Laserit, valo ja tiedonvälitys
Herätkää!-lehden Englannin-kirjeenvaihtajalta
VALO – miten arvokasta ja elintärkeää se onkaan ihmiselle! Elämämme riippuu siitä, sillä jos aurinkokunnan suurvoimalasta, auringosta, ei tulisi valoa, lopulta kaikki elämä sammuisi maan päältä. Epäilemättä siksi, että valo on hyvin kaunista ja loputtoman moniväristä ja -muotoista, ihminen on pyrkinyt varhaisimmista ajoista asti ymmärtämään syvällisemmin sen luonnetta. Lisäksi hyötyäkseen enemmän valosta hän on etsinyt keinoja sen synnyttämiseksi ja käyttämiseksi.
1960-luvulla tuli eräästä hänen kaikkein tenhoavimmista ideoistaan todellisuutta, ja se kiehtoo monen tieteelliseen maailmaan perehtymättömänkin mielikuvitusta. Tällöin keksittiin laser. Ensimmäisessä, vuodelta 1960 peräisin olevassa, toimineessa laserissa käytettiin välikappaleena rubiinia, joka synnytti punaisen säteen, mutta nykyään voidaan käyttää monia erilaisia aineita: hiilidioksidia, vettä, heliumia, argonia – kunkin synnyttäessä sille tyypillisen väristä valoa.
Miten laserin synnyttämä valo eroaa muista lähteistä tulevasta valosta? Ja mitä käytännön sovellutuksia laserit ovat nykyään saaneet?
Pohjimmiltaan lasereilla on kaksi ominaisuutta, joita ei ole muilla valonlähteillä samassa määrin. Ensiksikin laser ei levitä valoaan moniin suuntiin niin kuin sähkölamppu, vaan rajoittaa sen kapeaksi, voimakkaaksi tasapaksuksi säteeksi. Toiseksi itse valo on äärimmäisen puhdasta eli ”koherenttia” – samaa kuin ottaisi jostakin soittimesta yhden puhtaan sävelen sen sijaan että ottaisi monta säveltä samanaikaisesti.
Näiden erikoisominaisuuksien ansiosta lasereille on löytynyt monia sovellutuksia vaihtelevilla aloilla. Laserin suunnattavuutta on käytetty kuun ja maan välisen etäisyyden mittaamiseksi suuntaamalla säde 150 senttimetrin kaukoputkesta. Etäisyys mitattiin tuuman tarkkuudella! Valon suuritehoisuus tekee lasereista sopivia leikkaamiseen ja hitsaamiseen. Paperia, kangasta ja jopa timantteja voidaan leikata, ja paksuja teräslevyjä voidaan hitsata yhteen erittäin nopeasti voimakkailla hiilidioksidilasereilla. Lääketieteen alalla on nykyään käytettävissä leikkauslasereita. Niitä voidaan käsitellä tarkemmin kuin kirurginveistä ja niillä on se lisäetu, että säde itse hyydyttää verta, jolloin verisuonia ei tarvitse puristaa yhteen. Silmän irronnut verkkokalvo hitsataan nykyään rutiiniluontoisesti argonkaasulaserilla, ja tarkkuutta vaativia kurkun äänijänneleikkauksia on tehty kokeellisesti.
Mutta nyt lasereille ja tietyntyyppisille muille valonlähteille on avautumassa kenties yksi jännittävimmistä ja laajakantoisimmista käyttötarkoituksista. Tiedemiehet ovat jo luoneet valoaaltoihin perustuvia tiedonvälitysjärjestelmiä. Käytössä on jo prototyyppejä, joissa puhelin- tai televisiosignaaleja voidaan lähettää lasikuituja pitkin kiitävän valon avulla, sen sijaan että signaalit lähetettäisiin sähköjohtimia pitkin. On jopa odotettavissa, että 1980-luvun alkupuolella valoaaltotiedonvälitysjärjestelmiä voidaan yleisesti soveltaa puhelujen siirtoon.
Miten valon avulla voidaan siirtää tietoja? Mitä etuja tämä menetelmä tarjoaa, ja miten se vaikuttaa arkielämäämme? Tarkastelkaamme yksityiskohtaisesti, miten valoaaltojärjestelmiä on kehitetty. Aluksi meidän täytyy käsitellä lyhyesti itse valon fysikaalista luonnetta nähdäksemme, että eräissä suhteissa se on hyvin samanlaista kuin ne aallot, joita on jo tavanomaisesti käytetty tiedonsiirtotarkoituksiin.
