Laser, luce e comunicazioni

Dal corrispondente di “Svegliatevi!” in Gran Bretagna

COM’È preziosa e importante la luce per l’uomo! Ne dipende la vita stessa, poiché senza la luce del sole, la grande centrale del sistema solare, tutta la vita sulla terra infine cesserebbe. Senza dubbio a motivo della grande bellezza della luce con la sua infinita varietà di colori e forme, l’uomo ha cercato sin dai tempi più remoti di capirne meglio la natura. Oltre a ciò ha cercato i modi di produrre e usare la luce per trarne maggiori vantaggi.

Di tutte le idee che ha avute, una delle più affascinanti fu realizzata negli anni sessanta, accendendo la fantasia di molti anche al di fuori del mondo scientifico. Fu l’invenzione del laser. Il primo laser utilizzato con successo nel 1960 era a rubino e produceva un fascio rosso, ma oggi si possono usare molti diversi materiali: anidride carbonica, acqua, elio, argo, ciascuno dei quali produce una luce di colore caratteristico.

In che modo la luce prodotta da un laser differisce da quella proveniente da altre sorgenti? E quali applicazioni pratiche hanno i laser?

In sostanza, i laser possiedono due proprietà che nessun’altra sorgente luminosa ha nella stessa misura. Anzitutto, il laser non emette la luce in molte direzioni come fa una lampadina elettrica, ma la confina in un fascio ristretto, intenso, del diametro di una matita. In secondo luogo, la luce stessa è molto pura o “coerente”: come suonare una sola nota pura con uno strumento musicale anziché molte note simultaneamente.

Grazie a queste speciali proprietà, i laser hanno trovato molte applicazioni in diversi campi. La proprietà direzionale del laser è stata utilizzata per misurare la distanza dalla terra alla luna inviandovi un fascio con un telescopio da 152 centimetri. La distanza è stata misurata con una precisione di 25 millimetri! L’elevata intensità della luce rende i laser utili per effettuare tagli e saldature. Si possono tagliare carta, stoffa e perfino diamanti, e spesse lastre di acciaio si possono saldare insieme molto rapidamente mediante potenti laser ad anidride carbonica. In campo medico, esistono ora bisturi laser che si possono maneggiare con più precisione dei normali bisturi e hanno l’ulteriore vantaggio che il raggio stesso coagula il sangue, rendendo superflue le pinze emostatiche. In oculistica, la saldatura della retina staccata viene ora regolarmente eseguita mediante laser ad argo, e sono state eseguite in via sperimentale delicate operazioni nella gola sulle corde vocali.

Ma forse uno dei più entusiasmanti e diffusi impieghi del laser e di certi altri tipi di sorgenti luminose è quello ora in fase di sviluppo. Gli scienziati hanno già messo a punto sistemi di comunicazione a onde luminose. Sono già in funzione prototipi in cui i segnali telefonici o televisivi si possono inviare con la luce attraverso fibre ottiche invece che con l’elettricità attraverso i fili. Si prevede, infatti, che al principio degli anni ottanta si potrà effettuare un’estesa applicazione dei sistemi di comunicazione a onde luminose per le trasmissioni telefoniche.

Com’è possibile comunicare per mezzo della luce? Quali vantaggi offre questo metodo e che effetto avrà sulla vita d’ogni giorno? Esaminiamo a fondo come sono stati messi a punto i sistemi a onde luminose. Prima dobbiamo considerare in breve la natura fisica della luce per vedere che, sotto certi aspetti, essa è molto simile alle onde già comunemente impiegate ai fini delle comunicazioni.

La natura della luce

Nel 1864, James Clerk Maxwell, un fisico scozzese, riuscì a combinare le leggi dell’elettricità e del magnetismo. Egli scoprì che, insieme, lasciavano prevedere l’esistenza di onde di vario tipo. Una di queste era la luce, ma altre, allora sconosciute, sono state scoperte in seguito e sono ora chiamate onde radio, onde radar e raggi X, tutte onde invisibili.

