Całkowite

Całkowite

wewnętrzne

wewnętrzne

odbicie.

odbicie.

Światłowód

Światłowód - przezroczyste włókno (szklane lub wykonane z tworzyw
sztucznych), w którym odbywa się propagacja światła.
Aby wyeliminować - lub, przynajmniej, znacząco ograniczyć -
wypromieniowanie światła przez boczne powierzchnie światłowodu,
stosuje się odpowiednio dobrany poprzeczny gradient współczynnika
załamania światła. W najprostszym przypadku, gradient ten realizowany
jest skokowo - wewnątrz światłowodu współczynnik załamania ma wartość
wyższą, niż na zewnątrz; utrzymanie promieni światła w obrębie takiego
światłowodu zachodzi na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia. W
przypadku, gdy współczynnik załamania maleje z odległością od osi
światłowodu w sposób ciągły, mówimy o światłowodach gradientowych.

Światłowody wykorzystują zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia.

Zachodzi ono w ośrodkach, w których światło porusza się wolniej niż na

zewnątrz. Dzieje się tak np. na granicy wody lub szkła i powietrza.

Pierwszą próbę przeprowadzenia światła szklaną nicią podjął w 1880 roku

inżynier William Wheeler z Concord (Massachusets, USA). Wheeler

nazwał swój patent rurociągiem świetlnym i planował oświetlać nim

domy. To zastosowanie nie sprawdziło się na szerszą skalę, bo zwykłe

żarówki są praktyczniejsze.

Typowe włókno światłowodowe składa się z rdzenia, płaszcza i osłony.

Rdzeń jest zrobiony ze szkła kwarcowego (dwutlenku krzemu), grubości

od kilku do kilkuset mikrometrów. Im mniejsza średnica, tym dalej można

przesłać impuls bez zakłóceń. Szkło musi być wolne od wszelkich

zanieczyszczeń.

Różnorodność wiązek

światłowodu

Wielomodowe: Może w nich biec wiele promieni świetlnych
jednocześnie. Gruby rdzeń ma około 50 um (1 um to jedna
milionowa metra).

Jednomodowe: W cienkim rdzeniu (9 um) biegnie
jedna wiązka światła. Używa się ich do przekazywania
światła na duże odległości.

Rodzaje Światłowodów

Światłowód włóknisty

Światłowód włóknisty to zazwyczaj falowód dielektryczny o
przekroju kołowym, otoczony przez płaszcz z innego materiału
dielektrycznego o mniejszym współczynniku załamania. Włókna
światłowodowe wykonywane są najczęściej ze szkła
krzemionkowego, czasem z innych szkieł lub z plastiku.
Światłowody plastikowe są stosowane na krótkich odległościach.

Światłowód paskowy

Światłowód paskowy powstaje, kiedy propagacja wiązki w warstwie
zostaje ograniczona w dwóch kierunkach. Światłowody paskowe są
wykorzystywane w układach fotoniki zintegrowanej i w laserach
półprzewodnikowych. W układach fotoniki zintegrowanej służą do
prowadzenia światła, tworząc bardziej rozbudowane struktury jak np.
interferometr Macha-Zehndera lub złożone przyrządy jak
multipleksery długości fali dla systemów WDM.

Światłowody

Telekomunikacyjne

• Światłowody telekomunikacyjne produkowane są z

uwzględnieniem szeregu norm, ułatwiających tworzenie

systemów transmisji danych.

• Do zakańczania światłowodów używa się tzw. pigtaili. Pigtail

jest to krótki odcinek jednowłóknowego kabla zakończonego z

jednej strony wtykiem (półzłączką). Wtyczki mogą być

zakańczane w kilku standardach, przykładowo FC, SC, ST,

E2000, F3000, LC, LX.5, MU. Końcówki różnią się standardem

polerowania, a także tłumiennością wtrąceniową i odbiciową,

związaną odpowiednio z możliwością niecentrycznego

połączenia włókien (część światła przechodzi wówczas do

płaszcza dołączonego światłowodu, zamiast do jego rdzenia)

oraz odbiciem od płaszczyzn złącza w sytuacji, gdy nie są one

ściśle dopasowane.

• Patchcord to krótki odcinek jednowłóknowego kabla

obustronnie zakończonego wtykiem służący do połączenia ze

sobą urządzeń teletransmisyjnych z przełącznicą

światłowodową lub dołączenia przyrządów pomiarowych.

