Laser, lys og kommunikasjonsmidler

av «Våkn opp!»s korrespondent i Storbritannia

LYSET — hvor dyrebart er ikke det for menneskene, og hvor nødvendig er det ikke for oss! Vi er avhengig av lyset for å kunne leve, for uten lys fra solsystemets store kraftstasjon, solen, ville alt liv på jorden opphøre å eksistere. Ganske sikkert fordi lyset er så vakkert, og fordi det fremtrer i så mange forskjellige slags farger og former, har menneskene helt fra de tidligste tider forsøkt å få en dypere forståelse av dets natur. De har også forsøkt forskjellige måter å lage og bruke lys på for å kunne utnytte det mest mulig effektivt.

Av alt det menneskene har klart å finne ut, er noe av det mest fascinerende det som ble kjent i 1960-årene. Dette fikk til og med mange av dem som ikke er vitenskapsmenn, til å bli interessert. Det var oppfinnelsen av laseren. Den første laser som funksjonerte på en tilfredsstillende måte, ble utviklet i 1960. Den aktive komponenten i denne laseren var rubin. Den produserte en rød stråle. Men i dag kan en bruke mange forskjellige materialer: karbondioksyd, vann, helium eller argon. Hvert av disse stoffene produserer sin egen karakteristiske lysfarge.

Hva er det som skiller det lys som en laser sender ut, fra det som sendes ut fra andre lyskilder? Og hvilke praktiske anvendelser har lasere i dag?

Noe som i første rekke skiller lasere ut fra andre lyskilder, er to egenskaper som andre lyskilder ikke har i samme grad. For det første sender ikke laseren ut lyset i mange retninger, slik en elektrisk lyspære gjør. Den sender ut lyset i en skarpt avgrenset, intens, blyantlignende stråle. For det andre er lyset i seg selv ytterst rent eller «koherent» — det kan sammenlignes med en eneste ren tone fra et musikkinstrument i motsetning til mange toner som lyder samtidig.

Fordi laserne har disse spesielle egenskapene, har de funnet stor anvendelse på forskjellige felt. Fordi laseren sender ut lys i bare én retning, har en brukt den til å måle avstanden mellom månen og jorden ved å sende ut en stråle fra et 1,52-meters teleskop. Avstanden ble målt med en feilmargin på 25 millimeter! Lysets store intensitet gjør lasere anvendelige til skjæring og sveising. Ved hjelp av laser kan en skjære papir, tøy og til og med diamanter, og en kan sveise sammen tykke stålplater svært raskt ved hjelp av kraftige karbondioksyd-lasere. Innen medisin kan en nå gjøre bruk av laserskalpeller. De kan brukes med større nøyaktighet enn en kirurgisk kniv, og dessuten har de den fordel at strålen i seg selv får blodet til å koagulere. Derved blir det unødvendig å underbinde blodårer. Når det gjelder øyeoperasjoner, er det nå blitt rutine å sveise avløste netthinner ved hjelp av argongass-laser. Det er også forsøksvis blitt utført vanskelige stemmebåndsoperasjoner ved hjelp av laser.

Men noe som kanskje vil bli en av de mest spennende og omfattende anvendelser av lasere og visse andre former for lyskilder, er nå i ferd med å bli tatt i bruk. Noen vitenskapsmenn har allerede utviklet kommunikasjonssystemer basert på lysbølger. Enkelte prototyper er allerede blitt tatt i bruk. Ved hjelp av disse prototypene kan en sende telefon- eller fjernsynssignaler ved hjelp av lys som transporteres gjennom glassfibre, i stedet for ved hjelp av elektrisitet som går gjennom kabler. Ja, det forventes at det tidlig i dette tiåret vil bli gjort utstrakt bruk av kommunikasjonssystemer som er basert på lysbølger for å overføre telefonsamtaler.

Hvordan er det mulig å kommunisere ved hjelp av lys? Hvilke fordeler byr denne metoden på, og hvordan vil den berøre oss i det daglige liv? La oss foreta en detaljert undersøkelse av hvordan lysbølgesystemer er blitt utviklet. Først må vi kort undersøke lysets fysiske egenskaper. Vi vil oppdage at i visse henseender er det svært likt de bølger som allerede er i vanlig bruk i kommunikasjonssystemer.

