1.11: Волоконна оптика

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78854

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Використовуючи явище повного внутрішнього відбиття, світло може транспортуватися на великі відстані без зменшення щільності енергії за рахунок розбіжності променя. Принцип відомий давно, але тема була сильно посилена винаходом лазера.

Розглянемо прямий скляний циліндр показника заломлення n _i, оточений повітрям з показником заломлення n _t = 1. Ядро циліндра має поперечний переріз приблизно розміром з людський волосок і, отже, хоча і зовсім невеликий, він все ще багато оптичних довжин хвиль товщиною. Це означає, що коли світло потрапляє на циліндричну поверхню, ми можемо локально розглядати циліндр як плоску поверхню. Фокусуючи лазерний промінь на вхідній площині волокна, світло може бути з'єднаний у волокно. Частина світла всередині волокна, яка вражає поверхню циліндра під кутом з нормаллю, більшою за критичний кут повного відбиття, буде повністю відображена. Коли він потрапляє на протилежну сторону поверхні циліндра, він знову буде повністю відображатися і так далі (малюнок\(\PageIndex{2}\) зліва).

Оскільки видиме світло має такі високі частоти (близько 10 ¹⁵ Гц), приблизно в сто тисяч разів більше інформації може бути перенесено через волокно, ніж на мікрохвильових частотах. Сьогодні волокна з дуже низькими втратами виготовляються так, що сигнали можуть надсилатися навколо землі майже без ослаблення. Абрахам ван Хіл, професор оптики Делфтського технологічного університету, вперше показав у статті, опублікованій в Nature в 1954 році, що, упаковуючи тисячі волокон в кабель, зображення можуть бути перенесені, навіть якщо пучок зігнутий (Малюнок\(\PageIndex{2}\) праворуч).

Волокна також можуть використовуватися для передачі та об'єднання світла багатьох діодних лазерів для того, щоб забезпечити локально велику кількість енергії. Це може бути використано для різання металів, наприклад.

Зовнішні джерела в рекомендованому порядку

1. MIT OCW - одномодове волокно: демонстрація одномодового волокна.

2. MIT OCW - багатомодове волокно: демонстрація багатомодового волокна.

1.10.1.jpg — Рисунок\(\PageIndex{1}\): Коефіцієнти відбиття та пропускання як функція кута падіння s- та p-поляризованих хвиль, що падають зі скла на повітря. Крім того, коефіцієнти поглинання є квадратами показаних коефіцієнтів.

1.10.2.jpg — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Світло, спрямоване всередині шматка скла. (від Вікісховища Кірті - CC BY).