Optička zrcala i svjetlovodi

OPTIČKE NAPRAVE

Optičke naprave razna su pomagala, instrumenti i uređaji koji primjenjujući optičke pojave imaju vrlo široku primjenu. Sastavljene su od optičkih sastavnica (zrcala, leća, prizmi, svjetlovoda i dr.). Obično se razvrstavaju na optička pomagala kao jednostavnije naprave, optičke instrumente za promatranje predmeta, optičke mjerne instrumente za mjerenje svjetlosnih pojava i posredno optičkih svojstva tvari, optičke uređaje ili aparate za obrađivanje optičkih slika (prikazivanje, prenošenje, oblikovanje, pohranjivanje) te svjetlila kao izvore svjetlosti za osvjetljavanje i rasvjetu. Važni dijelovi mnogih suvremenih optičkih naprava su optoelektroničke sastavnice i uređaji (fotodiode, fototranzistori, svjetleće diode, pokaznici, kamere, laseri i dr.).

Osnovne optičke sastavnice u kojima se primjenjuje refleksija svjetlosti su optička zrcala i svjetlovodi. Od zrcala su izgrađene zrcalne naprave, a od svjetlovoda optički kabeli.

Optička zrcala

Optička zrcala ili katoptri (grč. 1 kátoptron: zrcalo) sastavnice su sastavljene od površina na kojima se odražava ili reflektira svjetlost (prema lat. reflectere: odraziti). Pri tome je kut refleksije prema okomici na zrcalnu površinu jednak upadnom kutu prema okomici. Prema obliku površine razlikuju se ravna i zaobljena zrcala 2 . Od nekoga predmeta u zrcalima se stvara slika. Slika može biti stvarna ili realna (srednjovjek. lat. realis: stvaran; prema res:

1 Grčki nazivi su radi jednostavnosti transliterirani na latinicu. 2 Zrcalo, podrobnije brodsko zrcalo je i naziv ravne krme broda. stvar, zbilja), koja se može vidjeti preslikavanjem na neki zaslon, te prividna ili virtualna (srednjovjek. lat. virtualis: moguć, prividan), koja se može vidjeti gledanjem u zrcalu. Složeno ponašanje svjetlosti pri reflektiranju na zrcalu opisano je zakonima geometrijske optike.

Ravna zrcala su ravne glatke zrcalne površine. Njima se od optičkog predmeta stvara optička slika predmeta. Kako promatrač u njima vidi svoj lik, razgovorno se nazivaju i ogledalima. Najjednostavnije prirodno ravno zrcalo je mirna površina vode u posudi, bazenu, lokvi, jezeru i sl. Dojmljivost ogledanja vlastitoga lika u takvom prirodnom zrcalu opisuje još grčka mitologija u priči o prelijepom mladiću Narcisu, koji se zaljubio sam u sebe promatrajući svoj lik na vodenoj površini. Nesretan što mu taj lik ne uzvraća ljubav ubio se i pretvorio u cvijet narcis (hrvatski: sunovrat). Prva umjetna zrcala bile su uglađene kristalne ili metalne površine. Arheološki nalazi pokazuju da su se pojavila uporabom metala u tzv. bakrenom dobu ili kalkolitiku, dakle prije desetak tisuća godina, a takva su se metalna zrcala rabila do prije nekih tisuću godina. Suvremena zrcala većinom su na staklu nanesene metalne pare (srebro, aluminij). Da bi se takav mehanički osjetljiv sloj štitio, nanesen je na donju stranicu staklene ploče i prekriven zaštitnim slojem. Staklena ploča donekle smeta stvaranju bistre optičke slike. Posebna zrcala u kojima je metalni sloj nanesen s gornje strane staklene ploče, pa im nije smetnja staklena ploča, rabe se u optičkim instrumentima, a nazi

Mitski Narcis promatra odraz svoga lika u vodi Stvarni predmet i njegova prividna slika na vodenoj površini kao prirodnom ravnom zrcalu Prikaz žene koja se ogleda u zrcalu na antičkoj grčkoj vazi