Lysets egenskaper

I 1864 lyktes den skotske fysikeren James Clerk Maxwell i å kombinere elektrisitetens og magnetismens lover. Han oppdaget at når en gjorde det, kunne en forutsi at det måtte finnes bølger av forskjellige slag. En av disse bølgetypene ble identifisert som lys, men andre slags bølger som da ikke var kjent, ble senere oppdaget. De er nå kjent som radiobølger, radarbølger og røntgenstråler, og de er alle usynlige.

Ifølge Maxwells teori har alle forskjellige slags bølger, lys innbefattet, de samme slags egenskaper. De består alle av elektriske og magnetiske krefter som vibrerer eller svinger. Forskjellen mellom for eksempel en lysbølge og en radiobølge er bare hastigheten av svingningene eller frekvensen. En lysbølge vibrerer omkring 100 millioner ganger raskere enn en typisk radiobølge.

Akkurat som en radiobølge kan bære med seg musikk- og billedsignaler for gjengivelse i radio og fjernsyn, kan en få en lysbølge til å gjøre det samme ved å følge lignende prinsipper og gjøre bruk av lignende teknikker. Men fordi lys har så høy frekvens, er det teoretisk sett langt bedre når det er koherent. En lysbølge har mulighet til å bære med seg en stor mengde informasjon, langt mer informasjon enn en radiobølge kan bære med seg. Det var vitenskapsmennenes håp om å realisere dette som tilskyndte dem til å eksperimentere med kommunikasjonssystemer basert på bruken av lysbølger kort tid etter at laseren var oppfunnet.

Overføring av lyset

Et av de første store problemer en støtte på når en skulle lage et praktisk system, var selve overføringen fra kilden til mottagerne. En innså snart at det å sende en laserstråle direkte igjennom atmosfæren (slik en gjør med radiobølger) verken var pålitelig eller praktisk. Over lange avstander kan tåke, regn, skyer eller snø spre eller sperre strålen. Og selv i klart vær kan temperaturforandringer i atmosfæren bryte eller bøye strålen av. Dessuten vil en måtte sette opp nøyaktig innstilte speil for å få strålen til å gå rundt hjørner og få den inn i og ut av bygninger.

I 1966 kom to britiske ingeniører ved navn K. C. Kao og G. A. Hockham, som arbeidet ved et laboratorium for telekommunikasjoner i Storbritannia, med et forslag til en bedre løsning på problemet. Det hadde vært kjent i mange år at lys kunne ledes gjennom bøyelige glassfibrer på tykkelse med et menneskehår, i likhet med en elektrisk strøm som ledes gjennom en kabel. Men den gang var det glasset som fibrene ble laget av, av dårlig kvalitet. Det spredte og absorberte lyset i en slik grad at halvparten av effekten var gått tapt etter at lyset hadde gått bare tre meter gjennom fiberen. Kao og Hockham mente at hvis glasskvaliteten kunne bli langt bedre, ville glassfibrer kunne bli brukt til å lede lys mange kilometer.

Med dette i tankene begynte Corning Glass Works og Bell Laboratories i USA, Nippon Sheet Glass Company i Japan og forskjellige forskningsgrupper i Storbritannia å utforske metoder å fremstille glassfibrer på. Det første gjennombruddet kom i 1970, da Corningselskapet opplyste at det hadde klart å fremstille en ny lavtapsfiber av nesten rent kiselglass. Ikke lenge etter gjorde de andre forskningsgruppene ytterligere fremskritt. De utforsket nye glasstyper og utviklet nye metoder å fremstille fiber på. I dag er det vanlig å lage glassfibrer som kan lede lys over 1,5 kilometer før det svekkes i effekt til det halve. Noen av de beste fibrer som produseres i dag, mister bare en tredjedel av lyset på denne avstanden!

