Явления, лежащие в основе работы ЭОП

Как известно из курса физики свет имеет двойственную природу: лучевую и волновую. Согласно лучевой теории свет - это поток частиц (фотонов), движущихся со скоростью (С = 3^.10⁸ м/с), которые излучаются отдельными порциями (квантами) и образуют лучи света.

Волновая теория доказывает, что все свойства света совпадают со свойствами электромагнитных (э/м) волн и световые волны - это есть э/м волны, характеризующиеся очень высокой частотой .

В настоящее время для передачи по оптическому волокну используют волны длиной от 0, 85 мкм и выше, т.е. ВОСП работает в области невидимого света, а именно, инфракрасного излучения.

Магнитные и электрические свойства среды, в которой распространяются э/м волны, принято характеризовать относительно магнитной и диэлектрической , проницаемостями. Оптические свойства среды характеризуют показателем преломления:

.

В оптической среде магнитные эффекты ничтожно малы, поэтому можно пренебречь, и:

. (4.1)

Для вакуума п=1, воздуха п» 1,001, для любой другой среды п>1. Используя волновые представления, можно определить и физический смысл показателя преломления. Так, если в среде 1 волна распространяется с фазовой скоростью V₁ а при проникновении в среду 2 - со скоростью V₂, то показатель преломления есть просто отношение этих скоростей [2]:

. (4.2)

При падении оптической волны из вакуума V₁ = С и

.(4.3)

Таким образом, скорость света в любой среде меньше, чем в вакууме или в воздухе.

Источники света (ИС), излучающие сферические э/м волны, могут быть либо точечными, либо протяженными. Точечный источник представляют в виде светящегося шара (сферы), диаметр которого на несколько порядков меньше расстояния до освещаемого объекта. У протяженного ИС его размеры соизмеримы с этим расстоянием. Точечный источник света излучает сферические волны, направление распространения которых можно определить, если провести перпендикуляр к волновому фронту. Эта линия называется лучом (рис. 1).

Таким образом, луч - это лишь геометрическое понятие, с помощью которого можно установить направление распространения световых волн и упростить рассмотрение многих оптических явлений.

Пусть на поверхность двух сред падает луч света (рис. 2).

Тогда появятся отраженный (ON) и преломленный (ОК) световые лучи, причем соблюдаются следующие законы:

- отражения

- преломления (4.4)

(углы отсчитываются относительно перпендикуляра MOM к границе раздела сред).

Как видно из рис.4.2, при некотором критическом значении угла падения , преломленный луч отсутствует, существует лишь

отраженный луч ON'. Это явление называется явлением полного внутреннего отражения. Оно широко используется для передачи света по оптическому волокну.

Физические процессы, имеющие место в узлах ВОСП объясняются, в основном, тремя явлениями: дисперсией, дифракцией и поляризацией э/м волн.

Дисперсия э/м волн объясняется зависимостью параметра , любого вещества, находящегося в э/м поле от частоты колебания f этого поля. Поэтому n=F(f). Таким образом, дисперсией называют зависимость величины показателя преломления от частоты, а следовательно, и от длины волны э/м колебаний: n = F(l).

Дифракцией света называют огибание световыми волнами встречных препятствий, если размеры встреченных препятствий соизмеримы с длиной волны. Так, если на непрозрачный экран (рис.4.3) падает монохроматическая световая волна (изображенная на рисунке в виде луча SO), то при соизмеримых величинах диаметра отверстия и длины волны, кроме луча ОВ, возникают еще лучи ОС и ОД, находящиеся в области геометрической тени.

Угол j называют углом дифракции. Появление лучей ОС и ОД 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 S₁, S₂,, S₃ ... S_n фронта волны АВ (рис. 4.4) является источником новых волн. Принцип Гюйгенса-Френеля говорите том, что все вторичные источники S₁, S_n и т.д., расположенные на поверхности фронта волны когерентны между собой.

В ВОСП широко применяют дифракционные решетки (ДР), которые получаются, если, например, на стеклянную пластинку длиной L нанести алмазом множество штрихов (рис. 5).

ДР характеризуется периодом "d" шириной щели "а" расположенных друг от друга на равных непрозрачных промежутках "в". При освещении ДР монохроматическим источником (рис. 6) согласно принципа Гюйгенса-Френеля каждая щель ДР является источником когерентных волн, которые, интерферируя между собой, образуют на экране главные дифракционные максимумы нулевого S₀ , первого S₁, второго S₂ порядков, удовлетворяющих условию:

m = 0, 1, 2, 3, ... (4.5)

Здесь j - углы дифракции, l - длина волны источника.

При интерференции волн образуются и главные дифракционные минимумы, удовлетворяющие условию:

т = 1,2,3,... (4.6)

Кроме главных, существуют также добавочные дифракционные максимумы и минимумы, удовлетворяющие условию:

m=l,2,3; ¹0

где N - число щелей ДР.

Распределение интенсивности света в зависимости от угла дифракции j определяется из соотношения:

I₀ - интенсивность в главном максимуме нулевого порядка. Пример распределения интенсивности света дан на рис. 7.

Поляризация. Из курса физики известно, что в световой волне три вектора: напряженности электрического поля Е, напряженности магнитного поля Н и скорости распределения волнового фронта V взаимно перпендикулярны и составляют правовинтовую систему (рис. 8), то есть э/м поперечна. Естественный свет есть совокупность таких волн со всеми возможными направлениями колебаний, быстро и беспорядочно сменяющих друг друга.

Напротив, поляризованный свет представляет собой световые волны с одним единственным, то есть упорядоченным направлением колебания (рис. 9). Для получения поляризованного света применяют поляризаторы — устройства, преобразующие естественный свет в поляризованный. Например, кристалл турмалина обладает свойством из всех векторов Е выделять лишь тот, который лежит в плоскости, параллельной оптической оси кристалла. Для обнаружения плоскости, в которой происходят колебания вектора Е поляризованного света применяют анализаторы - устройства, выполненные обычно из того же материала, что и поляризатор. Вращая анализатор относительно поляризатора, можно выделить поляризованную волну по максимуму интенсивности света по закону Малюса:

, (4.7)

где I₀ - интенсивность естественного света,

I - интенсивность поляризованного света, выделенного анализатором, j - угол между плоскостями анализатора и поляризатора.

В качестве поляризатора можно использовать и пластинку из стекла (зеркало). Если на такое зеркало направить луч естественного света, то отраженный луч может быть полностью поляризован. При этом угол падения равен углу Брюстера:

(4.8)

Преломленный луч перпендикулярен отраженному (рис. 10). Заметим, что многие поляризаторы, выполненные из анизотропных материалов, обладают свойствами двулучепреломления (рис. 11).

Как видно из рисунка, на выходе поляризатора возникают два луча:

обыкновенный (О), направление которого совпадает с падающим лучом, и необыкновенный (Н), лежащей в плоскости, параллельной плоскости луча О. Оба луча (О и Н) являются полностью поляризованными. Векторы Е (Н) в них перпендикулярны друг другу.

Таким образом, на выходе из кристалла возникают две световые волны, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях. Эти волны могут иметь разные амплитуды и некоторую разность фаз . Если , п=0, 1, 2, ... , то суммарный вектор электрического поля световых волн колеблется в одной плоскости и такая поляризация называется линейной.

Если , то конец вектора электрического поля описывает поверхность эллиптического цилиндра, поляризация называется эллиптической.

В случаях, когда , эллиптический цилиндр превращается в круговой и поляризацию называют круговой. На рис. 12 показано изменение поляризации света при изменении от 0° до 180°.