Valon luonne
Vuonna 1864 skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell onnistui yhdistämään sähkön ja magnetismin lait. Hän huomasi, että näin yhdistettyinä ne ennakoivat erityyppisten aaltojen olemassaolon. Yksi niistä tunnistettiin valoksi, mutta toiset, joista ei silloin tiedetty mitään, keksittiin myöhemmin, ja ne tunnetaan nykyään radioaaltoina, tutka-aaltoina ja röntgensäteinä ja ovat kaikki näkymättömiä.
Maxwellin teoria osoitti, että kaikki erityyppiset aallot valo mukaan luettuna ovat luonteeltaan samanlaisia; ne kaikki koostuvat värähtelevistä sähköisistä ja magneettisista voimista. Esimerkiksi valoaalto ja radioaalto eroavat toisistaan ainoastaan värähtelyjen nopeuden eli ”taajuuden” puolesta. Valoaallossa voimat värähtelevät noin 100 miljoonaa kertaa nopeammin kuin tyypillisessä radioaallossa.
Aivan niin kuin radioaalto siis voi kuljettaa musiikki- ja kuvasignaaleja radio- ja televisiovastaanottimeen, valoaaltokin voidaan saada tekemään samoin käyttämällä jossakin määrin samanlaisia periaatteita ja menetelmiä. Mutta koska valo on erittäin suurtaajuista, niin koherenttina se on teoriassa paljon ylivoimaisempaa. Sen on mahdollista kuljettaa valtavat määrät tietoa, paljon enemmän kuin radioaalto voi kuljettaa. Toiveet tämän mahdollisuuden toteutumisesta saivat tiedemiehet tutkimaan valotiedonvälitysjärjestelmiä pian laserin keksimisen jälkeen.
Valon siirtäminen
Valon siirto lähettimestä vastaanottimiin oli ensimmäisiä suuria käyttökelpoisen järjestelmän kehittämisessä kohdattuja ongelmia. Pian tajuttiin, ettei lasersäteen lähettäminen suoraan ilmakehän läpi (kuten tapahtuu radioaaltojen yhteydessä) ollut varma eikä käytännöllinen keino. Pitkillä matkoilla sumu, sade, pilvet tai lumi voivat hajottaa säteen tai estää sen etenemisen, mutta kirkkaallakin säällä ilmakehässä tapahtuvat lämpötilan vaihtelut voivat taittaa sen pois suunnastaan. Lisäksi tarvittaisiin tarkasti säädettyjä peilejä, jotta säde kääntyisi kulmien ympäri ja pääsisi rakennuksiin ja niistä ulos.
Vuonna 1966 Englannissa sijaitsevan Standard Telecommunications -yhtiön laboratorioissa työskennelleet englantilaiset insinöörit K. C. Kao ja G. A. Hockham tarjosivat ongelmaan parempaa ratkaisua. Oli tiedetty monia vuosia, että valoa voitaisiin ”johtaa” eli ohjata pitkin taipuisia hiuksenohuita lasikuituja niin kuin sähkövirtaa johdetaan johdinta pitkin. Mutta tuolloin se lasi, josta kuidut valmistettiin, oli heikkolaatuista. Se hajotti ja vaimensi valon siinä määrin, että vain kolmen metrin matkalla valon tehosta oli hävinnyt puolet. Kao ja Hockham esittivät, että jos lasin laatua voitaisiin parantaa huimasti, niin lasikuituja voitaisiin käyttää valon kuljettamiseen kilometrien päähän.
Tämän idean pohjalta Corning-lasitehdas ja Bell-yhtymän laboratoriot Yhdysvalloissa, Nippon-lasitehdas Japanissa ja eri tutkimusryhmät Englannissa käänsivät rinnakkain huomionsa lasikuidun valmistusmenetelmiin. Ensimmäinen läpimurto tapahtui vuonna 1970, jolloin Corning-yhtiö ilmoitti uudesta pienihäviöisestä kuidusta, joka oli valmistettu lähes puhtaasta piilasista. Pian toiset tutkimusryhmät saavuttivat edistysaskeleita tutkimalla uusia lasityyppejä ja kehittämällä uusia kuidun valmistusmenetelmiä. Nykyään valmistetaan yleisesti lasikuituja, jotka voivat johtaa valoa 1,5 kilometriä ennen kuin sen teho vaimenee puoleen; parhaissa kuituvalmisteissa valo vaimenee vain kolmanneksen samalla matkalla!
Kuituja valmistetaan vetämällä ne uuniin syötetystä lasista. Kun ne saman tien kierretään rullalle, voidaan saada useiden kilometrien mittaisia yhtenäisiä, yksittäisiä kuituja. Kuitu saa suojaavan muovipäällysteen, ja yksittäisiä kuituja pannaan sopivien lujittavien osien ohella vieretysten sata tai enemmän ja päälle tulee kuori, ja näin ”kuituoptinen kaapeli” on valmis. Tällaisilla kaapeleilla on nykyään keskeinen osa valotiedonvälitys järjestelmissä, ja jokainen kaapelin kuiduista muodostaa erillisen kanavan.
