Световые лучи и оптика

Простейшим способом описания света в волоконной оптике является анализ прохождения лучей света. В этом случае свет рассматривается как простые лучи, отображаемые прямыми линиями. Луч от источника света показывает направление распространения. Перемещение света по волоконно-оптической системе анализируется геометрическими построениями. Это не только упрощает анализ, но и помогает понять процессы в оптических волокнах.

Отражение и преломление

В общем случае, говоря о скорости света, имеют в виду скорость электромагнитной энергии в вакууме. В других материалах (например, в стекле) свет распространяется с меньшей скоростью. При перемещении из одного материала в другой изменяется скорость распространения, что, с точки зрения волновой теории, приводит к изменению направления движения. Отклонение света от прямого направления называется преломлением.

Кроме того, волны с различными длинами распространяются с различными скоростями в одном и том же материале. Изменение скорости от длины волны имеет важное значение в волоконной оптике.

С преломлением часто сталкиваются рыбаки, которые видят не реальное, а мнимое положение рыбы под водой (см. рисунок ниже). Если смотреть на рыбу вертикально вниз, то преломления света не происходит и рыба видна на своем настоящем месте. Если же смотреть на рыбу под углом, то появляется преломление и рыбак будет видеть мнимое положение рыбы на прямой, продолжающей направление взгляда. В результате рыба обычно находится гораздо глубже под водой, чем ее видит человеческий глаз.

Призма на рисунке ниже показывает более интересное преломление. Поступающий на призму белый свет содержит все цвета радуги. Призма преломляет свет, и он изменяет свою скорость при переходе внутрь призмы. Поскольку различные цвета имеют разные скорости распространения, то и преломляются они по-разному. Красный цвет отклоняется сильнее и имеет меньшую скорость распространения. Попадающий на призму свет разлагается на цвета радуги. Отметим, что преломление присутствует как при входе, так и при выходе из призмы.

Преломление света

Показатель преломления, обозначаемый n, является безразмерной величиной, выражаемой через отношение скорости света в вакууме (с) к скорое та света в материале (v): n=c/v

Преломление света на призме

Ниже представлены показатели преломления различных веществ и скорости распространения света.

Показатели преломления различных материалов

Особый интерес с точки зрения волоконной оптики представляет тот факт, что показатель преломления стекла может изменяться в зависимости от его состава. Количество отраженного света от границы двух сред зависит от их показателей преломления. Но прежде чем рассмотреть механизм преломления, нужно определить некоторые основные понятия предстоящего обсуждения. Ниже на рисунке представлено несколько основных понятий, касающихся света и его преломления.

Перпендикуляр к границе двух сред представляет собой воображаемую линию.
Угол падения - угол между перпендикуляром и падающим лучом.
Угол преломления - угол между перпендикуляром и преломленным лучом.

Свет, проходящий из среды с более низким значением показателя преломления в среду с более высоким, отклоняется к перпендикуляру.

Наоборот, при переходе из более плотной среды в менее плотную свет отклоняется от перпендикуляра, как изображено на рисунке ниже.

Угол падения и преломления

По мере увеличения угла падения угол преломления стремится к значению 90o. Угол падения, при котором угол преломления равен 90o, называется критическим углом. Если угол падения становится больше критического, то свет полностью отражается в исходную среду, не проникая во второй материал. При этом угол падения равен углу отражения.

Отражение

Теория распространения света (часть 3)