Dla Ciekawych

• Pierwszy w Polsce kabel

światłowodowy został
zaprojektowany pod koniec lat 70.
przez pracowników Uniwersytetu
Marii Skłodowskiej-Curie w Lublinie.

Wtyczka wielomodowego światłowodu w standardzie ST

Włókno jednomodowego światłowodu dla fali dł. 1390/1410nm
pozbawione kolejnych warstw płaszcza. Średnica zewnętrznego płaszcza
to 0,9mm. Średnica wewnętrznego płaszcza ("bufora") to 250цm,
średnica szklanego włókienka to 125цm, wewnątrz którego znajduje się
9-mikrometrowy rdzeń.

Połączenia światłowodów

• Spawanie mechaniczne (za pomocą szybkozłączek) polega na

dosunięciu w kapilarze szybkozłączki odpowiednio wcześniej

przygotowanych włókien tak, aby w przestrzeni kapilary

szybkozłączki zaniknęła przerwa pomiędzy włóknami (metoda

ta nadaje się do krótkich połączeń światłowodowych).

• Spawanie światłowodów łukiem elektrycznym - to metoda

trwałego łączenia światłowodów. Do spawania światłowodów

służą spawarki światłowodowe, które spajają ze sobą włókna za

pomocą łuku elektrycznego. Jakość spawów określają:

tłumienność własna i wytrzymałość mechaniczna na

rozciąganie.

• Adaptery światłowodowe to elementy toru światłowodowego

łączące ze sobą dwa złącza światłowodowe. Adaptery dzieli się

na wielomodowe i jednomodowe, które z kolei dzielą się na

simplexowe, duplexowe i inne. Adaptery mogą łączyć ze sobą

te same typy złącz (np. SC z SC lub FC z FC) i są to adaptery

standardowe oraz różnego typu (np. SC z FC lub SC z ST) i są

to adaptery hybrydowe.

Zastosowanie odbicia do

innych celów

• Światła samochodowe
• Oświetlenie fontann, świecąca struga wody

.

Przyrządu optyczne, w nich bardzo często wykorzystywane są

• pryzmaty prostokątne równoramienne by zmienić bieg promieni (lornetka,

refraktometr).

• Światła odblaskowe.

Defektem ich jest mały limit kątów, w których dokonują swoje zadanie
(wąski aniżeli dla świateł o takiej samej formie ale wysrebrzonej
powierzchni). Aktualnie bardzo często zamienia się zatem światła
paseczkami pomalowanymi farbą mającą w sobie małe kuleczki szklane -
odblask tych paseczków powstaje na skutek całkowitego wewnętrznego
odbicia wewnątrz kulek.

•Stomatologia

Stomatolodzy stosują światłowody w lampach, które
wykorzystują do oświetlania skrytych obszarów w jamie
ustnej.
Kluczowym wykorzystaniem optyki światłowodowej są
endoskopy - przyrząd służący do oglądania narządów
wewnętrznych człowieka bez potrzeby przeprowadzania
operacji (takie jak płuca, przewód pokarmowy, żołądek)
jak również duże naczynia krwionośne. Pewna ilość
włókien endoskopu wykorzystywana jest do oświetlenia
pola widzenia, pozostała część do obserwacji (światło po
odbiciu powraca innym światłowodem). By obraz nie był
zniekształcony włókna w endoskopach nie są
poprzeplatane.

Jubilerstwo.

Całkowite wewnętrzne odbicie stosowane jest również przy
doskonaleniu szlachetnych kamieni np. diamentów.
Wygładzony diament (brylant), jest udoskonalany w ten
sposób, by w kamieniu całkowicie załamywało się 80%
promieni. Promienie, które padają od środka pod kątami
większymi od kąta granicznego (w przybliżeniu 24,5° -
uzależnione jest to od koloru światła) ulegają całkowitemu
wewnętrznemu odbiciu a następnie wydostają się (po
załamaniu) na zewnątrz. To jest powodem mieniącego się
odblasku diamentu

• Całkowite wewnętrzne odbicie to

zjawisko fizyczne zachodzące dla fal

występujące na granicy ośrodków o różnych

współczynnikach załamania. Polega ono na

tym, że światło padające na granicę od

strony ośrodka o wyższym współczynniku

załamania pod kątem większym niż kąt

graniczny, nie przechodzi do drugiego

ośrodka lecz ulega całkowitemu odbiciu.

