 miili kaugusele Chicago kesklinna. Iga optiline kiud kandis 672 kõnekanalit.
• Sajandi lõpuks oli enam kui 80 protsenti kogu maailma pikamaavedudest üle kiudoptiliste kaablite ja 25 miljoni kilomeetri pikkuse kaabli. Maureri, Kecki ja Schultzi disainitud kaablid on paigaldatud kogu maailmas.

Järgmise teabe esitas Richard Sturzebecher. See avaldati algselt Army Corpi väljaandes "Monmouth Message".

Aastal 1958 vihkas Copper Cable and Wire juht USA armee signaalikorpuste laboris New Jersey osariigis Fort Monmouthis välkidest ja veest põhjustatud signaali edastamise probleeme. Ta julgustas materjaliuuringute haldurit Sam DiVitat leidma asemele vask traat. Sam arvas, et klaas-, kiud- ja valgussignaalid võivad töötada, kuid Sami heaks töötanud insenerid ütlesid talle, et klaaskiud puruneb.

Septembris 1959 küsis Sam DiVita vanemleitnant Richard Sturzebecherilt, kas ta teab, kuidas kirjutada valgussignaale edastava klaaskiu valem. DiVita oli teada saanud, et Signaalikoolis käinud Sturzebecher oli oma 1958. aasta Alfredi ülikooli vanemtöö jaoks sulanud SiO2 abil kolm kolmeakselist klaasisüsteemi.

Sturzebecher teadis vastust. Kasutades a mikroskoop SiO2 prillide murdumisnäitaja mõõtmiseks tekkis Richardil tugev peavalu. Mikroskoobi all olevad 60- ja 70-protsendilised SiO2-klaasipulbrid võimaldasid suurema ja suurema koguse särava valge valguse läbi mikroskoobi objektiklaasi ja tema silma. Peavalu ja hiilgava valge valguse meenutamine kõrgest SiO2-st klaas, Sturzebecher teadis, et valem on ülipuhas SiO2. Sturzebecher teadis ka, et Corning valmistas puhta puhtusastmega SiO2 pulbri puhta SiCl4 oksüdeerimisega SiO2-ks. Ta soovitas, et DiVita kasutaks oma volitusi kiu arendamiseks Corninguga föderaalse lepingu sõlmimiseks.

DiVita oli juba teinud koostööd Corningi teadlastega. Kuid ta pidi idee avalikustama, kuna kõigil teaduslaboritel oli õigus teha föderaalse lepingu sõlmimise pakkumine. Nii avalikustati 1961. ja 1962. aastal idee kasutada klaaskiust kõrge puhtusastmega SiO2-d valguse edastamiseks pakkumismenetluse kaudu kõigile teaduslaboritele. Ootuspäraselt sõlmis DiVita lepingu Corningi klaasitehasega Corningis New Yorgis 1962. aastal. Föderaalne Corningi klaaskiudoptika rahastamine oli aastatel 1963– 1970 umbes 1 000 000 dollarit. Signal Corps Paljude fiiberoptika uurimisprogrammide föderaalne rahastamine jätkus kuni 1985. aastani, saades sellega alguse selles valdkonnas ja muutes tänapäevase mitme miljardi dollarise tööstuse, mis välistab vasktraadi kommunikatsioonis a tegelikkus.

Oma 80ndate lõpus jõudis DiVita iga päev USA armee signaalikorpusesse tööle ja töötas nanoteaduste konsultandina vabatahtlikuna kuni surmani 97-aastaselt 2010. aastal.