1.2. Сведения из оптики

1.2.1. Явления, лежащие в основе работы эоп

Как известно из курса физики свет имеет двойственную природу: лучевую и волновую. Согласно лучевой теории свет - это поток частиц (фотонов), движущихся со скоростью (С = 3^.10⁸ м/с), которые излучаются отдельными порциями (квантами) и образуют лучи света.

Волновая теория доказывает, что все свойства света совпадают со свойствами электромагнитных (э/м) волн и световые волны - это есть э/м волны, характеризующиеся очень высокой частотой .

В настоящее время для передачи по оптическому волокну используют волны длиной от 0, 85 мкм и выше, т.е. ВОСП работает в области невидимого света, а именно, инфракрасного излучения.

Магнитные и электрические свойства среды, в которой распространяются э/м волны, принято характеризовать относительно магнитной и диэлектрической , проницаемостями. Оптические свойства среды характеризуют показателем преломления:

.

В оптической среде магнитные эффекты ничтожно малы, поэтому можно пренебречь, и:

. (4.1)

Для вакуума п=1, воздуха п 1,001, для любой другой среды п>1. Используя волновые представления, можно определить и физический смысл показателя преломления. Так, если в среде 1 волна распространяется с фазовой скоростью V₁ а при проникновении в среду 2 - со скоростью V₂, то показатель преломления есть просто отношение этих скоростей [2]:

. (4.2)

При падении оптической волны из вакуума V₁ = С и

. (4.3)

Таким образом, скорость света в любой среде меньше, чем в вакууме или в воздухе.

Источники света (ИС), излучающие сферические э/м волны, могут быть либо точечными, либо протяженными. Точечный источник представляют в виде светящегося шара (сферы), диаметр которого на несколько порядков меньше расстояния до освещаемого объекта. У протяженного ИС его размеры соизмеримы с этим расстоянием. Точечный источник света излучает сферические волны, направление распространения которых можно определить, если провести перпендикуляр к волновому фронту. Эта линия называется лучом (рис. 1).

Таким образом, луч - это лишь геометрическое понятие, с помощью которого можно установить направление распространения световых волн и упростить рассмотрение многих оптических явлений.

Пусть на поверхность двух сред падает луч света (рис. 2).

Тогда появятся отраженный (ON) и преломленный (ОК) световые лучи, причем соблюдаются следующие законы:

- отражения

- преломления (4.4)

(углы отсчитываются относительно перпендикуляра MOM к границе раздела сред).

Как видно из рис.4.2, при некотором критическом значении угла падения , преломленный луч отсутствует, существует лишь

отраженный луч ON'. Это явление называется явлением полного внутреннего отражения. Оно широко используется для передачи света по оптическому волокну.

Физические процессы, имеющие место в узлах ВОСП объясняются, в основном, тремя явлениями: дисперсией, дифракцией и поляризацией э/м волн.

Дисперсия э/м волн объясняется зависимостью параметра , любого вещества, находящегося в э/м поле от частоты колебания f этого поля. Поэтому n=F(f). Таким образом, дисперсией называют зависимость величины показателя преломления от частоты, а следовательно, и от длины волны э/м колебаний: n = F().

Д ифракцией света называют огибание световыми волнами встречных препятствий, если размеры встреченных препятствий соизмеримы с длиной волны. Так, если на непрозрачный экран (рис.4.3) падает монохроматическая световая волна (изображенная на рисунке в виде луча SO), то при соизмеримых величинах диаметра отверстия и длины волны, кроме луча ОВ, возникают еще лучи ОС и ОД, находящиеся в области геометрической тени.

Угол  называют углом дифракции. Появление лучей ОС и ОД указывает, что при дифракции нарушаются законы геометрической оптики. Эффекты, возникающие в результате дифракции, объясняются двумя основными принципами: Гюйгенса и Гюйгенса-Френеля. Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка S₁, S₂,, S₃ ... S_n фронта волны АВ (рис. 4.4) является источником новых волн. Принцип Гюйгенса-Френеля говорите том, что все вторичные источники S₁, S_n и т.д., расположенные на поверхности фронта волны когерентны между собой.

