Сделай Сам Свою Работу на 5

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СВЕТОВОДОВ





Волоконный световод представляет собой тонкую двухслойную стеклянную нить (сердечник и оболочка), каждый элемент которой обладает различным показателем преломления. Показатель преломления n прозрачного вещества представляет собой отношение скорости света в вакууме с к скорости света в данном веществе v, т. е. n = c/v. Кроме того, показатель преломления зависит от параметров среды и рассчитывается по формуле

,

где и – относительные соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости.

С учетом того, что относительная магнитная проницаемость прозрачного вещества обычно постоянна и равна единице, показатель преломления определится: для сердечника , для оболочки . Показатель преломления оболочки постоянен, а сердечника в общем случае является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому необходимо, чтобы n1 > n2.

Рассмотрим случай, когда луч света, распространяющийся в среде с показателем преломления n1, встречает границу раздела со средой, имеющей меньший показатель преломления n2 (рис. 4).



 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Распространение лучей в средах при различных углах падения

В соответствии с законом Снеллиуса угол в среде с меньшим показателем преломления больше, чем угол падения . При возрастании возрастает и , и поскольку больше , станет равным 90° раньше, чем . Угол падения, для которого преломленный луч скользит по поверхности раздела (т. е. для которого = 90°), называется углом полного внутреннего отражения . Угол полного внутреннего отражения рассчитывается по формуле (см. закон Снеллиуса, полагая, что = 90°)

.

Если угол падения больше (луч 3), то луч не заходит во вторую среду, а полностью отражается вовнутрь первой среды. Именно этот принцип полного внутреннего отражения позволяет оптическим волокнам проводить свет.

В зависимости от величины угла , который образует с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (рис. 5), возникают волны излучения, волны оболочки и сердечника.



 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Распространение волн в световоде: 1 – волна излучения; 2 – волна оболочки; 3 – волна сердечника

Здесь показаны только меридианные лучи. Если угол падения электромагнитной волны на границу сердечник–оболочка больше угла полного внутреннего отражения, то луч полностью отражается на границе и остается внутри сердечника (луч 3).

Такое объяснение направляемости света основано на законах геометрической оптики и не учитывает свойств света как электромагнитной волны. Учет волновых свойств позволил установить, что из всей совокупности световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения для данного световода только ограниченное число лучей с дискретными углами может образовывать направляемые волны, которые называют также волноводными модами. Эти лучи характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы сердечник–оболочка волны должны быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерферируют так, что гасят друг друга и исчезают. Каждая волноводная мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями.

Волны излучения распределяются непрерывно по всей принадлежащей им области углов и образуют непрерывный спектр. Волны оболочки и волны излучения – паразитные волны, которые отбирают энергию источника возбуждения и уменьшают полезную энергию, передаваемую по сердечнику. Эти волны трудно полностью исключить при возбуждении световода. Кроме того, они также возникают на геометрических нерегулярностях световода и неоднородностях материала.



Контрольные вопросы

1. Какое физическое явление положено в основу принципа действия волоконных световодов?

2. Почему волоконный световод состоит из двух основных компонентов?

3. Что такое угол полного внутреннего отражения и от чего он зависит?

4. Почему показатель преломления сердечника должен быть больше показателя преломления оболочки?

5. Как объяснить принцип действия световодов с позиций волновой теории света?

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.