X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Полное внутреннее отражение — явление отражения электромагнитных или звуковых волн от границы раздела двух сред при условии: 1- волна падает из среды, где скорость ее распространения меньше (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления), 2 - угол падения превосходит некоторый критический угол . При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

Угол полного внутреннего отражения- минимальный угол падения света, начиная с которого возникает явление полного внутреннего отражения:[1-2]

Пример:

Если налить воду в прозрачный стакан и посмотреть через стенку стакана на свет, то мы увидим серебристый блеск поверхности вследствие явления полного внутреннего отражения, о котором сейчас идёт речь. При переходе луча света из более плотной оптической среды в менее плотную оптическую среду может наблюдаться интересный эффект.[2-3] Предположим, что в глубине водоема находится точечный источник света S, испускающий лучи во все стороны.

Рис.1

Луч SО₁ падает на поверхность воды под наименьшим углом, этот луч частично преломляется – луч О₁А₁ и частично отражается назад в воду – луч О₁В₁. Таким образом, часть энергии падающего луча передается преломленному лучу, а оставшаяся часть энергии – отраженному лучу. Луч SО₂, чей угол падения больше, также разделяется на два луча: преломленный и отраженный, но энергия исходного луча распределяется между ними уже по-другому: преломленный луч О₂А₂ будет тусклее, чем луч О₁А₁, то есть получит меньшую долю энергии, а отраженный луч О2В2, соответственно, будет ярче, чем луч О₁В₁, то есть получит большую долю энергии. По мере увеличения угла падения прослеживается все та же закономерность – все большая доля энергии падающего луча достается отраженному лучу и все меньшая – преломленному лучу. Преломленный луч становится все тусклее и в какой-то момент исчезает совсем, это исчезновение происходит при достижении угла падения, которому отвечает угол преломления 900. В данной ситуации преломленный луч ОА должен был бы пойти параллельно поверхности воды, но идти уже нечему – вся энергия падающего луча SО целиком досталась отраженному лучу ОВ. Естественно, что при дальнейшем увеличении угла падения преломленный луч будет отсутствовать. Описанное явление и есть полное внутреннее отражение, то есть более плотная оптическая среда при рассмотренных углах не выпускает из себя лучи, все они отражаются внутрь нее. Угол, при котором наступает это явление, называется предельным углом полного внутреннего отражения.

Самым интересным и востребованным применением явления полного внутреннего отражения являются так называемые волноводы, или волоконная оптика. Это как раз тот способ подачи сигналов, который используется современными телекоммуникационными компаниями в сетях Интернет.

Эффект полного отражение в ВОЛС

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) - линия связывающая две электрические цепи путем перенесения информации с использованием светового сигнала внутри оптического волокна (тонкой стеклянной или пластиковой нити) Принцип работы оптического волокна основан на эффекте полного внутреннего отражения. Входной сигнал модулирует источник светового излучения, а для обратного преобразования света в электрический сигнал используют фотоприемники. Таким образом, ВОЛС включает следующие основные компоненты:

1) передатчик;

2) кабель на базе оптического волокна;

3) приемник;

4) соединители (коннекторы).

Для более сложных линий и коммуникационных сетей используются дополнительные элементы, такие как разветвители, мультиплексоры и распределительные устройства.

Наиболее ярко видно использования явления полного отражения на примере оптоволоконного кабеля. [3-4]

Оптоволоконные кабели

Оптическое волокно состоит из центральной части (ядро) и окружающей оптической оболочки, имеющей меньший показатель преломления. Распространяясь по ядру лучи света не выходят за его пределы, испытывая отражение на границе раздела ядро – оболочка. Свет, падающий на границу под углом, меньше критического, будет проникать в оптическую оболочку, и оптическая оболочка не предназначена для переноса света. Также волокна имеют дополнительное защитное покрытие. Волокна сами по себе имеют чрезвычайно малый диаметр. Свет заводится внутрь волокна под углом, больше критического, к границе “ядро/оптическая оболочка”, и испытывает полное внутреннее отражение на этой границе. Поскольку углы падения и отражения совпадают, то свет и в дальнейшем будет отражаться от границы. Таким образом, луч света будет зигзагообразно двигаться вдоль волокна.[4-5]

Рис.1

Выражение полосы пропускания через одномодовую дисперсию является сложным, его приблизительная оценка определяется соотношением:

где: Disp - дисперсия на рабочей длине волны в сек на нанометр и на километр; S_W- ширина спектра источника в нм; L - длина волокна в км.

Рис.2

Затухание – это потеря оптической энергии по мере движения света по волокну, измеряется в децибелах на километр. Затухание зависит от длины волны. Существуют окна прозрачности, в которых свет распространяется вдоль волокна с малым затуханием. Следовательно, при работе источника света в этих диапазонах потери при передаче в волокне будут минимальны. На рис.2а представлена типичная кривая затухания для многомодового волокна с низкими потерями. Рис.2б представляет ту же кривую для одномодового волокна. Важнейшей особенностью затухания в оптическом волокне является его независимость от частоты модуляций внутри полосы пропускания. Затухание в волокне определяется тремя эффектами: рассеянием, поглощением и наличием микроизгибов. На рис.3 показано, что вариации границы могут приводить к отражению мод высокого порядка под углами, не допускающими дальнейших отражений.

Рис.3

Численная апертура (NA) - определяет способность волокна собирать лучи. NA зависит от свойств материалов волокна и определяется показателями преломления ядра и оптической оболочки NA волокна указывает на то, как свет вводится в волокно и распространяется по нему. Волокно с большим значением NA (т.е. подразумевает большее количество возможных световых траекторий) хорошо принимает свет, в то время, как в волокно с малым значением NA (волокна с широкой полосой пропускания) можно ввести только узконаправленный пучок света.

Также можно определить величину углов, при которых свет распространяется вдоль волокна. Эти углы образуют конус, называемый входным конусом, угловой растр которого определяет максимальный угол ввода света в волокно.

Рис.4

Источник и приемник также имеют свои апертуры:

NA_ист источника определяет угловую апертуру входного света.

NA_дет детектора определяет рабочий диапазон углов для приемника.

Очень важно выполнить условие: NA_ист = NA_дет. Рассогласование NA приводит к дополнительным потерям при передаче света от устройства с меньшим значением NA к устройству с большим значением.

На эффекте полного внутреннего отражения построены современные оптические линии связи, как волоконные структуры, так и интегральные структуры. Эффект полного внутреннего отражения может быть использован для канализации других типов волновых процессов, например, передачи акустических сигналов.

Список литературы

https://studopedia.ru/5_43660_polnoe-vnutrennee-otrazhenie.html

https://mini-fizik.blogspot.ru/2016/06/blog-post_68.html

https://studfiles.net/preview/6717401/

http://extusur.net/content/3_optika/3_1_2.html

Код для цитирования: Скопировать