40. Условия полного отражения света. Световоды

Угол падения, при котором свет не преломляется в другую среду, а отражается и скользит вдоль раздела двух сред (т.е. угол преломления равен 900), называется предельным углом полного отражения.

Для стекла предельный угол полного отражения равен 420, для воды 490 Полное внутреннее отражение наблюдается при переходе света из среды оптически более плотной в оптически менее плотную среду.

Явление полного отражения можно наблюдать на примере. Если налить в стакан воду и поднять её выше уровня глаз, то поверхность воды при рассмотрении её снизу кажется посеребрённой вследствие полного отражения света.

Если мы попытаемся из под воды взглянуть на то, что находится в воздухе, то при определённом значении угла, под которым мы смотрим, можно увидеть отражённое от воды дно.

Проделаем небольшой опыт. В стакане с водой карандаш в пробирке становится невидимым из-за тог, что свет претерпевает полное внутреннее отражение. Рассмотрим ход лучей, направленных из воды в воздух (демонстрация: аквариум с водой, лазерная указка). Луч света направим из воды в воздух. Отмечаем, что при увеличении угла падения интенсивность преломленного и отраженного луча изменяются.

При определенном угле, вся энергия падающего луча полностью отражается внутрь среды, более оптически плотной. Это явление наблюдается только тогда, когда угол падения равен предельному углу полного отражения. Это угол падения света на границу раздела двух сред, при котором свет преломляется в оптически менее плотную среду под углом 90°, т.е. фактически отражается!

Когда угол будет больше предельного угла, то луч полностью отражается.

Дана таблица предельных углов и показателей преломления для различных сред.

Таким образом, была сформулирована проблема и получено ее разрешение. Учащимся было предложено самостоятельно сформулировать понятие предельного угла полного отражения; вначале урока ребята выстроили аналогию в сходствах всех типов волн.

На уроке была организована самостоятельная работа учащихся на местах и у доски с обязательной проверкой.

Проведена лабораторная работа « Определение показателя преломления стекла» в двух вариантах (с помощью светового луча и с помощью булавок).

В качестве дополнительной информации было приготовлено сообщение об изготовлении ювелирных изделий с бриллиантом (ограненным алмазом), хрусталя; в качестве домашнего задания был задан проблемный вопрос: почему продолжительность дня длиннее на 7 – 8 минут, чем есть на самом деле, с целью пробудить любознательность.

Использовалась демонстрация по полному отражению света и его практического применения: оборотные призмы, световод.

Рассказано о практическом значении волоконной техники. Передаче на расстояние информации и энергии с помощью световых пучков. Световод – это волокно, нить которого состоит из кварцевого стекла, покрытого оболочкой из такого же вещества с примесью бора, германия или фосфора.

СВЕТОВОД (волновод оптический) - закрытое устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости и ограничивается нач. расходимостью излучения, поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к С. позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам.

Разработаны разнообразные типы С., среди них - линзовые (зеркальные) С., представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлич. трубы и др., однако они не нашли широкого применения. ом хим. осаждения из газовой фазы. В качестве исходных соединений используются кислород и хлориды кремния, германия, фосфора и др. Получаемая этим методом заготовка диам. 20-30 мм и длиной 400-1000 мм перетягивается в волоконный С. диам. 100 мкм с одновременным нанесением на него защитно-упрочняющей оболочки.

Кроме кварцевого стекла для волоконных С. используют также др. прозрачные в видимой и ИК-областях спектра материалы - многокомпонентные кислородные стёкла, бескислородные стёкла, полимеры и кристаллы. Однако волоконные С. на основе кварцевого стекла обладают наинизшими оптич. потерями и наивысшей механич. прочностью, поэтому они нашли самое широкое применение.

В 1990 в мире произведено св. 5 млн. км волоконных С. для волоконно-оптич. систем связи. В 1988 проложена первая цифровая подводная волоконно-оптич. система связи между Америкой и Европой, а в 1989 - транстихоокеанская волоконно-оптич. система Америка - Гавайские острова - Япония. В кон. 20 в. б. ч. телефонных разговоров на Земле производится по волоконным С.

В 80-90-х гг. разработаны волоконные С., легированные эрбием, перспективные в качестве активной среды в волоконных усилителях, накачиваемых излучением полупроводниковых лазеров. Эрбиевые волоконные усилители работают в спектральной области вблизи 1,55 мкм, совпадающей с областью мин. оптич. потерь совр. С., и являются альтернативой электронным ретрансляторам в широкополосных волоконно-оптич. системах дальней связи.

Для интегральной оптики разработаны диэлектрич. волноводы - С., представляющие собой тонкую (порядка) плёнку, нанесённую на подложку. Условие волноводного режима распространения излучения заключается в том, что показатель преломления плёнки больше показателей преломления подложки и среды над волноводом. Диэлектрич. С. этого типа изготавливают методом катодного распыления материала волновода на подложку, методом эпитаксиального наращивания из жидкой или газообразной фазы, методом ионной имплантации.