Для школьников (по материалам учебной литературы).
Явление полного внутреннего отражения света
Опыты показывают, что при прохождении светового луча из оптически БОЛЕЕ ПЛОТНОЙ среды в оптически МЕНЕЕ плотную среду, угол преломления луча больше угла падения.
С ростом угла падения луча, растёт и угол преломления.
При некотором значении угла падения, называемого ПРЕДЕЛЬНЫМ i пр, преломлённый луч скользит вдоль границы раздела сред.
При дальнейшем увеличении угла падения светового луча на границу раздела сред, преломлённый луч отсутствует (свет во вторую среду не проходит, а полностью отражается от границы раздела).
Это явление называется ЯВЛЕНИЕМ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ света.
На следующем рисунке представлено то же самое, только падающие, отражённые и преломлённые лучи показаны имеющими разную толщину, пропорциональную энергии, которую эти лучи несут.
При угле падения, большем предельного i пр, падающий и отражённый лучи показаны одинаковой толщины - это значит, что при этом условии вся энергия падающего луча переходит в энергию отражённого луча.
Для стекла с показателем преломления n =1,55 предельный угол i пр падения светового луча на границу с воздухом равен примерно 40 градусам.
Такое значение предельного угла получается из ЗАКОНА ПРЕЛОМЛЕНИЯ :
отношение Sin угла падения к Sin угла преломления равно отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды.
Показатель преломления более плотной среды возьмём с индексом 2, а показатель преломления менее плотной среды - с индексом 1.
Тогда п2 =1,55, п1=1 (показатель преломления воздуха равен 1).
В случае полного внутреннего отражения угол преломления равен 90 градусам (луч скользит по поверхности раздела сред), а синус этого угла равен единице.
Тогда закон преломления (закон Снеллиуса) для полного внутреннего отражения светового луча запишется так:
Sin i пр = п2/п1,
отсюда предельный угол полного внутреннего отражения для стекла равен примерно 40 градусам.
Эффект полного внутреннего отражения можно наблюдать, например, при освещении воды, содержащей воздушные пузырьки.
Поверхности воздушных пузырьков блестят, потому что свет от них полностью отражается (не проникает внутрь пузырьков).
Особенно красиво смотрятся пузырьки воздуха находящиеся на поверхности листьев и стеблей подводных растений, здесь пузырьки на солнце кажутся серебрянными.
На практике явление полного внутреннего отражения применяется очень часто.
Например, используя стеклянные призмы, можно повернуть световые лучи на 90 градусов (рис. а) или лучи поменять местами в оборачивающей стеклянной призме (рис. б).
Такие призмы используются в оптических приборах.
На явлении полного внутреннего отражения работают СВЕТОВОДЫ.
На следующем рисунке в) показана изогнутая стеклянная трубка.
Если направить яркий пучок света внутрь этой трубки так, чтобы угол падения луча на поверхность стекла в каждой точке был равен (или больше) предельного угла падения i пр, то свет будет перемещаться вдоль трубки, многократно отражаясь от её стенок, и выйдет наружу.
Получается, что такая стеклянная трубка ведёт свет вдоль себя и является СВЕТОВОДОМ.
(ИСТОЧНИКАМИ световых лучей большой интенсивности являются светодиоды и ЛАЗЕРЫ, работающие на полупроводниках. Получены они были в 60-е и 70-е годы 20 века.)
Если вместо стеклянной трубки взять СТЕКЛЯННЫЙ СТЕРЖЕНЬ и на его торец под некоторым углом к оси стержня направить световой луч (под углом u или меньше), то будет наблюдаться подобная картина.
Здесь п2 - показатель преломления стекла, а п1 - показатель преломления воздуха; d - диаметр стержня, L - его длина.
Войдя в стержень и падая на границу стекло - воздух под углом равным или большим предельного i пр, световой луч испытывает многократное полное внутреннее отражение от границы раздела сред, проходит зигзаобразный путь и выходит из стержня.
Стеклянный стержень провёл через себя в одном направлении световой луч и является СВЕТОВОДОМ.
Для достижения полного внутреннего отражения, угол входа луча в стержень должен соответствовать следующему условию:
Единица под корнем есть показатель преломления воздуха (n1 =1).
Можно уменьшать диаметр стержня, превратив его в тонкую длинную стеклянную НИТЬ (волокно), эффект будет такой же, то есть стеклянная длинная нить будет пропускать через себя свет в одном направлении (будет СВЕТОВОДОМ) при выполнении условий полного внутреннего отражения.
