Распространение света в оптическом световоде. Числовая апертура волокна

Основные характеристики оптических волокон.

Оптические волокна для линий связи и датчиков.

Лекция2

В качестве среды передачи (или канала) в ВОЛС используются волоконно-оптические световоды (или оптические волокна). В основе функционирования оптического волокна лежит эффект волноводного распространения света в прозрачной диэлектрической среде, показатель преломления которой больше показателя преломления окружающей среды. Этот эффект был продемонстрирован на примере водяной струи еще в 1870 г., и в настоящее время описан в ряде учебников по физике и оптике. В основе этого эффекта лежит закон преломления света на границе раздела 2 ^х сред с разными показателями преломления (закон Снеллиуса). На рис.2.1 проиллюстрировано прохождение луча света через границу 2 ^х сред с разными показателями преломления n₁ и n₂, причем свет попадает на поверхность раздела из более плотной среды в менее плотную, т.е. коэффициент преломления n₁ > n₂. Если выполняются условия 0<<_кр и 0<<(рис.2.1а), то по закону Снеллиуса:

, (2.1)

где и - углы падения и преломления, соответственно. При достаточно малых углах падения <_кр (рис.2.1а), луч света , преломляясь на границе, проходит во вторую среду и далее распространяется в ней.

При увеличении угла падения до (рис.2.1б), при котором угол преломления
становится равным и имеем:

. (2.2)

В этом случае луч не заходит во вторую среду, а распространяется по границе раздела. Если же дальше увеличивать угол падения до (рис. 1в), то будет иметь место явление полного внутреннего отражения, когда луч света на границе отражается обратно под углом без каких либо потерь на границе раздела. Угол иногда называют углом полного внутреннего отражения. Этот эффект и обуславливает соответствующие свойства оптических волокон.

Рис.2.1. Прохождение света через границу 2 ^х сред и эффект полного

внутреннего отражения (рис.2.1в)

Рассмотрим теперь цилиндрическое стеклянное волокно, состоящее из внутренней сердцевины с показателем преломления n₁ и светоотражающей оболочки с показателем преломления n₂ (причем n₁ > n₂) на торец которого под различными углами падают лучи света , и под различными углами (рис.2.2). Торец волокна срезан под прямым углом, лучи падают на торец волокна из воздуха с показателем преломления n_в=1.

Рис.2.2. Распространение света в волоконном световоде

- осевой луч; - луч, распространяющийся под критическим углом для поверхности раздела жила-оболочка с коэффициентом преломления n₁ и n₂; луч входит в волокно под углом больше критического и поэтому не отражается от границы и не распространяется в волокне, а уходит в оболочку и поглощается.

Все лучи, падающие на торец волокна под углами меньшими
, будут падать на границу световедущая жила/оболочка под углами меньшими и распространяться в волокне путем многократных отражений практически без ослабления. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы угол наклона, распространяющегося в волокне луча к оптической оси волокна был меньше угла , а угол падения луча на торец волокна был меньше угла . Используя закон Снеллиуса определим значение и при условии, что свет падает на торец волокна из воздуха, т.е. .

Тогда:

(2.3)

При угле равном имеем:

(2.4)

Используя выражение (2.2) выразим через показатели преломления жилы и оболочки.

, (2.5)

(2.6)

Обозначим и (2.7)

В результате получаем:

=(2.8)

Следовательно, чем больше значение , тем больше угол и тем большая часть падающего на торец излучения может быть введена в волокно и будет распространяться в нем за счет полного внутреннего отражения. По аналогии с используемым в оптике термином для определения способности микрообъективов собирать свет величину называется числовой апертурой волокна и обозначается (NA).

или (2.9)

Таким образом, оптическое волокно представляет собой волноведущую (световедущую) среду, выполненную в виде двойной цилиндрической нити из кварцевого стекла, попадая в которую под определенными углами лучи света могут распространяться в ней на большие расстояния (рис. 2.3).

Дата добавления: 2014-01-20