Konveksno cestovno zrcalo za proširenje vidnoga polja

Konkavno naglavno zrcalo za promatranje u medicini

Konkavno reflektorsko zrcalo

Slika u kaleidoskopu

vaju fizikalnim zrcalima. Fizikalna zrcala osjetljiva su na onečišćenja, prašinu te mehanička i kemijska oštećenja. Ravno zrcalo od predmeta ispred zrcala stvara prividnu ili virtualnu sliku, prividno unutar zrcala, jednake visine i na jednakoj udaljenosti od zrcala, pod kutom jednakim upadnom kutu. Ravna zrcala rabe se za promatranje odraza vlastitoga lika, od davnina za signaliziranje reflektiranim svjetlosnim mlazom 3 (snopom) te u nekim optičkim napravama, instrumentima i uređajima (periskopima, fotoaparatima). Posebno raspoređena zrcala rabe se za umnažanje slike, na primjer u nekim optičkim igračkama.

Zaobljena zrcala su zaobljene glatke zrcalne površine. Prema obliku površine postoje kuglasta ili sferna, elipsoidna, parabolična i nepravilno zaobljena zrcala. Razlikuju se udubljena ili konkavna zrcala (prema lat. concavus: šupalj) i izbočena ili konveksna zrcala (prema lat. convexus: izbočen). Konkavna zrcala okupljaju upadni svjetlosni mlaz, a konveksna ga raspršuju. Konkavna zrcala, ponajprije sferna, parabolična i elipsoidna rabe se za skupljanje svjetlosti u karakterističnu točku konike, koja se naziva žarište ili fokus (prema lat. focus: ognjište). Parabolično se zrcalo primjenjuje za usmjeravanje svjetlosti iz nekoga svjetlila u žarištu, što se primjenjuje u reflektorima, a rabi se i u reflektorskim teleskopima. Osnovno fizikalno svojstvo zaobljenog zrcala je udaljenost žarišta od tjemena zrcala, tzv. žarišna ili fokalna daljina (znak f). Za sferno zrcalo žarišna daljina je pola polumjera zakrivljenosti

3 Mlaz je primjereniji naziv jer upućuje na dinamičnu prirodu svjetlosti koja je roj brzih fotona (jednako kao vodeni mlaz), dok snop upućuje na statičnost (kakvi su, na primjer snop vodova, snop žita). r, tj. f = 0,5 r. Povećanje sfernoga zrcala je omjer visine slike y i visine predmeta x, tj. y/x. Četiri su mogućnosti stvaranja slike konkavnim sfernim zrcalom: 1) od predmeta između žarišta i zrcala zrcalo stvara prividnu, uspravnu i uvećanu sliku prividno iza zrcala, 2) od predmeta između žarišta i središta zakrivljenosti zrcalo stvara stvarnu, obrnutu i uvećanu sliku ispred zrcala dalje od središta zakrivljenosti, 3) od predmeta u središtu zakrivljenosti stvara stvarnu, obrnutu sliku jednake veličine u središtu zakrivljenosti, 4) od predmeta dalje od središta zakrivljenosti stvara stvarnu, obrnutu i umanjenu sliku između središta zakrivljenosti i žarišta. Od predmeta u žarištu sferno konkavno zrcalo ne stvara sliku (slika je beskonačno daleka). Konveksna zrcala rabe se za proširenje vidnog područja. Oblik površine je ovisan o namjeni takva zrcala. Rabe se ponajviše kao zrcala za promatranje pozadine na vozilima ili kao sigurnosna zrcala uz prometnice. Valja napomenuti kako ona donekle i mijenjaju osjećaj udaljenosti od zapaženog predmeta, što neiskusne vozače može zavarati. Konveksno sferno zrcalo stvara od predmeta ispred zrcala prividnu, uspravnu i umanjenu sliku prividno unutar zrcala. Svjetlosni mlazovi koji upadaju na sferno zrcalo blizu njegova središta i blizu njegova ruba imaju nešto pomaknuta žarišta, taj se nedostatak sfernoga zrcala naziva sfernom aberacijom (prema lat. aberratio: skretanje). Parabolična zrcala nemaju sfernu aberaciju, stoga se ona češće rabe u optičkim napravama, instrumentima i uređajima.