La teoria di Maxwell provò che tutti i diversi tipi di onde, inclusa la luce, sono di natura simile; consistono tutte di forze elettriche e magnetiche che vibrano od oscillano. La differenza, diciamo, fra un’onda luminosa e un’onda radio è determinata solo dalla velocità o “frequenza” delle oscillazioni. In un’onda luminosa le forze vibrano circa 100 milioni di volte più velocemente che in un’onda radio tipica.

Pertanto, come un’onda radio può trasportare i segnali musicali e i segnali d’immagini per la radio e la televisione, si può ottenere lo stesso risultato con un’onda luminosa usando principi e tecniche alquanto simili. Ma essendo la sua frequenza così elevata, la luce, quando è coerente, in teoria è molto superiore. Ha la capacità potenziale di trasportare un’enorme quantità di informazioni, molto più di un’onda radio. Fu la speranza di tradurre in realtà questa possibilità che subito dopo l’invenzione del laser spinse gli scienziati a studiare i sistemi di comunicazione a onde luminose.

Trasmissione della luce

Uno dei primi e maggiori problemi incontrati nella realizzazione di un sistema pratico fu quello di trasmettere le informazioni dalla sorgente agli apparecchi riceventi. Si comprese subito che non era né sicuro né pratico inviare direttamente un fascio laser nell’aperta atmosfera (come si fa con le onde radio). Sulle lunghe distanze, nebbia, pioggia, nubi o neve possono disperdere o bloccare il fascio, ma anche col tempo buono le variazioni di temperatura nell’atmosfera possono rifrangere il fascio o fargli cambiare rotta. Inoltre, sarebbero necessari specchi allineati con precisione per far girare il fascio agli angoli e per farlo entrare e uscire dagli edifici.

Nel 1966, due ingegneri inglesi, K. C. Kao e G. A. Hockham, impiegati presso gli Standard Telecommunications Laboratories in Inghilterra, suggerirono una migliore soluzione del problema. Da molti anni si sapeva che la luce si può “condurre” o guidare mediante fibre di vetro flessibili sottili come un capello umano, così come una corrente elettrica è condotta da un filo. A quell’epoca, però, il vetro di cui erano fatte le fibre era scadente. Disperdeva e assorbiva la luce in misura tale che metà dell’energia andava perduta dopo che la luce aveva percorso solo tre metri lungo la fibra. Kao e Hockham suggerirono che se si poteva ottenere un sensibile miglioramento nella qualità del vetro, si potevano usare le fibre di vetro per trasportare la luce per molti chilometri.

In base a questa idea, la Corning Glass Works e la Bell Laboratories degli U.S.A., la Nippon Sheet Glass Company del Giappone e vari gruppi di ricerca in Inghilterra si occuparono congiuntamente dei metodi di fabbricazione della fibra di vetro. Il primo passo avanti fu fatto nel 1970 quando la Corning annunciò una nuova fibra ricavata da vetri di silicio quasi puri che consentiva perdite ridotte. Subito gli altri gruppi di ricerca fecero altri progressi, analizzando nuovi tipi di vetro e ideando nuovi metodi di fabbricazione delle fibre. Oggi vengono prodotte normalmente fibre di vetro che possono condurre la luce per oltre un chilometro e mezzo prima di perdere metà della potenza; alcune delle fibre migliori attualmente prodotte perdono solo un terzo della luce su questa distanza.

Le fibre si ottengono tirando il vetro immesso in una fornace. Avvolgendole su un tamburo durante il processo, si possono produrre singole fibre della lunghezza di parecchi chilometri. La fibra è protetta da un rivestimento di plastica e 100 o più singole fibre sono messe l’una accanto all’altra insieme ad elementi che le rendono convenientemente resistenti e con un involucro esterno per formare un “cavo di fibre ottiche”. Ora tali cavi sono la componente centrale dei sistemi di comunicazione a onde luminose, e ciascuna fibra del cavo forma un canale separato e distinto.

