Контрольные вопросы

1. Какое физическое явление положено в основу принципа действия волоконных световодов?

2. Почему волоконный световод состоит из двух основных компонентов?

3. Что такое угол полного внутреннего отражения и от чего он зависит?

4. Почему показатель преломления сердечника должен быть больше показателя преломления оболочки?

5. Как объяснить принцип действия световодов с позиций волновой теории света?

 

4. Характеристики направляемых лучей

Для характеристики направляемого луча с точки зрения геометрической оптики необходимо определить траекторию его распространения, которая для ступенчатого волокна может быть меридианной, пересекающей ось волокна между точками отражений, либо косой, не пересекающей ось. В зависимости от данных траекторий следует различать меридианные и косые световые лучи.

Если точечный источник излучения расположен по оси световода, то имеются только меридианные лучи. Если же точечный источник расположен вне оси световода или имеется сложный источник, то появляются одновременно как меридианные, так и косые лучи.

Таким образом, меридианные лучи характеризуются углом падения, образованным лучом и нормалью к оси волокна. Между соседними точками отражений данные лучи распространяются по прямой линии, а направление луча после отражения определяется законом Снеллиуса. В результате траектория меридианного луча лежит в плоскости, проходящей через оптическую ось волокна, и имеет зигзагообразный вид (рис. 6).

 

 Рис. 6. Лучи в световоде: 1 – меридианные; 2 – косые

Косые лучи распространяются по спиралеобразной траектории, проекция которой на поперечное сечение волокна имеет вид правильного незамкнутого треугольника. Поэтому для определения косого луча кроме угла падения j_1к необходимо знать второй угол, который характеризует скос луча и определяется как угол в плоскости сечения сердечника между касательной к границе раздела и проекцией траектории луча j_2к.

Для характеристики меридианных лучей, направляемых под углом j_1м к нормали, обычно вводятся следующие параметры (рис. 7).

 

 Рис. 7. К определению характеристик направляемых лучей

 1. Длина пути, определяемая расстоянием между двумя последовательными отражениями,

.

2. Оптическая длина пути, определяемая для однородной среды выражением

.

 3. Полупериод траектории луча, представляющий собой расстояние между точками двух последовательных отражений вдоль оси волокна,

  .

 4. Число отражений на единицу длины среды распространения

  .

  При описании траектории распространяемого в волокне косого луча, представляющего собой луч со спиральной траекторией, лучевые параметры для косых траекторий принимают следующий вид.

1. Длина пути, определяемая расстоянием между двумя последовательными отражениями,

.

2. Оптическая длина пути, определяемая для однородной среды выражением

.

3. Число отражений на единицу длины среды распространения

  .

 Время прохождения меридианного и косого лучей по световоду одинаковое и находится по формуле .

Учитывая, что скорость света для среды с показателем преломления n₁ определяется как , получим

.

Для световода произвольной длины время

  .

 Таким образом, углы падения для обоих лучей не соответствуют друг другу ( ). Отсюда следует важный вывод, что условие для меридианных лучей и условие для косых лучей будут отличаться. Кроме того, время прохождения луча не зависит от угла скоса, а определяется только значением угла падения на границу раздела сердечник–оболочка волокна.