Światłowody - podstawowe pojęcia i definicje

Kolejny fragment pracy dyplomowej. Tym razem trochę podstawowych informacji o światłowodach.

2.1 Wiadomości wstępne

Światłowód to włókno składające się z rdzenia otoczonego płaszczem, w którym odbywa się propagacja światła dzięki wykorzystaniu zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia światła. W czasie transmisji fala elektromagnetyczna propaguje przede wszystkim w rdzeniu. Głównym zadaniem płaszcza, którego współczynnik załamania jest mniejszy niż rdzenia, jest utrzymywanie światła wewnątrz włókna.

Światłowody mogą być klasyfikowane według kilku następujących kategorii:

• ze względu na ich geometrię
  • planarne,
  • włókniste.
• ze względu na strukturę modową
  • jednomodowe,
  • wielomodowe.
• ze względu na rozkład współczynnika załamania (profil refrakcyjny)
  • skokowe,
  • gradientowe.
• ze względu na rodzaj stosowanego materiału
  • szklane,
  • plastikowe,
  • półprzewodnikowe.

Ze względu na charakter pracy w dalszej części rozważane będą światłowody szklane, włókniste, wielomodowe o skokowym rozkładzie współczynnika załamania światła.

2.1.1 Prawo odbicia światła

Odbicie to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Zjawisko to zostało opisane za pomocą prawa odbicia.

Kąt odbicia θO jest równy kątowi padania θP. Promień odbity O i promień padający P leżą w jednej płaszczyźnie, zawierającej normalną do powierzchni odbijającej w punkcie padania S. Kąt padania θP zawarty jest pomiędzy promieniem padającym a normalną do powierzchni. Kąt odbicia θO zawarty jest pomiędzy promieniem odbitym a normalną do powierzchni.

Rys.1 Odbicie światła [12].

2.1.2 Prawo załamania fali elektromagnetycznej

Załamanie (refrakcja) to zmiana kierunku rozchodzenia się fali związana ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi ona do innego ośrodka. Inna prędkość powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje stała. Opis matematyczny tego zjawiska został sformułowany za pomocą prawa załamania światła (prawa Snella)

Stosunek sinusa kąta padania θ_P do sinusa kąta załamania θ_Z jest równy stosunkowi prędkości v1 rozchodzenia się światła w ośrodku pierwszym do prędkości v2 rozchodzenia się światła w ośrodku drugim. Promień załamany Z i padający P leżą w jednej płaszczyźnie zawierającej normalną do granicy ośrodków. Kąt padania θ_P zawarty jest pomiędzy promieniem padającym a normalną do powierzchni. Kąt załamania θ_Z zawarty jest pomiędzy promieniem załamanym a normalną do powierzchni.

Rys.2 Załamanie światła [12].

2.1.3 Współczynnik załamania

Współczynnik załamania światła (współczynnik refrakcji) to wielkość opisująca załamanie fali elektromagnetycznej przy jej przejściu z jednego ośrodka do drugiego. Pozwala on określić kierunek biegu promieni załamanych. Współczynnik ten zależy od stosowanych materiałów oraz od długości fali elektromagnetycznej.

Wyróżnia się:

• względny współczynnik załamania

• bezwzględny współczynnik załamania

gdzie:

c – prędkość światła w próżni.

2.1.4 Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia występuje na granicy dwóch ośrodków przeźroczystych o różnych współczynnikach załamania światła i polega na tym, że promień P padający na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem padania θ_P większym niż kąt graniczny θ_gr, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu.

Rys.3 Kąt graniczny [12].

Kąt graniczny θ_gr to kąt padania, przy którym kąt załamania ma miarę 90º , a promień nie wchodzi do drugiego ośrodka. Można go wyznaczyć na podstawie poniższego równania.

gdzie:

n₁ – współczynnik załamania światła w rdzeniu,

n₂ – współczynnik załamania światła w płaszczu.