Come fa una fibra di vetro a guidare la luce? La risposta dipende da un principio di fisica detto “riflessione totale”. A piccola angolazione un raggio luminoso incide sulla superficie di separazione di due tipi di vetro, il più denso (otticamente) dei quali si trova sotto la superficie di separazione. Parte della luce è trasmessa e parte è riflessa. (Vedi figura). Se, invece, si aumenta sufficientemente l’angolazione, tutta la luce è riflessa come se la superficie di separazione fosse uno specchio. Questo fenomeno è detto “riflessione totale”. La fibra ha il nucleo formato da vetro più denso, mentre il rivestimento è fatto con l’altro tipo di vetro. Raggi di luce a conveniente angolazione sono quindi guidati entro il nucleo, e la luce si riflette a zigzag lungo la fibra.

Nuovi laser

Parallelamente alle ricerche sulle fibre, nello scorso decennio furono compiuti studi anche per realizzare e migliorare le altre componenti del sistema. I primi laser erano ingombranti e inefficienti. Era necessario produrre nuovi laser di lunga durata che fossero compatibili con le fibre. Inoltre, si dovevano escogitare efficienti metodi per codificare la luce con i segnali elettrici all’apparecchio trasmittente e per decifrarli all’apparecchio ricevente.

Oggi minuscoli laser più piccoli della capocchia di uno spillo ottenuti con leghe di alluminio, gallio e arsenico possono durare più di un anno. Producono il fascio di luce quando una corrente elettrica è “iniettata” nel dispositivo per cui sono chiamati “laser a iniezione”. Diodi emettitori di luce (LED), comunemente usati nei calcolatori elettronici, si possono costruire in modo più semplice con gli stessi elementi. Sebbene la loro luce non sia coerente, hanno ancora notevole importanza nei sistemi a onde luminose di minore potenza.

In tali laser e LED, il raggio di luce può essere inserito e disinserito elettricamente molti milioni di volte al secondo! Così, come un alfabeto Morse estremamente veloce, i segnali telefonici o televisivi sono inviati lungo una fibra di vetro sotto forma di una sequenza codificata di lampi o “impulsi” luminosi. All’apparecchio ricevente speciali rivelatori di luce fatti di silicio riconvertono la veloce corrente di impulsi luminosi in segnali elettrici.

Prototipi

Il progresso compiuto nelle ricerche è evidente dal fatto che sono già impiegati sistemi preliminari a onde luminose e in molti paesi — con Inghilterra, U.S.A., Germania, Francia e Giappone in testa — sono attualmente in fase sperimentale sistemi più perfezionati.

Dal marzo 1976, per esempio, tramite un cavo a fibre ottiche lungo 1.400 metri sono stati inviati segnali televisivi per il beneficio di circa 34.000 spettatori nell’area di Hastings, in Inghilterra. I segnali elettrici sono trasportati dalla luce prodotta da un diodo emettitore di luce.

Nei suoi impianti di Atlanta (U.S.A.) la Bell Laboratories ha compiuto vasti esperimenti su un sistema prototipo. Il sistema impiegava un laser a iniezione e due cavi di fibre ottiche lunghi 600 metri, contenente ciascuno 144 singole fibre di vetro. Essendo inviata la luce con ciascuna fibra, un cavo aveva la potenza di trasportare simultaneamente 40.000 voci! I cavi sono stati installati in condutture nel sottosuolo per simulare una tipica rete telefonica cittadina. Durante l’installazione non si è rotta neppure una fibra.

In Germania, il gruppo delle Telecomunicazioni di Monaco ha installato un cavo sperimentale di fibre ottiche per la trasmissione di segnali telefonici e televisivi. Il sistema è attivo dall’agosto 1976, per dodici ore al giorno, e tutto ha funzionato bene e senza disturbi.