Тонкую стеклянную нить называют оптическим волокном (ОВ) или волоконным световодом (ВС).
С целью изготовления и применения волоконных световодов возник новый раздел оптики, названный ВОЛОКОННОЙ ОПТИКОЙ.
ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА - это раздел оптики, в котором изучаются явления, связанные с распространением света по волоконным световодам.
Волоконная оптика возникла в 50-х годах 20 века. Сначала стеклянные нити получали из обычного стекла и соединяли их в жгуты. Жгут являлся световодом.
Освещая один торец жгута, на другом торце получали свет.
Если на один торец жгута спроектировать изображение какого-либо предмета, то оно будет передано на другой его торец.
На рисунке ниже показан такой жгут.
На один его торец спроектирована освещенная цифра "единица", изображение "единица" по стеклянным нитям 2 передалось на другой торец световода.
Видим, что полученное изображение "единица" (под номером 4) искажено, так как нити соединены в жгут не совсем упорядоченно.
Если стеклянные нити уложить упорядоченно и скрепить их между собой, то изображение "единицы" на другом торце получится достаточно правильным, так как каждая нить будет переносить через себя элемент "единицы".
Наиболее широкое применение жгуты световодов нашли для освещения труднодоступных объектов и для передачи изображений в приборостроении и медицине, в частности для технической и медицинской эндоскопии.
Материалом для изготовления таких световодов являлись многокомпанентные оптические стёкла, но они имели низкий коэффициент пропускания (30 - 70% на длине в 1м), что было связано с затуханием света в стекле из-за большой концентрации примесей.
В 70-х годах 20 века произошло второе рождение волоконной оптики, когда были разработаны волоконные световоды на основе кварцевого стекла и когда были получены новые источники света - лазеры.
Изготовление волоконных световодов
Технология получения волокна на основе кварца сложная. Суть её заключается в следующем. Берут полую кварцевую трубку и нагревают её.
Кварцевое стекло аморфное вещество, при нагревании до высокой температуры оно размягчается, становится вязким.
Через трубку пропускаются газы, содержащие атомы легирующего вещества. Продолжая разогревать трубку, сжимают её до формы стержня, из которого затем медленно вытягивают волокно.
В результате можно получить очень тонкое волокно диаметром порядка толщины человеческого волоса.
Волокно имеет СЕРДЦЕВИНУ, представленную легированным кварцем, и ОБОЛОЧКУ, представленную чистым кварцем.
Показатель преломления материала СЕРДЦЕВИНЫ больше показателя преломления материала ОБОЛОЧКИ.
Первые полученные оптические волокна имели диаметр сердцевины, равный 50 мкм (МНОГО БОЛЬШИМ длины световой волны).
В этом случае при освещении торца волокна светом лазера можно пользоваться понятием луча (можно пользоваться понятиями геометрической оптики) и рассуждать так же, как описано выше применительно к стеклянному стержню, то есть луч света, падающий на границу сердцевина - оболочка под углом большим предельного i пр, будет испытывать полное внутреннее отражение от границы и заставит свет двигаться по ломаной линии вдоль волокна.
Но если волокно делать настолько тонким, что диаметр его сердцевины будет СОИЗМЕРИМ С ДЛИНОЙ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ, то верные результаты будет давать только ВОЛНОВАЯ теория света, с применением уравнений Максвелла.
Обратимся к теории о природе света.
Двойственная корпускулярно-волновая природа света
О чём говорят световые лучи, которыми мы изображаем свет в геометрической оптике?
Ответ: Световой луч показывает в каком направлении двигается поток световых частиц (фотонов). В то же время направление светового луча показывает направление распространения электромагнитной волны (световой волны).
Нам трудно представить такие казалось бы противоречивые свойства света (поток частиц и электромагнитная волна одновременно), так как в реальной жизни мы имеем дело или с частицами, или с волнами.
Но двойственная природа света - это реальность.
Мы видим из опытов, что в одних условиях чётко проявляется волновая природа света (например, в явлениях интерференции, дифракции); в других условиях чётко проявляется корпускулярная природа света (например, в явлении фотоэффекта).
Да и в формулу энергии фотона (энергия фотона равна произведению постоянной Планка h на частоту электромагнитной волны) входит волновая характеристика - частота волны:
На рисунке ниже изображена плоская электромагнитная (световая) волна.
