Полное внутреннее отражение и волоконная оптика

Физика > Общее внутреннее отражение и волоконная оптика

 

Рассмотрите условия для полного внутреннего отражения и применение эффекта в оптическом волокне: предельный угол полного внутреннего отражения, закон Снеллиуса.

Мы сталкиваемся с полным внутренним отражением, если волна проходит в среду под углом, превышающим конкретный критический.

Задача обучения

• Выразите условия, создающие полное внутреннее отражение.

Основные пункты

• Критический угол – отметка, выше которой осуществляется полное внутреннее отражение: 
• Если свет падает на оптическое волокно, превышая критический гол, то попадает в ловушку.

Термины

• Покрытие – один или несколько слоев материала с уступающим показателем преломления, тесно контактирующий с главным материалом.
• Закон Снеллиуса – формула, описывающая соотношение углов падения и преломления.

Мы сталкиваемся с полным внутренним отражением, если перемещающаяся волна проходит сквозь черту среды под углом, который превышает показатель критического. Если показатель преломления ниже на второй стороне черты, а угол падения превосходит критический, то волна не способна пробиться и полностью отражается. Критическим именуют угол падения, выше которого выполняется полная внутренняя рефлексия.

Предельный угол полного внутреннего отражения

Что такое предельный угол полного внутреннего отражения? Угол падения вычисляется в соотношении с нормалью на черте преломления. Давайте рассмотрим пример, где световой луч путешествует из стекла в воздух. При проходе свет согнется. Как только угол падения вырастет на достаточный показатель, переданный угол достигнет 90°. Именно здесь свет не сможет перейти в воздух.

Критический угол (θ_c) устанавливается законом Снеллиуса: n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂ (n₁ и n₂ – показатели преломления среды, а θ₁ и θ₂ – углы падения и преломления). Чтобы вычислить критический угол, находим значение для θ₁ при θ₂ = 90°, sinθ₂ = 1. Результирующее значение θ₁ приравнивается к критическому углу Таким образом, предельный угол внутреннего отражения определяется только тогда, когда  меньше 1.

Преломление света на черте разделения сред, включая полное внутреннее отражение

Оптическое волокно

Полное внутреннее отражение – мощный эффект, так как его можно применить для ограничения света. Наиболее частое использование – оптическое волокно. Это тонкое прозрачное волокно, созданное из стекла и пластика для передачи света.

Волокна окутываются материалом с меньшим показателем преломления, чтобы создать полное внутреннее отражение, даже если волокна пребывают в контакте

Волокна оптического кабеля представлены внешней защитной оболочкой и внутренним сердечником, по которому перемещаются световые импульсы. Общий диаметр – 125 мкм, а сердцевины – 50 мкм. Отличие в показателях преломления помогает создавать полное внутреннее отражение, словно это происходит на воздушно-водяной поверхности. Если свет упадет на конец кабеля с углом, превышающим критический, то световой луч попадет в ловушку стеклянной нити.

Чаще всего оптические волокна задействованы в телекоммуникациях, потому что так информация может перемещаться на больших дистанциях при минимальных потерях. Также заметно использование в медицине и технике.

---