Tra le prime applicazioni di sistemi simili vi sono quelle su aerei, navi, e nei collegamenti tra computer. Si prevede che, man mano che le nuove tecnologie e le capacità tecniche necessarie per congiungere e collegare fibre di vetro e cavi verranno perfezionate, esse sostituiranno molti cavi metallici nel campo delle telecomunicazioni.

Quali vantaggi si otterranno dall’impiego della luce e dei cavi di fibre ottiche? E che effetto avrà tutto questo sulla vita quotidiana?

I vantaggi e il futuro

L’uso delle fibre di vetro per le comunicazioni offre parecchi vantaggi rispetto ai convenzionali fili di rame. Le fibre non contengono metallo, per cui non c’è il problema delle interferenze elettriche. Le fibre e i cavi di fibre ottiche hanno un diametro relativamente piccolo, fattore molto importante nelle reti telefoniche cittadine dove le condutture nel sottosuolo sono spesso congestionate. Sono più leggeri dei fili di rame, un grande vantaggio per aerei e satelliti dove bisogna tenere al minimo il peso. Infine, e soprattutto, le fibre si producono con poca spesa.

A breve scadenza, i cavi di fibre ottiche sono considerati un mezzo per consentire l’espansione delle reti per le comunicazioni già esistenti. Per la persona media questo potrebbe significare che l’aumento delle tariffe telefoniche rallenterà e che forse sarà più facile telefonare.

A lunga scadenza, però, i vantaggi sono molto più entusiasmanti. Si tratta dell’immensa capacità che ha la luce coerente di trasportare informazioni, capacità non ancora completamente sfruttata. Per sfruttare queste possibilità, sin dal 1969 si è aperto un nuovo campo chiamato “ottica integrata”. Essa consente di miniaturizzare completamente i laser e minuscoli circuiti luminosi collegano le componenti ottiche.

Si stanno formulando nuove e affascinanti idee nel campo delle comunicazioni. Case private e uffici, dotati di cavi di fibre ottiche al posto dei fili telefonici, potrebbero mediante la televisione avere accesso direttamente a nuovi servizi centralizzati come biblioteche, centri culturali, banche, centri sanitari, negozi, ecc., tutti computerizzati. In questo modo si potrebbe chiedere da casa il libro desiderato alla biblioteca computerizzata e poi leggerlo sul proprio schermo televisivo, o chiamare la banca per farsi dire la situazione del proprio conto. La massaia, se costretta a casa, potrebbe usare una telescrivente per preparare la lista delle cose da comprare sullo schermo televisivo e poi trasmetterla a un supermercato premendo un bottone. I videotelefoni vi permetterebbero di vedere la persona con cui parlate al telefono!

È chiaro, dunque, che le notevoli possibilità della luce nelle comunicazioni offrono nuove prospettive per il futuro. Man mano che i sistemi a onde luminose passeranno dalla fase sperimentale alla realizzazione pratica, si avranno molti vantaggi. Riflettendo su tutto ciò possiamo senz’altro apprezzare la complessa e meravigliosa natura della luce. Veramente, l’inventiva dell’uomo e la sua interiore sete di conoscenza trovano di che saziarsi negli infiniti tesori della creazione. — Sal. 145:16.

[Diagramma a pagina 22]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

PRINCIPIO DI RIFLESSIONE TOTALE

VETRO

parte trasmessa

VETRO PIÙ DENSO

raggio luminoso a piccola angolazione

parte riflessa

VETRO

VETRO PIÙ DENSO

raggio luminoso a maggiore angolazione

tutta la luce è riflessa

COME UNA FIBRA DI VETRO GUIDA LA LUCE

raggi luminosi a forte angolazione si muovono a zigzag nel nucleo

rivestimento di vetro

nucleo di vetro più denso