Miten lasikuitu johtaa valoa? Fyysikkojen tuntema ”sisäisen kokonaisheijastuksen” periaate antaa vastauksen. Jyrkässä kulmassa tuleva valonsäde osuu kahden lasilaadun väliseen rajaan rajan alapuolella olevan lasin ollessa (optisesti) tiiviimpää. Osa valosta läpäisee lasin ja osa heijastuu takaisin. (Katso kaaviota.) Mutta jos kulma tehdään riittävän loivaksi, kaikki valo heijastuu takaisin ikään kuin raja olisi peili. Tällaista tilannetta sanotaan ”sisäiseksi kokonaisheijastukseksi”. Kuidun ydin valmistetaan tiiviimmästä lasista ja vaippa toisenlaisesta lasista. Sen jälkeen valonsäteitä johdetaan sopivan loivassa kulmassa lasiytimeen, ja valo etenee kuidussa heijastellen edestakaisin.
Uusia lasereita
Viime vuosikymmenellä tapahtuneen kuitututkimuksen rinnalla on myös pyritty kehittämään ja parantamaan muita järjestelmään kuuluvia osia. Ensimmäiset laserit olivat kömpelöitä ja tehottomia. Kävi välttämättömäksi rakentaa uusia kestolasereita, jotka soveltuisivat yhteen kuitujen kanssa. Lisäksi oli tarpeellista keksiä tehokkaita menetelmiä, joilla sähköiset signaalit voidaan muuttaa lähettimessä valoksi ja vastaanottimissa valosta takaisin sähköisiksi signaaleiksi.
Nykyään on olemassa alumiini-, gallium- ja arseeniseoksista valmistettuja nuppineulanpäätä pienempiä lasereita, joiden elinikä on toista vuotta. Ne synnyttävät valonsäteen, kun sähkövirtaa ”suihkutetaan” laitteen läpi, ja niinpä niitä sanotaan ”suihkulasereiksi”. Valoa säteileviä diodeja (LED:ejä), joita yleisesti käytetään taskulaskimissa, voidaan helposti rakentaa samoista alkuaineista. Vaikka niiden valo ei olekaan koherenttia, niillä on silti suuri merkitys pienempitehoisissa valoaaltojärjestelmissä.
Tällaisissa lasereissa ja LED:eissä valonsädettä voidaan katkoa sähköisesti miljoonia kertoja sekunnissa! Niinpä puhelin- tai televisiosignaaleja lähetetään lasikuitua pitkin muutettuna valonvälähdysten eli ”pulssien” sarjaksi ikään kuin eräänlaisena äärettömän nopeana ”morsetuksena”. Vastaanottopäässä erikoiset piistä tehdyt valoilmaisimet muuttavat nopean valopulssien virran takaisin sähköisiksi signaaleiksi.
Järjestelmien prototyyppejä
Edistyvän tutkimustyön nykyvaihe ilmenee siitä, että useita valoaaltojärjestelmien esiasteita on jo käytössä, ja kehittyneempiä järjestelmiä testataan parhaillaan monissa maissa, joista Englanti, Yhdysvallat, Saksa, Ranska ja Japani ovat pisimmällä.
Esimerkiksi Englannissa Hastingsin alueella on maaliskuusta 1976 lähtien lähetetty 1,4 kilometrin pituisen kuituoptisen kaapelin kautta televisiosignaaleja noin 34000 katsojalle. Valoa säteilevän diodin synnyttämä valo kuljettaa sähköiset signaalit.
Bell-yhtymän laboratorioissa Atlantassa Yhdysvalloissa on tehty laajamittaisia kokeita eräällä prototyyppijärjestelmällä. Järjestelmässä käytettiin suihkulaseria ja kahta 600 metrin pituista kuituoptista kaapelia, joissa kummassakin oli 144 yksittäistä lasikuitua. Kun valo lähetettiin jokaista kuitua pitkin, yksi kaapeli pystyi kuljettamaan samanaikaisesti yli 40000 ääntä! Kaapelit sijoitettiin maanalaisiin kanaviin tyypillisen kaupunkipuhelinjärjestelmän jäljittelemiseksi. Yhtään kuitua ei murtunut asennuksen aikana.
Saksassa Telefunken on asentanut Müncheniin kokeellisen kuituoptisen kaapelin puhelin- ja televisiosignaalien siirtämiseksi. Järjestelmä on toiminut häiriöittä kaksitoista tuntia päivässä vuoden 1976 elokuun jälkeen.
