5 Волоконная оптика

5.1 Применение оптических волокон

Идея волоконно-оптической связи была сформулирована достаточно давно Хондорсом и Дебаем, которые рассматривали распространение радиоволн в диэлектрических волноводах. Капани полвека спустя, применил эту идею для передачи изображений в оптическом диапазоне волн по жгутам оптических волокон. Большое число работ по использованию жгутов оптических волокон для передачи изображений, выполненных в 1960 - 1970 г., нашли свое применение в приборостроении. Данный метод передачи информации находит применение при передаче и усилении изображений, кодирование и декодирование двухмерных оптических сигналов, наблюдение в скрытых объемах и полостях (так называемая “эндоскопия”), в системах связи. В последнее время в волоконной оптике наметилась новая тенденция, одним из отражений которой стало появление нового поколения приборов. К новому поколению приборов, о котором идет речь, относятся, прежде всего, приборы и компоненты разнообразного назначения, в которых оптическое волокно является неотъемлемой частью конструкции. Часть устройств этого типа (разъемы, ответвители) уже сейчас являются необходимыми атрибутами ВОСП. Однако в перспективе наибольший интерес представляют приборы для ввода, управления и вывода информации из оптической системы, т.е. функциональные волоконно-оптические устройства.

Наибольшее развития среди волоконно-оптических приборов получили датчики физических величин, позволяющие преобразовать значения характеристик измеряемого физического поля (таких как напряженность поля, индукция, частота, направление распространения). Наиболее разработаны в настоящее время ВОД для измерения акустических полей - микрофоны, гидрофоны и волоконно-оптические гироскопы. Интенсивно разрабатываются датчики температур, электрического и магнитного полей, линейного перемещения и ускорения, химического состава, уровня жидкости, радиоактивного излучения и т.д.

Другой областью, где применение оптических кабелей позволило достичь впечатляющих результатов в создании и усовершенствовании локальных сетей, является судостроение. В автоматизированных системах управления промышленным производством и научным экспериментом, особенно в условиях повышенной взрывоопасности и воздействия химических веществ и т.д. применение волоконно - оптических локальных сетей сбора информации особенно эффективно в сочетании с ВОД.

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ПРЕЛОМЛЕНИИ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕД. ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕ ОТРАЖЕНИЕ

Из элементарной оптики известно, что когда луч света распространяется в прозрачной среде с показателем преломления n₁, а затем попадает на границу, отделяющую эту среду от другой, имеющей показатель преломления n₂ (n₂ n₁), большая часть энергии, переносимая лучом, будет передаваться во вторую среду. Это явление называется рефракцией или преломлением (рис 5.1.а). В то же время небольшая часть энергии отражается от границы обратно в первую среду (здесь можно предположить, что обе среды не поглощают свет). Углы падения ₁ и преломления ₂ связаны соотношением, известным как закон Снеллиуса:

n_ Sin₁ = n₂ Sin₂ (5.1)

где ₁ всегда меньше ₂, если n₁  n₂, и наоборот.

Чем больше ₁, тем больше становится ₂, пока наконец не наступит момент, когда ₂ = 90, т.е. преломленный луч скользит вдоль границы раздела (рис.5.1.б). Угол падения при котором ₂ = 90, называется критическим углом падения _с (_с = arcsin n₂/n₁).

Если ₁ и дальше продолжает расти и становится больше _с, то вся энергия, содержащаяся в падающем луче, отражается обратно в первую среду. Это явление называемое полным внутренним отражением, и было использовано при создании оптических волокон с так называемым ступенчатым профилем показателя преломления, в которых происходит волноводное распространение света.

Рисунок 5.1 – Отражение и преломление на диэлектрической границе раздела:

а – в докритическом режиме;

б - при критическом угле падения