• Kąt graniczny – to taki kąt padania przy

którym kąt załamania ma wartość 900

Zjawisko całkowitego odbicia zachodzi gdy:

• Światło musi być skierowane od ośrodka gęstszego do rzadszego

• Kąt padania α musi być większy niż kąt graniczny światła

Zjawisko to jest wykorzystywane w pryzmatach oraz

światłowodach. Jest także przyczyną powstawania

refleksów w oszlifowanym diamencie.

Kąt graniczny –

P - promień padający pod kątem αgr,

Z - promień załamany pod kątem β=90°,

N - normalna padania.

PRYZMAT

• Pryzmat – bryła z materiału przezroczystego o co najmniej dwóch

ścianach płaskich nachylonych do siebie pod kątem (tzn. kątem
łamiącym pryzmatu).

• Używany w optyce do zmiany kierunku biegu fal świetlnych, a

poprzez to, że zmiana kierunku zależy od długości fali, jest
używany do analizy widmowej światła. Zjawisko całkowitego
wewnętrznego odbicia pozwala użyć pryzmatu jako idealnego
elementu odbijającego światło. Pryzmaty wykorzystywane są w
produkcji wielu urządzeń optycznych, np.: lornetek, peryskopów.

Dający najszerszą tęczę pryzmat wykonany ze szkła kwarcowego

ma kąt między ścianami wynoszący 62°, ze szkła crown ZN – 78°,
a ze szkła flint – ok. 82°-86°

Pryzmat pentagonalny

• Pryzmat pentagonalny – pryzmat pięciokątny. Wpadające

światło, odbija się od 2 płaszczyzn, nachylonych do siebie pod
kątem 45 stopni, dzięki czemu obraz jest prosty. W pryzmacie tym,
ze względu na niewielki kąt padania światła, nie zachodzi
całkowite wewnętrzne odbicie. Zamiast tego ścianki pokryte są
powłoką odbijającą światło.

• Pryzmat ten stosowany w urządzeniach optycznych i w

lustrzankach jednoobiektywowych, pierwszy raz został
wykorzystany w 1957 roku w modelu Asahi Pentax.

PRYZMAT PROSTY

PRYZMAT ODWRACAJĄCY

Pryzmat Nicola

• Pryzmat Nicola (zwany nikolem) - rodzaj polaryzatora. Służy do

wyeliminowania jednego z dwóch promieni spolaryzowanych
wskutek podwójnego załamania. Nazwa pochodzi od wynalazcy,
szkockiego fizyka i geologa Williama Nicola żyjącego w na
przełomie XVIII i XIX wieku.

• Pryzmat polaryzujący jest utworzony z romboedrycznego kryształu

szpatu islandzkiego (kalcyt CaCO

3

), odpowiednio oszlifowanego,

przeciętego na dwie części i sklejonego balsamem kanadyjskim. Oś
optyczna (na schemacie odcinek OP) jest równoległa do
powierzchni na którą pada promień. Promień światła po wejściu do
kryształu, rozszczepia się więc na dwa promienie spolaryzowane w
kierunkach wzajemnie prostopadłych: zwyczajny (oznaczony przez
o, z polaryzacją prostopadłą do rysunku - co symbolizują kropki) i
nadzwyczajny (oznaczony przez e, z polaryzacją równoległą do
rysunku - co symbolizują kreski). Oba promienie biegną w krysztale
po tej samej drodze, ale z inną prędkością.

Współczynnik załamania balsamu kanadyjskiego wynosi n

bk

=

1,550, ma wartość pośrednią między współczynnikiem załamania
dla promienia zwyczajnego n

o

= 1,658 i dla nadzwyczajnego n

e

=

1,486. Balsam jest więc dla promienia zwyczajnego optycznie
rzadszy, a dla nadzwyczajnego gęstszy. Kąt przecięcia pryzmatu
jest tak dobrany, aby kąt padania A na powierzchnię balsamu, był
dla promienia zwyczajnego większy od kąta granicznego
całkowitego wewnętrznego odbicia, a dla promienia
nadzwyczajnego mniejszy od kąta granicznego. Tak więc promień
zwyczajny odbija się od balsamu i jest absorbowany na czarnej
ściance pryzmatu (na schemacie dolnej), natomiast promień
nadzwyczajny przechodzi przez balsam i dalej przez cały pryzmat.
Zaletą pryzmatu Nicola jest uzyskiwanie fali całkowicie
spolaryzowanej, bez zmiany kierunku jej biegu.

WYKONAŁ:

Szymon Kuczaj

Klasa IVT