МУ-О-60 (Волоконная оптика)

Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаИ.Н. ФЕТИСОВВОЛОКОННАЯ ОПТИКАМетодические указания к лабораторной работе О-60по курсу общей физики2009ВВЕДЕНИЕНа границе раздела двух прозрачных сред свет частично отражается, ачастично проходит во вторую среду. Отношение интенсивностей этих двухкомпонент зависит от угла падения и от скорости распространения света вэтих средах.Если во второй среде свет распространяется быстрее, чем в первой, тосуществует замечательное явление – полное внутренне отражение света отграницы раздела [1, 2].Это явление, известное давно, используется в оптических приборах(отражательные призмы в бинокле и т.п.).

Во второй половине 20 в. сталаразвиваться волоконная оптика – раздел оптики, в котором изучается распространение оптического излучения по волоконному световоду, на поверхности которого происходит полное отражение [3, 4]. Сначала стекло былонедостаточно прозрачным, поэтому длина световода составляла порядка одного метра. Такие световоды нашли применение для освещения труднодоступных объектов, а жгуты из очень большого числа тонких стеклянных волокон стали использоваться для передачи изображений в технической и медицинской эндоскопии (например, при обследовании желудка).Второе рождение волоконной оптики произошло, когда были разработаны волоконные световоды на основе очень чистого плавленого кварца. Онипропускают 50% света на длине несколько километров.

Эти световоды используются в системах оптической связи.Цель работы – ознакомиться с явлением полного внутреннего отражения света и его использованием в волоконной оптике; исследовать угловуюхарактеристику световода; продемонстрировать работу оптической линиисвязи.1ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬЭлектромагнитные волны в зависимости от длины волны подразделяютна различные виды (диапазоны). Оптическим излучением называют видимыйучасток спектра (λ = 0,4 – 0,75 мкм) и примыкающие к нему ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное (ИК) излучения.Волновой поверхностью называют поверхность одинаковой фазы волны.

Лучами называют линии, перпендикулярные волновой поверхности иуказывающие направление распространения энергии волны.В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью c = 3.108 м/с. В веществе оптическое излучение распространяется медленнее, чем в вакууме, и его скорость u зависит от вещества и длиныволны. Отношениеn = c/uназывают абсолютным показателем преломления данной среды. Обычно показатель преломления приводят для желтого света с λ = 589 нм. Для примера,показатель преломления равен 1,004 - для воздуха, 1,33 – для воды, 1,5 – 1,8 для различных марок стекла. Среда с более высоким показателем преломления называется оптически более плотной.В одном и том же веществе скорость света (показатель преломления)зависит от длины волны.

Это явление называют дисперсией света. С уменьшением длины волны показатель преломления возрастает (нормальная дисперсия).Электромагнитные волны обладают двойственной природой: волна –частица. При испускании и поглощении они ведут себя скорее как частицы, ане волны. Например, фотоэффект объясняется корпускулярной природойсвета.

В таких явлениях, как интерференция, дифракция и поляризация, светпредставляет собой волну. С другой стороны, во многих случаях распространение света можно рассматривать как распространение не волны, а лучей.Этот подход составляет содержание так называемой геометрической или лучевой оптики. Рассматривать свет лучами можно, если длина волны многоменьше, чем размеры препятствий, например, диаметра отверстия или толщины оптического волокна. Далее мы рассматриваем лучевое приближение.В однородной среде свет распространяется прямолинейно, т.е.

световые лучи представляют собой прямые линии (закон прямолинейного распространения света).Если луч падает на гладкую границу раздела двух прозрачных сред, тонаблюдаются явления отражения и преломления света (рис. 1). Углом падения α называют угол между падающим лучом и перпендикуляром AB, восстановленным к поверхности в точке падения луча.Закон зеркального отражения света: луч падающий, луч отраженныйи перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости; угол отражения равен углу падения.2αγn1n2 > n1βРис. 1.

Отражение и преломление светагранице раздела двух прозрачных средЗакон преломления: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр лежат в одной плоскости; углы падения и преломления связаны соотношениемsin α / sin β = u1 /u2 = n2 / n1(1)Если n2 > n1, то угол преломления меньше угла падения. С увеличениемугла падения доля отраженного света возрастает, а прошедшего – уменьшается. При этом свет проходит во вторую среду при любых углах падения,вплоть до почти 90о.Если вторая среда оптически менее плотная (n2 < n1), то угол преломления больше угла падения (рис. 2, а).

