Беседы о физике и технике - [36]
При передаче информации по световоду задача заключается в том, чтобы удержать свет внутри диэлектрика и передать его на большие расстояния без существенных потерь.
ДАВАЙТЕ ВСПОМНИМ ЗАКОНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В ДИЭЛЕКТРИКАХ.
Особенности распространения света внутри диэлектрика могут быть продемонстрированы даже в школьных условиях на опыте, схема которого представлена на рис. 37.
Рис. 37.Луч света, направляемый через сосуд и попавший в струю воды, распространяется внутри струи, многократно испытывая полное отражение от ее поверхности
В этом опыте свет, испытывая полное отражение, распространяется внутри изогнутой струи воды. Напомним, что если луч света падает на границу двух прозрачных сред различной плотности, то он может испытывать преломление и отражение на этой границе (рис. 38, а). Если же угол падения луча равен или превышает некоторый угол, названный предельным, свет не выходит за пределы первой среды. Он либо распространяется внутри второй среды вдоль поверхности раздела сред (α>пад = α>пр), либо целиком отражается (рис. 38, б) от нее (α>пад > α>пр). Это явление известно нам как явление полного отражения света. Для стекла (крон), например, α>пр ~= 42°, для воды α>пр ~= 48°,5.
Рис. 38.Отражение и преломление света на границе двух прозрачных сред
РАЗВЕ СТЕКЛО — НЕ ИДЕАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВЕТОВОДА?
При использовании первых стеклянных световодов возникали серьезные трудности, связанные с недостаточной прозрачностью стекла.
Действительно, стоит посмотреть в торец обычного оконного стекла, чтобы убедиться в его непрозрачности, обусловленной примесями малых количеств железа и меди в стекле.
В состав даже самых чистых стекол, изготовляемых для астрономических и фотографических объектов, всегда входят заметные количества окрашиваемых примесей.
ИТАК, СВЕТ ПОПАЛ В ВОЛНОВОД…
Излучение, распространяющееся по волноводу, удобно представлять в виде совокупности парциальных волн, называемых модами.
Каждая мода удовлетворяет уравнениям электродинамики, полученным Максвеллом, и некоторым граничным условиям, связанным с геометрией и оптическими характеристиками волновода.
В волноводе полное число мод
N = 2πS/λ>2
где S — площадь поперечного сечения волновода, а λ — длина волны излучения.
Как следует из приведенного соотношения, с уменьшением λ число мод быстро возрастает, а для уменьшения этого числа можно воспользоваться двумя путями. Во-первых, создать такие условия, чтобы значительная часть мод быстро затухала с расстоянием. Во-вторых, использовать волноводы с малой площадью поперечного сечения S. Такие одномодовые волноводы в оптическом диапазоне должны иметь диаметр порядка микрометров. Второй путь представляется наиболее привлекательным, так как практика как раз требует использования волноводов с малым поперечным сечением.
Однако волноводы с малым поперечным сечением пропустят и небольшую световую мощность. Использование большого числа тонких волноводов, скомпонованных в многожильный жгут, решает проблему сохранения мощности излучения.
Мы остановимся подробнее лишь на одном типе волокон — диэлектрическом — как наиболее перспективном виде оптических волноводов.
ОХАРАКТЕРИЗУЙТЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
Диэлектрические волноводы получили широкое распространение. Их выполняют в виде пленок, стержней, толстых и тонких нитей (волокон) из прозрачного диэлектрика. На рис. 39 показано оптическое волокно в разрезе.
Рис. 39. Оптическое волокно в разрезе
Здесь 1 — сердцевина волокна диаметром d>1 и показателем преломления n>1, 2 — оболочка волокна (наружный диаметр d>2, показатель преломления n>2). Сердцевину волокна обычно изготовляют из высокопреломляющих тяжелых флинтов, тогда как для оболочки используют легкие кроны.
Показатели преломления n>1 и n>2 должны удовлетворять условию
n>1 > n>2
Диаметр сердцевины может в широком интервале: от миллиметров до микрометров.
Направляющие свойства оптических волокон обусловлены, как мы уже установили ранее, полным отражением света от поверхности, разграничивающей сердцевину волокна и его оболочку.
Если d>1 >> λ, то волокно называют толстым, а при d>1 ~< λ — тонким.
Волокна могут быть собраны в жгуты, в которых содержится 10>6 и более отдельных волокон. При плотной упаковке волокон в жгуте возможно просачивание световой энергии из одного волокна в другое. Хотя этому препятствует оболочка волокна, но более надежно предохраняют от просачивания света наносимые на волокна специальные покрытия.
ЧЕМ РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ТОЛСТОМ ВОЛОКНЕ ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В ТОНКОМ ВОЛОКНЕ?
Распространение света в толстом волокне подчиняется законам геометрической оптики. Для простоты будем рассматривать световые лучи, которые распространяются в диаметральных плоскостях, пересекая ось волокна (меридиональные лучи). На рис. 40 изображен один из меридиональных лучей, падающих на границу между сердцевиной и оболочкой волокна под предельным углом полного отражения