Sljedeći nedostaci zakrivljenih zrcala su astigmatizam (nemogućnost fokusiranja slike od predmeta izvan optičke osi) i koma (izduživanje slike predmeta izvan optičke osi). Sve se te nedostatke otklanja uporabom složenijih optičkih sustava. Za stvaranje slika drugim zakrivljenim zrcalima valja pogledati neki udžbenik optike. Nepravilno zakrivljena zrcala izobličuju sliku predmeta. Rabe se u zabavištima za postizanje neke efektnosti, optičke iluzije, smiješnih izobličenja slike promatrača i sl.

Zrcalne naprave

Najviše rabljene zrcalne naprave su zrcalne ploče, kaleidoskop i optički reflektori. Zrcalne ploče, tzv. zrcalni paneli, sastavljene su od ravnih zrcala, pojedinačnih ili u skupinama. Rabe se kao arhitektonske sastavnice unutrašnjih ili vanjskih stijena zgrada u raznim likovnim izvedbama. Takve zrcalne stijene daju dojam povećanja prostora i pojačavaju osvjetljenje, te se često primjenjuju u suvremenoj arhitekturi. Na otvorenom se zrcalne ploče rabe kao sakupljači sunčeva zračenja u nekoliko, do sada izgrađenih sunčanih elektrana. Sunčana elektrana Solnova u Andaluziji (Španjolska) sastoji se od polja pojedinačnih parabolična zrcala, računalno upravljanih prema Suncu, u trima jedinicama, ukupne ploštine oko 1.200.000 m 2 . Reflektirano sunčevo zračenje zagrijava radni fluid na oko 400 ºC, što posredno preko vodene pare pokreće generatore, ukupne snage oko 150 MW.

Paneli zrcala sunčane elektrane Solnova u Španjolskoj U blizini se nalazi i sunčana elektrana Planta solar 10 s tornjem visokim 115 m, koji zagrijava 625 računalno upravljanih paraboličnih zrcala, ukupne ploštine oko 75 000 m 2 . Reflektirano sunčevo zračenje zagrijava radni fluid u tornju na blizu 300 ºC, što posredno preko vodene pare pokreće generatore, ukupne snage oko 11 MW. Kaleidoskop (prema grč. kalos: lijepo, eidos: lik i skopein: gledati) cijev je s posebno postavljenim zrcalima i obojenim kamenčićima u kojem se njihova slika višestruko simetrično ponavlja, a zakretanjem zbog promjene položaja kamenčića stalno mijenja. Poznat je bio još u drevno doba. Suvremeni kaleidoskop patentirao je 1817. godine britanski znanstvenik sir David Brewster (1781.–1868.), po kojemu se u polarimetriji naziva Brewsterov zakon i Brewsterov kut. Izumio je niz optičkih naprava, instrumenata i uređaja, kao što je stereoskop, polarimetar, binokularna kamera i dr. Optički reflektori optičke su naprave za usmjeravanje svjetlosnoga mlaza. Osnova im je konkavno sferno ili parabolično zrcalo, u čijem se žarištu nalazi svjetlilo. Ovisno o položaju svjetlila prema žarištu zrcalne površine, izlazni svjetlosni mlaz može biti raspršen (divergentan), usporedan (paralelan) ili usmjeren (konvergentan). Reflektori imaju mnoge primjene: kao svjetiljke za posebnu rasvjetu, svjetiljke na vozilima, plovilima, letjelicama, radne svjetiljke i dr. Reflektori se rabe i kao usmjerivači mlaza pri odašiljanju ili primanju drugih zračenja, mikrovalnog, infracrvenog, ultraljubičastog te zvuka.

Svjetlovodi

Svjetlovodi, svjetlosni valovodi, optička vlakna ili fiberi (lat. fibra: vlakno; > engl. fiber ili fibre) sastavnice su u kojima se svjetlost vodi uzastopnim reflektiranjem od stijenki prozirne cijevi. To su vrlo tanke savitljive niti, većinom promjera manjega od milimetra, okrugloga presjeka, načinjene od prozirnoga materijala (kremenoga stakla ili polimera). U njima se uzak mlaz svjetlosti ili bliskih zračenja (infracrvenoga ili ultraljubičastoga) uzastopno i gotovo bez gubitaka bezbroj puta reflektira na unutrašnjoj strani stijenke vlakna i tako usmjereno putuje kroz cijev. Naziv optičko vlakno skovao je Narinder Singh Kapany (rođ. 1926.), indijsko-američki fizičar, jedan od