Здесь свет представлен в виде электромагнитной волны (взаимосвязанных электрических Е и магнитных Н полей, распрастраняющихся в сторону, показанную вектором).
Векторы напряжённости электрического Е и магнитного Н полей перпендикулярны друг другу и каждый из них перпендикулярен направлению распространения волны. Такие волны называются ПОПЕРЕЧНЫМИ.
Световые волны - поперечные волны. Векторы Е и Н совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Вектор Е называется световым вектором, так как именно его колебания вызывают у нас ощущение света.
Если плоскости колебаний векторов Е и Н со временем не меняются, то такой свет называется плоскополяризованным.
На рисунке изображён ПЛОСКОПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ. Как он получается?
Поляризованный свет - это часть естественного света, излучаемого раскалёнными телами (Солнцем, нитью лампы и др.)
ЕСТЕСТВЕННЫЙ СВЕТ можно представить, глядя на этот же рисунок.
В естественном свете плоскости колебаний векторов Е и Н хаотично меняют свои положения, оставаясь перпендикулярными направлению светового луча.
Получают поляризованный свет пропуская естественный свет через анизотропные кристаллы, например, кристалл турмалина. В этом случае кристалл турмалина называется поляризатором.
Чтобы лучше понять разницу естественного и поляризованного света, представим освещение дороги фарами автомобиля в темное время.
Свет фар - это естественный свет.
Представим, что стекло на фарах заменили поляризаторами, то есть превратили свет из естественного в поляризованный. В этом случае фары освещали бы только дорогу, свет не попадал бы в глаза водителям встречного транспорта. Пока об этом можно только мечтать.
Итак, свет - это электромагнитная поперечная волна - световой вектор Е лежит в плоскости, перпендикулярной направлению луча.
Уравнение плоской волны получают путём решения уравнений Максвелла.
Если вектор Е колеблется в одной плоскости, то свет называется плоскополяризованным.
ВЕРНЁМСЯ к нашей теме, к переносу света волоконными световодами.
Волоконные световоды делятся на МНОГОМОДОВЫЕ И ОДНОМОДОВЫЕ.
Посмотрим, что называют световой модой.
Представим, что торец волоконного световода освещается интенсивным лазерным поляризованным пучком света, направленным вдоль оси световода.
(Пояснение. Когда говорим о лазерном ЛУЧЕ, то имеем ввиду ПУЧОК СВЕТА, испускаемый лазером, так как по определению луч - это геометрическая линия, показывающая направление светового пучка).
Этот пучок очень узкий, можно сказать, что он соответствует одной длине волны, но он не идеален и присутствует некоторая расходимость лазерного пучка.
Поэтому лазерный пучок можно представить в виде набора световых лучей. На рисунке ниже показано поведение четырёх лучей из этого набора в СЕРДЦЕВИНЕ световода.
Один из этих лучей идёт по оси световода, не меняя своего направления. Три других луча, испытывая полное внутреннее отражение от границы сердцевина-оболочка, двигаются по зигзагообразным траекториям вдоль волокна.
Эти четыре луча и есть четыре МОДЫ лазерного пучка.
Под модами понимается вид возбуждаемых в сердцевине колебаний. Каждая мода характеризуется своей пространственной конфигурацией и собственной частотой.
Число мод (типов колебаний), которые могут распространяться по волоконному световоду для заданной длины волны лазерного излучения, пропорционально квадрату диаметра сердцевины и разности показателей преломления сердцевины и оболочки.
Луч, который идёт без изменения направления (вдоль оси световода), называется основной (или первой) модой лазерного излучения, на него приходится максимум энергии лазерного пучка.
Остальные моды (называются второй, третьей и т.д.), падающие на границу сердцевина - оболочка под разными углами, будут распространяться вдоль световода в виде зигзагообразных линий разной частоты.
В волоконных световодах, имеющих диаметр сердцевины 50 мкм (много больший длины световой волны) содержится много мод, поэтому такой волоконный световод назывался МНОГОМОДОВЫМ.
Все моды переносят световую энергию лазерного пучка в одну сторону, но из-за разности частот моды распространяются вдоль волокна с разными скоростями, поэтому приходят в конец световода не одновременно, что проявляется в искажении формы переносимого ими сигнала (импульса света). Это искажение называется МЕЖМОДОВОЙ ДИСПЕРСИЕЙ.