Угол преломления увеличивается быстрее, чем угол падения. При некотором угле падения α0, называемым предельным углом полного внутреннего отражения, угол преломления достигает90о и больше расти не может. При углах падения больше предельного происходит полное внутреннее отражение света – свет не выходит во вторую среду(рис. 2, б). По мере приближения угла падения α к предельному углу α0 интенсивность преломленного пучка, непрерывно уменьшаясь, обращается внуль. Интенсивность же отраженного пучка, непрерывно возрастая, становится равной интенсивности падающего пучка.Отметим, что граница раздела двух веществ в случае полного отражения является более совершенным зеркалом, чем наилучшие металлическиезеркала, где всегда происходит частичное поглощение энергии падающегопучка света.Запишем закон преломления для предельного угла:sin α0 / sin 90о = n2 / n1.Отсюда получаем выражение для предельного углаα0 = arcsin (n2 / n1).3(2)βn2n1α0 α0α αабРис.

2. Отражение и преломление света в случае, когда вторая среда оптически менее плотная (n2 < n1):а – угол падения меньше предельного угла полного отражения α0;б – углы падения больше предельного, все лучи полностью отражаютсяНапример, если первая среда вода (n1= 1,33), а вторая – воздух (n2=1,004), то α0 = 49о. Свет не выходит из воды в воздух, если углы падения превышают 49о (рис. 2, б).Волоконный световод в простейшем варианте представляет собойдлинную гибкую нить круглого сечения, сердцевина которой из высокопрочного диэлектрика с показателем преломления n1 окружена оболочкой с показателем преломления n2 < n1 (рис.

3). Диаметр сердцевины в зависимости отназначения световода варьируется от нескольких микрометров до несколькихмиллиметров.12Рис. 3. Сечение волоконного световода:1 – сердцевина с показателем преломления n1;2 – оболочка с показателем преломления n2 < n1Распространение света по световоду обусловлено полным внутреннимотражением света на границе сердцевина – оболочка (рис. 4). Световые лучираспространяются зигзагообразно. Такая картина имеет место, если диаметрсердцевины много больше длины волны. Однако имеются световоды, в которых эти величины одного порядка. Тогда вместо лучевого приближения необходимо рассматривать распространение волны определенного типа (т.н.одномодовые волоконные световоды).4Рис.

4. Распространение луча света в волоконномсветоводеРассмотрим прохождение луча света в меридиональной плоскости,проведенной через ось и диаметр световода. На рис. 5 показана траекториялуча, падающего на границу сердцевина – оболочка под предельным угломα0. При этом луч падает на торец световода под углом αкр, который назовемn2n1α0 α0αКРРис. 5. К выводу формулы (3) для критического угла αкркритическим углом.

Все лучи, падающие на торец под углами меньше критического, будут полностью отражаться в световоде. Лучи, для которых α >αкр, частично отражаясь на границе раздела, преломляются в оболочку и поглощаются внешним поглощающим покрытием. Такие лучи быстро выводятся из световода. Следовательно, угол αкр является мерой способности световода захватывать свет.Используя закон преломления, легко получить следующее выражениедля критического угла:2sin α КРn = n1 1 −  2  = n12 − n22 n1 (3)Величина критического угла зависит от различия показателей преломления сердцевины и оболочки. Требуемая величина αкр зависит от назначениясветовода.

Например, в системах связи она может быть очень небольшой,при этом показатели преломления n1 и n2 различаются незначительно.Рассмотрим некоторые физические факторы, влияющие на дальностьоптической связи и скорость передачи информации.Высокая прозрачность световода была получена с использованиемочень чистого кварцевого стекла с добавками германия.

Содержание некото5рых вредных примесей было снижено до нескольких молекул на миллиардмолекул основного вещества. Кварц обладает наибольшей прозрачностью нев видимом свете, а в ближнем ИК - диапазоне (от 0,8 мкм до 1,8 мкм). В таком световоде интенсивность ИК - излучения уменьшается примерно в 2 разана каждый километр.Информация передается по световоду в цифровой форме в виде коротких вспышек (импульсов) света. При этом двоичная единица отличается отнуля длительностью импульсов или к.-л. другим признаком. Чем короче импульсы и чем чаще они следуют, тем больше скорость передачи информации.Однако повышению частоты следования импульсов мешает дисперсия – зависимость скорости распространения света в материале световода от длиныволны.

Предположим, что источник света (лазер) обладает высокой монохроматичностью, т.е. энергия излучения сосредоточена в очень узком интервале длин волн. Это же излучение в виде коротких импульсов не столь монохроматично, его спектр занимает более широкий интервал ∆λ длин волн, который возрастает с уменьшением длительности импульсов. Вследствие дисперсии различные частотные составляющие спектра сигнала распространяются по световоду с различной фазовой скоростью, поэтому импульсы расширяются, начинают перекрываться, что приводит к потере информации.Линии дальней оптической связи имеют промежуточные станции, на которых сигнал принимается, расшифровывается, а лазер на станции генерируетимпульсы, повторяющие принятый сигнал. Эти импульсы передаются дальше по линии.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬЛабораторная установка состоит из двух стендов.