Bellov fotofonski prijamnik (oko 1880. godine) Snop svjetlovoda u optičkom kablu Dojmljiva rasvjeta svjetlovodom prvih izumitelja na tom području, pa ga se naziva neizbježnih nečistoća u osnovnom materijalu ocem optičkih vlakana. svjetlovoda stvarni svjetlovodi imaju stanovito U drugoj polovici XX. stoljeća razvijena su stagušenje svjetlosnoga mlaza, izraženo obično u kla s gotovo nezamislivo malim gubicima. Simon decibelima po kilometru (dB/km). Gušenje ograB. Poole (rođ. 1958.), engleski fizičar, 1985. godiničava doseg signala, pa se u komunikacijske ne je stavljanjem male količine elementa erbija svjetlovode ugrađuju na određenim razmacima u staklo optičkoga vlakna konstruirao svjetlovod optička pojačala na laserskom načelu stimulirakoji na načelu lasera bez elektroničkih sklopova nog odašiljanja. pojačava optički signal. Zbog malih gubitaka Još je Alexandar Graham Bell (1847.–1922.) svjetlosni se mlaz može svjetlovodom prenositi konstruirao i patentirao 1880. godine svjetlosni na udaljenosti reda vrijednosti nekoliko stotina telefon, nazvan photophone, u kojem se signal kilometara. Snop optičkih vlakana se obično prenosio svjetlosnim mlazom kroz atmosferu. ujedinjuje u složene svjetlovode, u svjetlovodne Zbog velikoga raspršenja svjetlosti nije ušao u snopove u kojima se cijeli snop vlakana spaja na uporabu, prevladao je njegov električni telefon jednu sastavnicu za spajanje, i optičke kabele u u kojem se signal prenosi električnim vodovima. kojima se svako vlakno spaja na posebnu sastavKomunikacijski sklop sastoji se od elektroničnicu za spajanje. Zaštitni sloj, tzv. omotač ili plašt kog odašiljača, koji završava nekom optoelektrosnopa ili kabla štiti ih od mehaničkih oštećenja. ničkom sastavnicom za napajanje svjetlovoda Svjetlovodni snopovi i kabeli razgovorno se kao odašiljača i elektroničkog prijamnika koji često kraće nazivaju samo svjetlovodima. na ulazu ima neku optoelektroničku sastavniSvjetlovodi se primjenjuju za prijenos svjecu za prijam optičkog signala iz svjetlovoda. tlosnog mlaza za osvjetljavanje unutrašnjosti u Komunikacijski svjetlovodi sve se više rabe u nekim postupcima u znanosti, tehnici i medicini telefoniji i računalnim mrežama. (u tzv. endoskopu) te za rasvjetu s posebnim Komunikacijski svjetlovodi pri polaganju u tlo učincima. ili u vodu stavljaju se u zaštitne cijevi ili kanale, Osobito se rabe za prijenos svjetlosnoga kako bi se zaštitili od mehaničkih ili kemijskih signala u optičkim komunikacijama, pa danas utjecaja. svjetlovodi na mnogim mjestima zamjenjuju Razvojem svjetlovoda sa sve boljim optičkim električne vodiče. svojstvima 1990-ih godina postavljeni su 1996. godine svjetlovodni kablovi u Atlantski i Tihi Svjetlovodne naprave ocean, znatno većih kapaciteta nego dotadašnji Komunikacijski svjetlovodi naprave su koje električni kablovi. služe za prijenos optičkoga signala. Odlikuju Rasvjetni svjetlovodi naprave su koje služe za se malim gubicima. Na svjetlovod ne utječu prijenos svjetlosti za rasvjetu. Primjenjuju se za električna i magnetska polja, pa stoga za njih ciljano osvjetljavanje manjih predmeta u izlozinema ometajućih signala, smetnji i prisluškima, muzejskim vitrinama i sl. Osobito se primjevanja. Stoga svjetlovodi sve više zamjenjuju njuju u suvremenoj rasvjeti s tzv. svjetlovodnim metalne komunikacijske vodove. Najveća potešsvjetiljkama za postizanje posebnih svjetlosnih koća u uporabi svjetlovoda ulazni je i izlazni učinaka u reklamama i promidžbi. spoj s ostalim elektroničkim sastavnicama. Zbog Dr. sc. Zvonimir Jakobović