Для уменьшения межмодовой дисперсии изготовляются волокна, в которых показатель преломления сердцевины не является постоянной величиной, а медленно уменьшается по радиусу сердцевины (такое волокно называется волокном с ГРАДИЕНТНЫМ ПРОФИЛЕМ).
Моды, распространяющиеся по градиентному профилю, уже не имеют вид резких зигзагообразных линий - они становятся более плавными, похожими на синусоиды. В этом случае межмодовая дисперсия будет значительно меньше.
Межмодовой дисперсии не будет вовсе, если уменьшить диаметр сердцевины волоконного световода до размера (5-10) мкм, когда в сердцевине световода будет существовать лишь одна мода. В этом случае волоконный световод называется ОДНОМОДОВЫМ.
ОДНОМОДОВЫМИ волоконными световодами называются такие, в которых распространяется один тип моды.
На рисунке показан одномодовый световод, в сердцевине которого распространяется лишь основная мода.
Покажем для сравнения на одном рисунке поперечные сечения наиболее распространённых трёх типов волоконных световодов:
- многомодового со ступенчатым профилем показателя преломления, когда разность показателей преломления материала сердцевины и материала оболочки постоянна (рис.а);
- одномодового со ступенчатым профилем показателя преломления (рис. б);
- многомодового с градиентным показателем преломления (рис.в).
Геометрическая оптика правильно отражает особенности распространения света в многомодовом волоконном световоде.
Но для описания процессов, происходящих в одномодовом волоконном световоде, необходимо привлечение волновой теории, которая допускает распространение по нему лишь дискретного набора волн.
Волоконные световоды используются и в виде отдельных нитей и в виде оптоволоконного кабеля (ОВК), составленного нужным количеством нитей.
Посмотрим, как работает оптоволоконный кабель в ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМАХ. Попутно вспомним коротко как работает телевидение и завершим историю его развития.
ТЕЛЕВИДЕНИЕ связано с передачей информации (изображение, речь) на расстояние.
Для осуществления телевизионной передачи нужны три составляющие: телепередатчик, линия связи и телеприёмник.
В передатчике элементы изображения преобразуются в электрические сигналы. Колебания высокой частоты, вырабатываемые генератором, модулируются электрическими сигналами и через ЛИНИЮ СВЯЗИ передаются в приёмник, где происходит их демодуляция. Электрические сигналы преобразуются в оптические, и на экране телевизора появляется оптическое изображение.
Весь этот процесс подробно рассмотрен в статье " Физические основы телевидения. Как передаётся движущееся изображение на расстояние" на примере первых телевизоров, в которых использовались электронные лампы, электронно-лучевые трубки, генераторы высокой частоты на основе трёхэлектродной электронной лампы.
Особое внимание обратим на ЛИНИЮ СВЯЗИ. Передача модулированных колебаний осуществлялась электромагнитными волнами через воздух от антенны передатчика к антенне приёмника.
С появлением полупроводниковых приборов, электронные устройства были заменены полупроводниковыми, имеющими малые размеры. Телевизоры стали тонкими с большим экраном. Здесь были использованы свойства жидких кристаллов, явление поляризации света и др.
В больших населённых пунктах линия связи стала кабельной, модулированные колебания передавались от передатчиков к приёмникам через медные кабели.
Полупроводниковые устройства позволяли накапливать большой объём информации, которую медные кабели не успевали передавать.
Нужна была высокоскоростная линия связи и она появилась - это СВЯЗЬ между передатчиком и приёмником через ОПТОВОЛОКОННЫЙ КАБЕЛЬ.
Перед вводом в оптоволоконный кабель электрический сигнал преобразуется в оптический. При выходе из оптоволоконного кабеля оптическое излучение преобразуется в электрический сигнал.
Оптоволоконный кабель мгновенно переносит информацию от передатчика к приёмнику. В настоящее время оптоволоконные кабели быстро вытесняют медные кабели.
(При обращении с оптоволокном надо соблюдать технику безопасности, помнить, что оптоволокно - это очень тонкое СТЕКЛО).
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Преломление света. Обратимость световых лучей. Как возникают миражи?
Следующая запись:Оптические системы. Построение изображений в линзах. Глаз как естественная оптическая система.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70
Ссылки на статьи, начиная с оптики, будут даны в конце статьи "Оптика. Скорость света ...