Fibrer lages av glass som mates inn i en ovn, oppvarmes og trekkes gjennom den. Når en vikler fibrene opp på en trommel under fremstillingsprosessen, kan en lage fibrer i lengder på flere kilometer. I praksis beskytter en hver enkelt fiber med et plastbelegg, og 100 eller flere fibrer plasseres sammen med konstruksjonselementer med høyere bruddstyrke. Alt dette dekkes med en beskyttelseskappe og utgjør en «fiberoptisk kabel». Slike kabler utgjør nå den sentrale komponenten i kommunikasjonssystemer som gjør bruk av lysbølger. Hver av fibrene i kabelen er en egen, atskilt kanal.

Hvordan leder en glassfiber lys? Svaret på dette spørsmålet er knyttet til et prinsipp som innen fysikken er kjent som prinsippet om «totalrefleksjon». La oss tenke oss at en lysstråle treffer grenseflaten mellom to slags glass, der det nedre er optisk tettere (har større densitet) enn det øvre. Vi tenker oss at innfallsvinkelen (vinkelen mellom lysstrålen og en loddrett linje på grenseflaten) er liten. I dette tilfelle slipper noe av lyset igjennom, og noe reflekteres. (Se tegningen.) Men hvis innfallsvinkelen er tilstrekkelig stor, reflekteres alt lyset, som om grenseflaten var et speil. Dette kalles totalrefleksjon. Fiberen har en kjerne som er laget av et optisk tettere glass enn det glasset som omgir kjernen. Lysstråler sendes så inn i fiberens kjerne i en vinkel som er tilstrekkelig stor, og lyset går i siksak gjennom fiberen.

Nye lasere

Samtidig med fiberforskningen i forrige tiår ble det også gjort mye for å forbedre de andre komponentene i systemet. De første laserne var svære og lite effektive. Det var nødvendig å lage lasere med lang levetid som ville kunne brukes sammen med fibrene. Dessuten måtte en finne ut hvordan en på en effektiv måte kunne kode lyset med de elektriske signalene i senderen og dekode dem i mottageren.

I dag lages lasere som er mindre enn knappenålshoder, av legeringer av aluminium, gallium og arsen. Slike lasere har en levetid på over ett år. De produserer lysstrålen når en elektrisk strømpuls sendes gjennom innretningen, som kalles en laserdiode. Lysemitterende dioder (LED’er), som er i alminnelig bruk i elektroniske kalkulatorer, kan lages på en enklere måte av de samme grunnstoffene. Selv om det lyset de stråler ut, ikke er koherent, har de likevel stor betydning for lysbølgesystemer med lav kapasitet.

I slike lasere og LED’er kan lysstrålene skrus av og på ved hjelp av elektrisitet mange millioner ganger pr. sekund! Telefon- eller fjernsynssignaler blir således sendt som en kodet serie med lysblink eller «pulser» gjennom en glassfiber, som om det var en ekstremt rask kode med morsesignaler som ble sendt. I fiberens mottagerende omdanner spesielle lysdetektorer, som er laget av silisium, den hurtige strømmen av lyspulser til elektriske signaler igjen.

Prototypsystemer

Hvor langt denne forskningen har kommet, fremgår av den kjensgjerning at flere lysbølgesystemer allerede er i bruk som forsøksprosjekter, mens mer avanserte systemer er under utprøvning i mange land. De ledende blant disse landene er Storbritannia, USA, Vest-Tyskland, Frankrike og Japan.

Siden mars 1976 har for eksempel omkring 34 000 fjernsynsseere i Hastings-området i Storbritannia mottatt fjernsynssignaler som er blitt sendt gjennom en 1,4 kilometer lang fiberoptisk kabel. Lys fra en lysemitterende diode bærer med seg de elektriske signalene.

Bell Laboratories har foretatt omfattende forsøk med et prototypsystem på deres anlegg i Atlanta i USA. Dette systemet anvendte en laserdiode og to 0,6 kilometer lange fiberoptiske kabler, som hver inneholdt 144 glassfibrer. Når det ble sendt lys gjennom hver av fibrene, hadde én kabel kapasitet til å overføre mer enn 40 000 samtaler samtidig! Kablene ble lagt i underjordiske rør, ettersom en ønsket å etterligne et typisk telefonsystem i en by. Ingen fibrer ble ødelagt da de ble installert.

