6.2. Полное внутреннее отражение

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду при увеличении угла падения направление преломленного луча приближается к границе раздела двух сред (рис. 6.14). К огда угол падения превосходит некоторое предельное значение, падающий на границу раздела свет полностью отражается. Это явление называется полным внутренним отражением. Угол падения, при котором угол преломления равен , называется предельным углом. Согласно (6.1) при переходе луча из оптически более плотной среды с показателем преломления  в оптически менее плотную среду с показателем преломления  ( ) величина предельного угла определится из следующего соотношения:

.

Луч, соответствующий случаю, когда преломленный луч – скользящий, выделен на рис. 6.15 желтым цветом. При углах падения, больших предельного (лучи красного цвета), преломленный световой поток отсутствует, вся переносимая этим лучом энергия остается в отраженном потоке. Для красного луча имеет место явление полного внутреннего отражения.

Рис. 6.16

Рис. 6.17

Рис. 6.18

На рис. 6.16–6.18 рассмотрено преломление светового луча на границе раздела алмаз-воздух. Если угол падения меньше предельного, мы имеем и отраженный, и преломленный луч (рис. 6.16). Предельный угол равен , в этом случае преломленный луч скользит по границе раздела (рис. 6.17). Если угол падения больше критического, преломленный луч отсутствует (рис. 6.18).

Во многих приборах, например, в биноклях, полное внутреннее отражение используется при отражении света в призмах. Преимущество состоит в том, что при этом отражается почти 100 % света, и изображение получается более ярким.

Если нырнуть под воду и посмотреть вверх, то можно пронаблюдать явление полного внутреннего отражения: на зеркальной поверхности воды будет видно круглое отверстие, выделяющее область углов падения, меньших предельного. За пределами этого круга ныряльщик увидит отражение берега и дна водоема.

Явление полного внутреннего отражения широко используется в технике. На этом явлении основано применение гибких оптических волокон, по которым проходят световые лучи, многократно отражаясь от стенок.

Световоды. На рубеже тысячелетий произошли серьезные качественные изменения уровня информационной среды общества. Уже привычным событием стали видеоконференции, собирающие участников из самых удаленных уголков. Реальностью стало и «виртуальное» медицинское обслуживание удаленных районов через специализированный интерфейс. Можно назвать и множество других примет информатизации во всех сферах деятельности человека. Решение проблемы информатизации общества требует создания сетей связи и передачи данных, покрывающих всю Землю. В этот процесс будут вовлечены все известные средства связи: космические, наземные, сотовые, кабельные. Опорной частью системы связи станут волоконно-оптические линии. Уже прокладываются межрегиональные и межконтинентальные магистральные каналы. Северная Америка, Западная Европа, Япония и другие развитые регионы уже покрыты густой волоконно-оптической сетью. В России ведется строительство Транссибирского канала, который станет важной частью мировой системы.

Каковы же достоинства оптоволоконных каналов по сравнению с другими средствами связи?

Главное отличие заключается в существенной разнице несущих электромагнитных частот. Радиотехника в настоящее время только приблизилась к освоению миллиметрового диапазона ультравысоких радиочастот, но даже они в десятки тысяч раз ниже частот оптического диапазона. Соответственно и их способность переносить большие массивы информации ниже, в сравнении с оптикой.

Для изготовления проводных линий, коаксиальных кабелей необходимы дорогие и дефицитные материалы, например, медь. Окислы кремния, требующиеся для изготовления стекловолокна – самые распространенные на Земле вещества. Волокна из прозрачных пластиков также почти не нуждаются в редких материалах. Таким образом, источники сырья для производства оптоволокна практически неограниченны. Уже сейчас удельная стоимость оптического кабеля на бит передаваемой информации на порядок меньше стоимости электрического.

Материалы оптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны. Кроме того, масса оптических кабелей в пересчете на единицу передаваемой информации на много порядков меньше массы других электрических кабелей.

Волоконно-оптические кабели не восприимчивы к помехам со стороны электромагнитных полей радиодиапазонов, и сами не создают таких помех. Кроме того, они электробезопасны, поскольку переносимые в них мощности очень малы.

При практически неограниченной полосе пропускания волоконно-оптические каналы имеют низкий коэффициент потерь энергии.

Строгая теория распространения сигналов по оптоволоконным линиям достаточно сложна. Однако простую и наглядную описательную модель световодов может дать геометрическая оптика.

Конструкция оптического волокна проста. Сердечник из оптически плотного материала окружен оболочкой с меньшим показателем преломления, и все это покрыто защитной оболочкой (рис. 6.19). Размеры конструктивных элементов на рис. 6.19 условны. Сердечник и его оболочка являются световодом. Защитная оболочка просто защищает световод от повреждений.

Направим световой пучок в один торец сердечника под таким углом, чтобы он после преломления на границе воздух-сердечник попал на границу раздела двух стеклянных слоев под углом, большим предельного угла. После отражения от первой границы луч под тем же углом упадет на вторую границу и вновь отразится под этим же углом. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока луч не покинет световод (рис. 6.20). Заметим, что через боковую поверхность сердечника свет почти не выходит, поэтому потери при полном внутреннем отражении весьма малы, и длина световода, которую сможет пройти луч, не испытывая затухания, будет велика.