В ВОСП широко применяют дифракционные решетки (ДР), которые получаются, если, например, на стеклянную пластинку длиной L нанести алмазом множество штрихов (рис. 5).

Д Р характеризуется периодом "d" шириной щели "а" расположенных друг от друга на равных непрозрачных промежутках "в". При освещении ДР монохроматическим источником (рис. 6) согласно принципа Гюйгенса-Френеля каждая щель ДР является источником когерентных волн, которые, интерферируя между собой, образуют на экране главные дифракционные максимумы нулевого S₀ , первого S₁, второго S₂ порядков, удовлетворяющих условию:

m = 0, 1, 2, 3, ... (4.5)

Здесь  - углы дифракции,  - длина волны источника.

При интерференции волн образуются и главные дифракционные минимумы, удовлетворяющие условию:

т = 1,2,3,... (4.6)

Кроме главных, существуют также добавочные дифракционные максимумы и минимумы, удовлетворяющие условию:

m=l,2,3; 0

где N - число щелей ДР.

Распределение интенсивности света в зависимости от угла дифракции  определяется из соотношения:

I₀ - интенсивность в главном максимуме нулевого порядка. Пример распределения интенсивности света дан на рис. 7.

Поляризация. Из курса физики известно, что в световой волне три вектора: напряженности электрического поля Е, напряженности магнитного поля Н и скорости распределения волнового фронта V взаимно перпендикулярны и составляют правовинтовую систему (рис. 8), то есть э/м поперечна. Естественный свет есть совокупность таких волн со всеми возможными направлениями колебаний, быстро и беспорядочно сменяющих друг друга.

Н

Напротив, поляризованный свет представляет собой световые волны с одним единственным, то есть упорядоченным направлением колебания (рис. 9). Для получения поляризованного света применяют поляризаторы — устройства, преобразующие естественный свет в поляризованный. Например, кристалл турмалина обладает свойством из всех векторов Е выделять лишь тот, который лежит в плоскости, параллельной оптической оси кристалла. Для обнаружения плоскости, в которой происходят колебания вектора Е поляризованного света применяют анализаторы - устройства, выполненные обычно из того же материала, что и поляризатор. Вращая анализатор относительно поляризатора, можно выделить поляризованную волну по максимуму интенсивности света по закону Малюса:

, (4.7)

где I₀ - интенсивность естественного света,

I - интенсивность поляризованного света, выделенного анализатором,  - угол между плоскостями анализатора и поляризатора.

В качестве поляризатора можно использовать и пластинку из стекла (зеркало). Если на такое зеркало направить луч естественного света, то отраженный луч может быть полностью поляризован. При этом угол падения равен углу Брюстера:

(4.8)

Преломленный луч перпендикулярен отраженному (рис. 10). Заметим, что многие поляризаторы, выполненные из анизотропных материалов, обладают свойствами двулучепреломления (рис. 11).

Как видно из рисунка, на выходе поляризатора возникают два луча:

обыкновенный (О), направление которого совпадает с падающим лучом, и необыкновенный (Н), лежащей в плоскости, параллельной плоскости луча О. Оба луча (О и Н) являются полностью поляризованными. Векторы Е (Н) в них перпендикулярны друг другу.

Таким образом, на выходе из кристалла возникают две световые волны, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях. Эти волны могут иметь разные амплитуды и некоторую разность фаз . Если , п=0, 1, 2, ... , то суммарный вектор электрического поля световых волн колеблется в одной плоскости и такая поляризация называется линейной.

Если , то конец вектора электрического поля описывает поверхность эллиптического цилиндра, поляризация называется эллиптической.

В случаях, когда , эллиптический цилиндр превращается в круговой и поляризацию называют круговой. На рис. 12 показано изменение поляризации света при изменении от 0° до 180°.