Muita vastaavien järjestelmien ensi sovellutuksia on rakennettu lentokoneisiin, laivoihin ja tietokoneiden yhteyslinjoihin. Sitä mukaa kuin uusi teknologia ja lasikuitujen ja kaapeleitten jatkamisessa ja yhdistämisessä tarvittava tekninen osaaminen kehittyvät paremmiksi, on odotettavissa, että ne korvaavat monia metallikaapeleita tiedonvälityksen alalla.
Mitä etuja saadaan käyttämällä valoa ja kuituoptisia kaapeleita? Lisäksi miten kaikki tämä tulee vaikuttamaan arkielämäämme?
Etuja ja tulevaisuus
Lasikuitujen käyttö tiedonvälityksessä tarjoaa useita etuja tavanomaisiin kuparijohtimiin nähden. Koska kuiduissa ei ole metallia, ne ovat tunnottomia sähköhäiriöille. Kuidut ja kuituoptiset kaapelit ovat läpimitaltaan suhteellisen pieniä – hyvin tärkeä seikka kaupunkien puhelinjärjestelmissä, joissa maanalaiset kanavat ovat usein tupaten täynnä kaapeleita. Ne ovat kevyempiä kuin kuparijohtimet – suuri etu lentokoneissa ja satelliiteissa, joissa painon täytyy pysyä vähäisenä. Mutta lopuksi tärkeintä on se, että kuitujen valmistaminen on halpaa.
Ensimmäiseksi kuituoptiset kaapelit nähdään yhtenä keinona, jolla tiedonvälityksen kasvu saadaan mahtumaan olemassa olevien järjestelmien puitteisiin. Se voisi merkitä tavalliselle ihmiselle sitä, että puhelinmaksujen nousu hidastuu, ja soittaminen käy ehkä entistä helpommaksi.
Mutta pitkällä tähtäyksellä edut ovat paljon jännittävämmät. Ne perustuvat koherentin valon suunnattomaan tiedonsiirtokykyyn, jota ei vielä käytetä täysin hyväksi. Tämän kyvyn paljastamiseksi on vuoden 1969 jälkeen syntynyt uusi tutkimusala nimeltä ”integroitu optiikka”. Siinä laserit rakennetaan hyvin pienikokoisiksi ja pikkuriikkiset valopiirit yhdistävät optisia osia.
Parhaillaan luodaan kuvia uusista, kiehtovista tiedonsiirtoideoista. Kun koteihin ja toimistoihin asennetaan puhelinjohtimien asemesta kuituoptisia kaapeleita, ne voisivat sen jälkeen olla suorassa televisioyhteydessä uusiin keskitettyihin palveluihin, kuten esimerkiksi tietokoneistettuihin kirjastoihin, koulutuskeskuksiin, pankkeihin, terveyskeskuksiin, kauppoihin ja niin edelleen. Tällaisilla laitteilla ihminen voisi soittaa omasta kodistaan tietokoneistettuun kirjastoon ja pyytää sieltä haluamaansa kirjaa ja lukea sitä sitten televisionsa kuvaruudusta, tai soittaa pankkiinsa ja pyytää sitä näyttämään hänen senhetkinen tiliasemansa. Jos perheenemäntä on sidottu kotiin, hän voisi kirjoittaa kaukokirjoittimella ostoslistansa television kuvaruutuun ja sen jälkeen siirtää tilauksen kauppaan napin painalluksella. Näköpuhelimen avulla voidaan nähdä ihminen, jonka kanssa puhutaan puhelimessa!
On siksi selvää, että valon tehokas tiedonsiirtokyky on avaamassa monia uusia näköaloja tulevaisuutta silmälläpitäen. Sitä mukaa kuin valoaaltojärjestelmiä alkaa siirtyä laboratorioista arkikäyttöön, niistä voi koitua monia etuja. Kun me ajattelemme kaikkea tätä, me voimme syystä arvostaa itse valon ihmeellistä ja monimutkaista luonnetta. Luomakunnan loppumattomat aarteet voivat todellakin tyydyttää hyvin ihmisen kekseliäisyyttä ja hänen sisäistä tiedon kaipuutaan. – Ps. 145:16.
[Kaavio s. 14]
(Ks. painettu julkaisu)
SISÄISEN KOKONAISHEIJASTUKSEN PERIAATE
LASI
osa läpäisee lasin
TIIVIIMPI LASI
valonsäde tulee jyrkässä kulmassa
osa heijastuu takaisin
LASI
TIIVIIMPI LASI
valonsäde tulee loivassa kulmassa
kaikki valo heijastuu takaisin
MITEN LASIKUITU JOHTAA VALOA
loivassa kulmassa tulevat valonsäteet etenevät ytimessä kimmahdellen edestakaisin
lasivaippa
tiiviimpi lasiydin