Согласно геометрической оптике в волокне может распространяться целый пучок лучей с любыми углами скольжения (угол скольжения – угол между направлением луча и осью волокна), лежащими в пределах . В действительности же разрешенным для волокна является только дискретный набор частот. Условия их отбора определяются только в рамках волновой концепции.

Рис. 6.21. Оптоволоконные кабели

Оптоволоконный кабель состоит из сотен и тысяч оптических волокон, тонких, как человеческий волос. Волокна собираются в жгуты (рис. 6.21). При этом по каждому из волокон передаётся какая-нибудь информация. По такому кабелю, толщиной в обычный карандаш, можно одновременно передавать огромное количество информации.

Волоконно-оптические технологии уже несколько десятилетий применяются в освещении. Они позволяют легко и элегантно решать сотни технических проблем, возникающих при разработке световых проектов, а во многих случаях вообще являются единственно возможным решением.

Оптоволоконные технологии освещения позволяют «загнать» свет внутрь гибкого световода, провести его сквозь стены, через землю и воду, огибая углы и обходя препятствия. Два световода можно закинуть в любое малодоступое место организма. С помощью одного световода освещают нужный объект, посредством другого передают его изображение в фотокамеру или глаз. Например, опуская световоды в желудок, медикам удаётся получить прекрасное изображение интересующей их области, несмотря на то, что световоды приходится перекручивать и изгибать самым причудливым образом.

В военном деле, на подводных лодках широко используются перископы. Перископ – прибор для наблюдения из укрытия. Простейшая форма перископа – труба, на обоих концах которой закреплены зеркала, наклоненные под углом 45° к оси трубы, для изменения хода световых лучей. В более сложных вариантах для отклонения лучей вместо зеркал используются призмы, а получаемое наблюдателем изображение увеличивается с помощью системы линз. Луч света полностью отражается и попадает в глаз наблюдателя.

Рис. 6.22. Цифровой перископ

В современных перископах традиционный оптический канал заменён видеокамерами высокого разрешения и оптоволоконной связью. Информация с камер наружного наблюдения передается в режиме реального времени на широкоформатный дисплей в центральном посту.

Рис. 6.23. Вид в цифровой перископ

Новая модель полностью меняет складывавшуюся десятилетиями практику работы с перископом. Теперь вахтенный офицер работает с установленными на штанге камерами, регулируя отображение на дисплее с помощью джойстика и клавиатуры (рис. 6.22). Помимо дисплея в центральном посту изображение с перископа может выводиться на сколь угодно большое число дисплеев в любых помещениях лодки. Камеры дают возможность наблюдать одновременно за разными секторами горизонта, что значительно повышает скорость реакции вахты на изменения тактической обстановки на поверхности (рис. 6.23).

Рис. 6.24

Красивое зрелище представляет собой фонтан, у которого выбрасываемые струи освещаются изнутри (рис. 6.24). Объяснение этого явления довольно простое. Луч света проходит вдоль струи воды и попадает на изогнутую поверхность под углом, большим предельного, испытывает полное внутреннее отражение, а затем опять попадает на противоположную сторону струи под углом опять больше предельного. Так луч проходит вдоль струи, изгибаясь вместе с ней. Но если бы свет полностью отражался внутри струи, то она не была бы видна извне. Часть света рассеивается водой, пузырьками воздуха и различными примесями, имеющимися в ней, а также вследствие неровностей поверхности струи, поэтому она видна снаружи.

Это интересно

Алмазы и самоцветы

Миражи

Алмазы и самоцветы

В Кремле существует выставка Алмазного фонда России. В зале свет слегка приглушен. В витринах сверкают удивительные и неповторимые творения ювелиров.

Секрет причудливой игры света в алмазах заключается в том, что этот камень имеет высокий показатель преломления (n = 2,4173) и, следовательно, малый предельный угол. Кроме того, алмаз обладает большой дисперсией, вызывающей разложение белого света на цветные составляющие.

Игра света в алмазе зависит от правильности его огранки. Грани алмаза многократно отражают свет внутри кристалла. Вследствие большой прозрачности алмазов высокого класса свет внутри них почти не теряет своей энергии, а только разлагается на простые цвета, лучи которых затем вырываются наружу в различных, самых неожиданных направлениях. При повороте камня меняются цвета, исходящие из камня, и кажется, что сам он является источником многих ярких разноцветных лучей.

Если смотреть сквозь хорошо ограненный прозрачный бриллиант на свет, то камень кажется совершенно непрозрачным, а некоторые его грани выглядят просто черными. Это происходит потому, что свет, претерпевая полное внутреннее отражение, выходит в обратном направлении или в стороны.

Другие драгоценные камни в большинстве случаев являются кристаллами окиси алюминия с примесью окислов окрашивающих элементов – хрома (рубин), меди (изумруд), марганца (аметист). Они также обладают красивой окраской и «игрой света».