Сведения из оптики
Физические процессы, имеющие место в узлах волоконно-оптических систем передачи объясняются, в основном, тремя явлениями: дисперсией, дифракцией и поляризацией электромагнитных волн
Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала, которые приводят к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ
Дисперсия возникает из-за некогерентности источников излучения и существования большого количества мод, поэтому причинами дисперсии в оптоволокне принято считать:
различия скоростей распространения световых мод, образующих межмодовую дисперсию (τмод);
направляющие свойства оптического волновода, образующие волноводную дисперсию (τв),
свойства материала оптоволокна, создающие материальную дисперсию (τм),
различие скоростей распространения двух взаимно перпендикулярных составляющих моды, образующие поляризационно-модовую дисперсию (τПМД).
Дифракцией света называют огибание световыми волнами встречных препятствий, если размеры встречных препятствий соизмеримы с длиной волны. Так если на непрозрачный экран (рисунок 5.1) падает монохроматическая волна (луч SO), то при соизмеримых величинах диаметра отверстия и длины волны, кроме луча ОВ, возникают лучи ОС и OD находящиеся в области геометрической тени. Угол φ называют углом дифракции.
Рисунок 5.1
Появление лучей
ОС и OD
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
фронта волны АВ (рисунок 5.2) являются
источником новых волн.
Рисунок 5.2
Принцип
Гюйгенса-Френеля говорит о том, что все
вторичные источники
расположенные на поверхности фронта
волны когерентны (постоянные во времени)
между собой. В ВОСП широко применяются
дифракционные решетки (ДР), которые
получаются, если, например, на стеклянную
пластину длиной L
нанести алмазом множество штрихов
(рисунок 5.3).
Рисунок 5.3
ДР характеризуется
периодом d
шириной щелей a
расположенных друг от друга на равных
непрозрачных промежутках b.
При освещении ДР монохроматическим
источником (рисунок 5.4) согласно принципа
Гюйгенса-Френеля каждая щель ДР является
источником когерентных волн, которые
интерферируя между собой, образуют на
экране главные дифракционные максимумы
нулевого S0,
первого
,
второго
и так далее порядков, удовлетворяющих
условию:
,
m=0,
1, 2, 3, …
где φ – углы дифракции,
λ – длина волны источника.
Рисунок 5.4
При интерференции образуется и главные дифракционные минимумы, удовлетворяющие условию:
,
m=1,
2, 3, …, m
0.
Кроме главных, существуют также добавочные дифракционные максимумы и минимумы, удовлетворяющие условию:
,
m=1,
2, 3, …, m
0,
где N – число щелей ДР.
Поляризация света. Свет – это электромагнитные волны, излучаемые возбужденными атомами или молекулами вещества. В электромагнитной волне периодически изменяется напряженность электрического поля и напряженность магнитного поля. Вектор Е и Н, а так же вектор скорости, всегда взаимно перпендикулярны в электромагнитной волне, образуя правовинтовую систему. Так как взаимная ориентация векторов Е и Н не изменится, то можно описывать только один из этих векторов. Обычно выбирают вектор Е, так как основной характеристикой световой волны является электрический вектор Е, его называют световым вектором. Плоскость, в которой колеблется световой вектор, называется плоскостью колебания светового вектора или плоскостью поляризации. Эта плоскость проходит через направление распространения света. Зная направление светового луча и направление светового вектора, можно всегда определить направление колебания вектора Н.
Почти все источники света, представляющие собой совокупность большого количества независимых друг от друга излучателей (атомов и молекул), излучают естественный свет. Возможны случаи частично поляризованного света, при котором имеется преимущественное (но не единственное) направление колебания светового вектора. На рисунке 5.5 изображены случаи колебания вектора Е в плоскости перпендикулярной лучу: a – естественный свет, б – частичнополяризованный свет, в – плоскополяризованный свет.
Рисунок 5.5
Если направление колебания светового вектора сохраняется с течением времени в одной плоскости, волна называется плоскополяризованной.
Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков (например, на поверхности стеклянной пластины) отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными.
В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (на рисунке 5.6 эти колебания обозначены точками). В преломленном луче преобладают колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке 5.6 они изображены двусторонними стрелками).
Рисунок 5.6
Степень поляризации зависит от угла падения. Если тангенс угла падения равен относительному показателю преломления, то преломленный луч может быть полностью поляризован в плоскости, совпадающей с плоскостью падения (рисунок 5.7), то есть
Рисунок 5.7
Это соотношение
носит название закона Брюстера, а угол
называют углом Брюстера. Степень
поляризации преломленного луча можно
увеличить, если заставить луч многократно
преломляться при условии падения под
углом Брюстера. Например, если для стекла
с n=1.53
степень поляризации преломленного луча
не превышает 15%, но после прохождения
стопы из 8
10
наложенных друг на друга стеклянных
пластин вышедший свет будет полностью
поляризован. Такой поляризатор называется
стопой Столетова.
В анизотропных средах скорость света, а следовательно, и показатель преломления, зависит от ориентации светового вектора. Поэтому световой луч, проходя через анизотропные среды (такие, как исландский шпат, турмалин) расщепляется на два луча. Один луч называется обыкновенный ( о – луч, от латинского ordinary), другой – необыкновенный (e – луч, от латинского extraordinary).
Это явление называется двойным лучепреломлением (рисунок 5.8) и наблюдается даже при нормальном падении света (5.8б).
Рисунок 5.8
В кристалле имеется направление, вдоль которого скорости о- и е- лучей совпадают и, следовательно, не происходит двойное лучепреломление. Это направление называется оптической осью. Если кристалл не поглощает свет, то интенсивность падающего естественного света делится поровну между о- и е- лучами.
Плоскость, проходящая через световой луч и оптическую ось, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла (или поляризатора).
Оба луча, вышедшие из кристалла, полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: в е-луче плоскость колебания вектора Е происходит в плоскости чертежа, плоскость колебания светового вектора Е в о-луче перпендикулярна плоскости чертежа.
Двойное лучепреломление можно использовать для получения поляризованного света.
Контрольные вопросы:
- Чем определяется расширение оптических импульсов распределяющихся в световоде?
- Почему свет может быть поляризован?
- На каких принципах основана дифракция света?