Рис. 38. Отражение и преломление света на границе двух прозрачных сред

РАЗВЕ СТЕКЛО — НЕ ИДЕАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВЕТОВОДА?

При использовании первых стеклянных световодов возникали серьезные трудности, связанные с недостаточной прозрачностью стекла.

Действительно, стоит посмотреть в торец обычного оконного стекла, чтобы убедиться в его непрозрачности, обусловленной примесями малых количеств железа и меди в стекле.

В состав даже самых чистых стекол, изготовляемых для астрономических и фотографических объектов, всегда входят заметные количества окрашиваемых примесей.

ИТАК, СВЕТ ПОПАЛ В ВОЛНОВОД…

Излучение, распространяющееся по волноводу, удобно представлять в виде совокупности парциальных волн, называемых модами.

Каждая мода удовлетворяет уравнениям электродинамики, полученным Максвеллом, и некоторым граничным условиям, связанным с геометрией и оптическими характеристиками волновода.

В волноводе полное число мод

N = 2πS/λ²

где S — площадь поперечного сечения волновода, а λ — длина волны излучения.

Как следует из приведенного соотношения, с уменьшением λ число мод быстро возрастает, а для уменьшения этого числа можно воспользоваться двумя путями. Во-первых, создать такие условия, чтобы значительная часть мод быстро затухала с расстоянием. Во-вторых, использовать волноводы с малой площадью поперечного сечения S. Такие одномодовые волноводы в оптическом диапазоне должны иметь диаметр порядка микрометров. Второй путь представляется наиболее привлекательным, так как практика как раз требует использования волноводов с малым поперечным сечением.

Однако волноводы с малым поперечным сечением пропустят и небольшую световую мощность. Использование большого числа тонких волноводов, скомпонованных в многожильный жгут, решает проблему сохранения мощности излучения.

Мы остановимся подробнее лишь на одном типе волокон — диэлектрическом — как наиболее перспективном виде оптических волноводов.

ОХАРАКТЕРИЗУЙТЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ

Диэлектрические волноводы получили широкое распространение. Их выполняют в виде пленок, стержней, толстых и тонких нитей (волокон) из прозрачного диэлектрика. На рис. 39 показано оптическое волокно в разрезе.

Рис. 39. Оптическое волокно в разрезе

Здесь 1 — сердцевина волокна диаметром d₁ и показателем преломления n₁, 2 — оболочка волокна (наружный диаметр d₂, показатель преломления n₂). Сердцевину волокна обычно изготовляют из высокопреломляющих тяжелых флинтов, тогда как для оболочки используют легкие кроны.

Показатели преломления n₁ и n₂ должны удовлетворять условию

n₁ > n₂

Диаметр сердцевины может в широком интервале: от миллиметров до микрометров.

Направляющие свойства оптических волокон обусловлены, как мы уже установили ранее, полным отражением света от поверхности, разграничивающей сердцевину волокна и его оболочку.

Если d₁ >> λ, то волокно называют толстым, а при d₁ ~< λ — тонким.

Волокна могут быть собраны в жгуты, в которых содержится 10⁶ и более отдельных волокон. При плотной упаковке волокон в жгуте возможно просачивание световой энергии из одного волокна в другое. Хотя этому препятствует оболочка волокна, но более надежно предохраняют от просачивания света наносимые на волокна специальные покрытия.

ЧЕМ РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ТОЛСТОМ ВОЛОКНЕ ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В ТОНКОМ ВОЛОКНЕ?

Распространение света в толстом волокне подчиняется законам геометрической оптики. Для простоты будем рассматривать световые лучи, которые распространяются в диаметральных плоскостях, пересекая ось волокна (меридиональные лучи). На рис. 40 изображен один из меридиональных лучей, падающих на границу между сердцевиной и оболочкой волокна под предельным углом полного отражения α₂. Угол α, под которым луч падает из внешней среды на торец волокна, носит название максимального угла падения входного луча.

Рис. 40. Распространение света в толстом волокне

Если I₀ и I₁ — интенсивности соответственно входящего и выходящего из волокна световых потоков, то Т = I₁/I₀ называют светопропусканием волокна. Оно зависит от ряда факторов: степени прозрачности сердцевины, волокна и оболочки, отражающей способности поверхности раздела сердцевины и оболочки, потерь отраженного света на торцах волокон. Результаты, полученные для светопропускания и других характеристик прямого волокна, оказываются справедливыми и для изогнутого волокна, если его радиус изгиба R удовлетворяет эмпирическому условию R/d₁ > 60. Элемент, такого изогнутого световода представлен на рис. 41.

Рис. 41. Передача изображения в световоде

Исследуя распространение света в случае тонких волокон, уже необходимо использовать представления волновой оптики и рассматривать картину распространения по волокну различных мод. Для достаточно тонких волокон (d₁ ~= λ) в соответствии с ранее приведенным выражением для N может быть реализован одномодовый режим. Условие осуществления одномодового режима может быть представлено в виде

Следовательно, для получения одномодового режима необходимо уменьшить не только диаметр волокна, но и разницу в показателях преломления сердцевины и оболочки.

Следует отметить существенное различие в распространении света в тонких и толстых волокнах. Так как при полном отражении интенсивность светового поля в среде с меньшей оптической плотностью не равна нулю и уменьшается по мере удаления от границы раздела, но в тонком волокне часть световой мощности распространяется не по сердцевине, а по оболочке. И в тонких волокнах в отличие от толстых доля световой мощности, распространяющейся в оболочке, весьма существенна.

Если в толстых волокнах светопропускание определялось прозрачностью в основном сердцевины волокна, то в тонких волокнах более важную роль играют свойства оболочки волокна.

ГДЕ ПРИМЕНЯЮТ ОПТИЧЕСКИЕ СВЕТОВОДЫ?

За короткое время, прошедшее после создания первых образцов световодов, проблема из научной перешла в техническую. Началась разработка световодных кабелей и аппаратуры (источников и приемников излучения и др.), которые удовлетворяли бы практическим целям передачи информации на значительные расстояния. Появились и так называемые активные волокна, способные усиливать проходящее через них излучение.

Как звуковая волна в переговорной трубке или трубе духового музыкального инструмента от источника его возникновения передается к слушателю, так и свет бежит по световоду, неся информацию либо в виде изображения тех или иных объектов, либо закодированную цифровую информацию.