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 уменьшениемλ 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.
Первое применение световоды получили в медицине. Появилась возможность для просматривания желудка и других внутренних органов вводить туда тонкие жгутики из двух световодов (по одному подают свет, а по другому — изображение рассматриваемого объекта). Световоды используют также в технике, с их помощью рассматривают внутренние части машин, недоступные для визуального осмотра.
Использование в качестве световодов диэлектриков с оптическими свойствами более высокими, чем у стекла, сделало световоды серьезными конкурентами традиционным линиям связи (в тех случаях, когда речь не идет о связи между движущимися объектами). Это относится прежде всего к системам промышленного контроля и управления, а также низовым телефонным сетям внутри ЭВМ.
КАКОВЫ ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ?
Наибольший эффект применение волоконно-оптических линий связи (из-за их помехоустойчивости, малого веса, будущей дешевизны) даст там, где может быть использована их большая пропускная способность.
Сюда относятся прежде всего внутриобъектные системы, например самолетные, где решающими являются помехозащищенность и вес системы. Эти же показатели привлекают конструкторов корабельных систем и систем передачи информации между блоками в электронных вычислительных машинах. Не исключено применение световых кабелей для телевидения, передачи через абонентский телевизор изображений газетных, журнальных и книжных страниц из библиотек, учетных центров и специальных информационных служб.
Соединив кабельное телевидение с видеотелефонной сетью, можно обмениваться визуальной информацией, а магнитная лента позволит абоненту использовать информацию, полученную в его отсутствие.
Соединив световодными кабелями автоматические телефонные станции не только внутри городов, но и между городами, осуществив трансляцию по ним телевизионных передач, мы получим колоссальную экономию массы дефицитных материалов, сократим расходы на оборудование и содержание ретрансляционных станций.
Развитие волоконно-оптических систем передачи информации приведет к существенной перестройке измерительных и управляющих комплексов.
Вместо электрических микрофонов появятся оптические, уже разрабатываются разнообразные подобные приборы, приспособленные для присоединения к свето- водным кабелям.
Применение гибких световодов поможет передаче достаточно больших мощностей или импульсов света с большой энергией, тем самым повысит возможности лазерной технологии и медицины.
ЧТО ТАКОЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ?
Дальнейшее развитие волоконной оптики привело к созданию принципиально новых приборов — оптико- электронных приборов, или ОЭП.
Их применяют там, где возможности человека ограничены (при работе в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах в области недостаточной чувствительности глаза), и там, где человек по какой-то причине находиться не может (в условиях высоких температур и радиационной опасности). В этих устройствах мы имеем дело не только со световыми сигналами и их передачей, но и с взаимодействием световых лучей с электрическим полем, т. е. взаимодействием фотонов и электронов.
Большие возможности перед ОЭП открылись после создания лазеров. Часто ОЭП предназначаются для решения тех же задач, где используют и однотипные по назначению радиоэлектронные приборы. Однако радиоэлектронные и оптико-электронные приборы работают в различных диапазонах спектра электромагнитных волн.