"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Оптическое волокно — тонкая гибкая нить, которая передаёт свет и сигналы на значительное расстояние. Свет движется главным образом внутри сердцевины, а окружающая её оболочка помогает удерживать его благодаря полному внутреннему отражению. На границе этих частей луч многократно отражается и продвигается вдоль нити. Волокно можно изгибать, но слишком резкий поворот способен ослабить сигнал. Такой способ передачи света используют в связи и медицинских приборах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оптическое волокно — тонкая гибкая нить, по которой свет передаётся на значительное расстояние. Оно направляет свет туда, куда проложена нить, даже если путь не прямой. Поэтому с его помощью можно передавать световые сигналы между удалёнными точками.
Световод — устройство, направляющее свет вдоль заданного пути. Оптическое волокно является световодом: его задача не просто пропускать свет, а вести его по тонкому каналу. Это позволяет доставить свет туда, куда прямой луч не попадёт.
Полное внутреннее отражение — отражение света от границы двух сред без выхода во вторую среду. Оно происходит, когда свет идёт из оптически более плотной среды в менее плотную и угол падения достаточно велик. Это явление объясняет, как луч может оставаться внутри волокна.
Сердцевина — внутренняя часть волокна, по которой распространяется свет, а оболочка — окружающий её слой с другими оптическими свойствами. Их граница нужна для отражения луча внутрь. Сердцевина проводит свет, оболочка помогает не дать ему рассеяться.
В центре оптического волокна находится светопроводящая сердцевина, а вокруг неё — оболочка. Снаружи волокно часто защищено дополнительными слоями, которые предохраняют его от повреждений. Защитное покрытие не ведёт свет по волокну: для этого служат сердцевина и окружающая её оболочка. Такое устройство сочетает передачу света с механической прочностью нити.
Сердцевина и оболочка должны по-разному преломлять свет, то есть иметь разные оптические свойства. Обычно сердцевина оптически плотнее оболочки, поэтому на границе между ними может возникать полное внутреннее отражение. Если свойства слоёв не обеспечивали бы нужных условий, часть света преломлялась бы в оболочку. Различие оптических свойств помогает удерживать свет в центральной части волокна.
Войдя в сердцевину, луч идёт не обязательно строго по её оси: он может пересекать её под наклоном. Достигнув границы сердцевины и оболочки, он отражается обратно и продолжает путь вдоль волокна. Затем отражение повторяется много раз. Поэтому даже луч, который постоянно меняет направление поперёк нити, продвигается вместе с ней от одного конца к другому.
Такое удержание света объясняется полным внутренним отражением. Для него нужны два условия: свет должен идти из оптически более плотной среды в менее плотную, а угол падения на границу должен быть достаточно большим. В волокне луч встречает оболочку именно со стороны сердцевины. При подходящем угле он отражается, а не выходит из сердцевины.
Волокно можно плавно изгибать, и тогда путь света постепенно меняет направление вместе с ним. Но при слишком резком изгибе лучи встречаются с границей сердцевины и оболочки под другими углами. Для некоторых лучей угол может стать недостаточным для полного внутреннего отражения, и они выйдут в оболочку или наружу. Из-за потери части света сигнал на выходе ослабеет.
| Часть волокна | Расположение | Назначение | Роль в передаче света |
|---|---|---|---|
| Сердцевина | В центре волокна | Проводит свет вдоль волокна | В ней распространяется основная часть света |
| Оболочка | Окружает сердцевину | Создаёт границу с другими оптическими свойствами | Помогает удерживать свет в сердцевине |
| Защитное покрытие | Снаружи оболочки | Защищает волокно от повреждений | Не является основной границей отражения света |
Сравнивайте части по расположению и назначению: сначала свет проходит по сердцевине, затем на границе с оболочкой отражается. Защитное покрытие находится дальше снаружи и предохраняет волокно. Так таблица помогает не путать оптические функции с защитными.
Задача 1. На рисунке луч входит в оптическое волокно. Проследите его дальнейший путь и укажите, почему он остаётся внутри. Нужно выяснить, что происходит, когда луч встречает границу сердцевины и оболочки. Решение:
Ответ: луч многократно отражается от границы сердцевины и оболочки и движется вдоль волокна; он остаётся внутри благодаря полному внутреннему отражению.
Задача 2. Сравните два волокна: в первом оболочка оптически менее плотная, чем сердцевина, во втором — более плотная. В каком случае свет сможет удерживаться внутри за счёт полного внутреннего отражения? Сначала определите направление перехода света при встрече с оболочкой. Решение:
Ответ: удерживать свет благодаря полному внутреннему отражению может первое волокно, если угол падения достаточно велик.
Задача 3. Волокно плавно изогнули, а затем согнули под очень острым углом. Объясните, почему во втором случае сигнал может ослабнуть. Сравните, как меняется путь лучей у изгиба. Решение:
Ответ: при резком изгибе часть света теряется, поэтому сигнал на выходе может ослабнуть.
Ошибочно считать, что свет отражается от внешнего защитного покрытия. Так думают, потому что покрытие видно снаружи и оно окружает всё волокно. На самом деле основное отражение происходит на границе сердцевины и оболочки. Проверка: найдите два слоя, между которыми непосредственно распространяется луч.
Нельзя считать, что полное внутреннее отражение возможно при любом направлении луча. Ученик может запомнить только слово «отражение» и забыть условия его появления. Свет должен идти из оптически более плотной среды в менее плотную и падать под достаточно большим углом. Проверяйте сначала направление перехода, затем угол падения.
Сердцевина и оболочка выполняют разные роли, поэтому их нельзя смешивать. Путаница возникает потому, что оба слоя входят в оптическую часть волокна. Свет распространяется преимущественно в сердцевине, а оболочка помогает удерживать его. Чтобы проверить ответ, спросите себя: какой слой проводит свет, а какой образует границу для отражения?
Изгиб не всегда оставляет передачу света неизменной. Плавный поворот может сохранять условия отражения, поэтому легко ошибочно решить, что форма нити совсем не важна. При слишком резком изгибе часть лучей может выйти из сердцевины. Проверка: оцените, не изменится ли угол падения так, что полное внутреннее отражение перестанет происходить.
Для понимания волоконной оптики нужно знать, как свет отражается и преломляется на границе двух сред. Особенно важна связь с полным внутренним отражением: именно это явление удерживает свет в сердцевине. Устройство световода помогает понять работу медицинских эндоскопов, в которых свет направляют по гибкому пути. Передача световых сигналов в волокне также связана с изучением современных средств связи и оптических приборов.
Почему свет не выходит из оптического волокна?
Сердцевина волокна окружена оболочкой с другими оптическими свойствами. На их границе свет при подходящих условиях испытывает полное внутреннее отражение и остаётся внутри сердцевины.
Зачем сердцевину окружают оболочкой?
Оболочка создаёт границу, на которой луч может многократно отражаться. Её оптические свойства выбирают так, чтобы свет удерживался в сердцевине.
Что такое полное внутреннее отражение?
Это отражение света от границы двух сред без выхода во вторую среду. Оно возможно, когда свет идёт из оптически более плотной среды в менее плотную и падает на границу под достаточно большим углом.
Можно ли передавать свет по изогнутому волокну?
Да, плавный изгиб не обязательно мешает передаче: направление пути света постепенно меняется вместе с волокном. При слишком резком изгибе условия отражения могут нарушиться, и часть света выйдет наружу.
Где используют оптические волокна?
Оптические волокна применяют в системах связи для передачи сигналов и в медицинских приборах, например эндоскопах. Они позволяют направлять свет по гибкому пути.
§ 56*. Волоконная оптика