Televerket i München i Vest-Tyskland har som et forsøk installert en fiberoptisk kabel beregnet på overføring av telefon- og fjernsynssignaler. Systemet har funksjonert tilfredsstillende 12 timer om dagen uten noen forstyrrelser siden august 1976.

Lignende systemer er blitt tatt i bruk i fly og på skip og som forbindelseslinjer mellom datamaskiner. Etter hvert som det blir gjort stadig nye forbedringer innen denne nye teknologien, for eksempel når det gjelder å skjøte glassfibrer og kabler, regner en med at de vil erstatte mange metallkabler som er i bruk i kommunikasjonssystemer.

Hvilke fordeler vil vi oppnå ved å bruke lys og fiberoptiske kabler? Og hvordan vil alt dette berøre oss i det daglige liv?

Fordeler og framtidsutsikter

Bruken av glassfibrer i kommunikasjonssystemer byr på en rekke fordeler framfor bruken av vanlige kobberledninger. Fibrer inneholder ikke noe metall, og derfor oppstår det ingen elektrisk interferens i dem. Fibrer og fiberoptiske kabler har en relativt liten diameter — en svært verdifull faktor når vi tenker på telefonnettet i byer, hvor underjordiske rør ofte er overfylt. De er lettere enn kobberledninger. Dette er av stor betydning for fly og satellitter, som skal veie så lite som mulig. Og sist, men ikke minst, er fibrene billige å fremstille.

Til å begynne med regner en med at fiberoptiske kabler vil bli brukt til å gjøre det lettere å utvide det allerede eksisterende kommunikasjonsnettet. For folk i sin alminnelighet kan dette komme til å bety at økningen i telefontakstene vil bli mindre. Kanskje vil det også bli lettere å ringe.

Men i det lange løp ser mulighetene langt mer spennende ut. De har å gjøre med denne enorme informasjonsbærende kapasitet som er knyttet til bruken av koherent lys, og som ennå ikke er blitt utnyttet fullt ut. Under arbeidet med å utnytte disse mulighetene har det utviklet seg et nytt fagområde siden 1969, som omtales som integrert optikk. Dette innbefatter bitte små lasere og knøttsmå lyskretser som knytter sammen optiske komponenter.

Nye og fascinerende muligheter på kommunikasjonsområdet åpner seg. Kontorer og private hjem vil kanskje en gang i framtiden via fiberoptiske kabler stå i direkte forbindelse med datamaskinprogrammerte biblioteker, utdannelsessentrer, banker, helsesentrer, butikker og så videre. Med slike hjelpemidler vil en person kunne bestille en bok på biblioteket og lese den på fjernsynsskjermen hjemme. Eller han vil kunne kontakte banken og be om å få en kontoutskrift på skjermen. En husmor som må holde seg hjemme, vil kunne skrive handlelisten sin på fjernsynsskjermen og så overbringe bestillingen til et supermarked ved å trykke på en knapp. Fjernsynstelefoner vil kanskje gjøre det mulig for deg å se den du snakker med i telefonen!

Det er derfor tydelig at fordi lys så lett kan bli brukt i kommunikasjonssystemer, gir det oss mange nye framtidsutsikter. Etter hvert som lysbølgesystemene kommer ut av laboratoriene og inn i det praktiske liv, vil det kanskje føre til mange goder. Når vi tenker over alt dette, setter vi mer og mer pris på lysets kompliserte natur. De uendelig store skatter som finnes i skaperverket, kan virkelig tilfredsstille menneskenes oppdagelseslyst og søken etter kunnskap. — Sal. 145: 16.

[Bilde på side 22]

(Se den trykte publikasjonen)

TOTALREFLEKSJONSPRINSIPPET

GLASS

noe lys slipper gjennom

GLASS MED STØRRE TETTHET

lysstråle med liten innfallsvinkel

noe lys reflekteres

GLASS

GLASS MED STØRRE TETTHET

lysstråle med stor innfallsvinkel

alt lys reflekteres

HVORDAN EN GLASSFIBER LEDER LYS

lysstråler med store innfallsvinkler går i siksak langs kjernen

ytre glassbelegg

kjerne av glass med større tetthet