Модель световода (светопроводящий стержень)
Как указывалось выше, полное отражение широко используется в волоконной оптике для каналирования световых пучков. Простейшим примером устройства, применяемого для этой цели, является светопроводящий стержень, представляющий собой удлиненную призму (обычно прямоугольного сечения) или цилиндр (кругового сечения) из материала, прозрачного для передаваемого излучения. При определенных условиях свет, поступающий с одного из торцов такого стержня, испытывает полное отражение от внутренней боковой поверхности и распространяется по зигзагообразному пути до другого торца (рис. 8.7).
Рис. 8.7. Многократные полные отражения в светопроводящем стержне.
Для экспериментальной иллюстрации эффекта «удержания» светового пучка за счет многократных полных переотражений используется крупногабаритная модель светопроводящего стержня (световода) из оргстекла, представляющая собой параллелепипед размером 25 х 4 х 4 см3, все грани которого отполированы (рис. 8.8).
Одна из торцевых граней световода (входная) скошена для демонстрации зависимости работоспособности световода от условий ввода излучения. Световод закреплен на оправке, которая позволяет поворачивать плоскость входного торца относительно направления падающего светового пучка. Направив лазерный луч на входной торец световода, можно показать, что при определенных углах падения луч выходит из боковой грани после двукратного преломления на границе раздела оргстекло-воздух. (рис. 8.9а).
Рис. 8.8. Светопроводящий стержень.
Рис. 8.9. Демонстрация работы светопроводящего стержня.
В этом случае световод «не удерживает» световой пучок внутри себя. Однако, изменив угол падения (рис. 8.9б), легко добиться ситуации, когда в результате многократных ПО луч распространяется внутри световода и выходит через второй его торец. При изменении угла падения света на входной грани меняется «пространственный период» зигзагообразной траектории луча (рис. 8.9в), что обусловливает разное время прохождения светом длины световода. Этот очевидный экспериментальный факт (зависимость времени распространения света вдоль оси световода от угла падения на входной торец) можно использовать для качественного объяснения явления так называемой «модовой дисперсии», отрицательно сказывающейся на работе световодов, предназначенных для передачи сигналов (см. п. 8.1.6).
Многожильный световод для передачи изображений
Многочисленные применения световодов в различных областях науки и техники связаны с передачей оптических изображений. Для этих целей тонкие кварцевые или стеклянные световоды объединяются в жгуты, образуя многожильный световод с площадью поперечного сечения 10 – 100 мм2. Учитывая, что площадь поперечного сечения отдельного световода в таком жгуте обычно составляет 10-2 – 10-3 мм2, число этих световодов в жгуте равно 103 – 105, обеспечивая высокую разрешающую способность при передаче изображения.
Рис. 8.10. Демонстрация работы световодного жгута.
Изображение объекта строится на выходном торце световодного жгута либо с помощью короткофокусного объектива (рис. 8.10а), либо путем непосредственного контакта выходного торца с прозрачным объектом (рис. 8.10б). При этом отдельные световоды жгута оказываются освещенными неодинаково в соответствии с распределением интенсивности света в изображении объекта. Это неоднородное распределение интенсивности на входном торце жгута полностью воспроизводится на его выходном торце и визуализируется либо непосредственно глазом, либо с помощью линзы (микроскопа).
Достоинствами такого способа передачи изображения (по сравнению с обычным способ, использующим линзы) являются высокая яркость изображения (обусловленная тем, что световод «захватывает» значительно бóльшую часть света, отраженного объектом) и возможность получения изображения в любом месте пространства (обеспечиваемая гибкостью световодного жгута). Конечно, разрешающая способность таких жгутов, определяемая количеством отдельных световодов, значительно меньше, чем линзовых систем для построения изображений, где определяющим фактором является дифракция на апертуре линзы. Однако указанные выше достоинства делают волконно-оптические способы передачи изображений более эффективными, особенно в медицине (эндоскопы), приборостроении (волоконно-оптические экраны к электронно-лучевым трубкам, электронно-оптическим преобразователям и т. п.), фотографии и кинематографии (копировальные устройства) и других областях техники.
Лекционная демонстрация работы многожильных световодов (световодных жгутов) проводится в два этапа. Сначала исследуется многожильный световод, состоящий из небольшого (16) числа сравнительно толстых световодов. Входной торец такого световода неоднородно освещается лампочкой накаливания, а распределение интенсивности на выходном торце визуализируется с помощью микроскопа и сопряженной с ним телевизионной камеры (рис. 8.11).
Рис. 8.11. Жгут с небольшим числом световодов.
После этого рассмотренный многожильный световод заменяется другим, состоящим из очень большого (~104) числа тонких световодов. Входной торец этого жгута прижимается к слайду, находящемуся на рабочей поверхности кодоскопа, который визуализирует на экране или стене аудитории факт контакта. При этом мультимедиапроектор проецирует изображение соответствующей области слайда, передаваемое многожильным световодом на его выходной торец и воспроизведенное микроскопом и телевизионной камерой. Перемещение входного торца по поверхности слайда вызывает смену изображений, передаваемых мультимедиапроектором, что делает демонстрацию динамичной и эффектной.