Limyè se yon vag elektwomayetik ak frekans trè wo, akfib optiktèt li se yon gid ond dielectric; Se poutèt sa, teyori pwopagasyon limyè nan fib optik trè konplèks. Yon konpreyansyon konplè mande pou konesans nan teyori jaden elektwomayetik, teyori optik vag, e menm teyori jaden pwopòsyon.
Pou fasilite konpreyansyon yo, liv sa a diskite sou prensip ki gide limyè -fib optik nan pèspektiv nan optik jewometrik, ki pi entwisyon, vizyèl, ak pi fasil pou konprann. Anplis, pou fib optik multimode, depi dimansyon jeyometrik yo pi gwo pase longèdonn limyè a, vag limyè a ka trete kòm yon sèl reyon, ki se pwen depa fondamantal pou optik jewometrik.
Prensip total refleksyon entèn
"Lè limyè pwopaje nan yon mwayen inifòm, li vwayaje nan yon direksyon liy dwat, men lè li rive nan koòdone ant de medya diferan, refleksyon ak refraksyon fenomèn rive. Refleksyon an ak refraksyon nan limyè yo montre nan Figi 2-4.
Dapre lalwa refleksyon an, ang refleksyon an egal ang ensidans lan; dapre lwa refraksyon, n₁sinθ₁=n₂sinθ₂. Ki kote n₁ se endèks refraktif nwayo fib la; n₂ se endèks refraktif revètman an.
Li evidan, si n₁ > n₂, lè sa a θ₂ > θ₁. Si rapò n₁ ak n₂ ogmante nan yon sèten limit, ang refraksyon θ₂ pi gran pase oswa egal a 90 degre, ak limyè refraksyon an p ap antre nan CLADDING a ankò, men yo pral refrakte sou koòdone ki genyen ant nwayo a fib ak CLADDING (lè θ₂=90 tounen nan degre θ₂=90 pou pwopagasyon nan θ), > 90 degre). Fenomèn sa a rele total refleksyon entèn limyè. Jan yo montre nan Figi 2-5."
Ang ensidans ki koresponn ak yon ang refraksyon θ₂=90 degre yo rele ang kritik (θ₀), ki ka jwenn fasil.
Li fasil pou konprann ke lè refleksyon total entèn rive nan yon fib optik, depi prèske tout limyè a pwopaje nan nwayo a fib, epi pa gen okenn limyè ki chape nan CLADDING a, atenuasyon fib la redwi anpil. Premye etap-fib optik endèks yo te fèt baze sou konsèp sa a.
Pwopagasyon limyè nan etap-endèks fib optik
(1) Pwopagasyon reyon limyè nan fib optik Pou fasilite konpreyansyon yo, nou pral premye itilize teyori metòd reyon an pou bay yon deskripsyon senp sou pwopagasyon vag limyè nan fib optik. Lè yon gwo bout bwa limyè makonnen nan fib optik ki soti nan figi fen a, ka gen diferan fòm reyon limyè nan fib la: reyon meridional ak reyon oblik. Figi 2-6a montre yon reyon ki toujou pwopaje nan yon plan ki gen aks santral 00' fib optik la, epi ki kwaze aks santral la de fwa nan yon sik pwopagasyon. Kalite reyon sa a rele yon reyon meridional, ak avyon an ki gen aks santral la nan fib optik la rele avyon meridional la. Figi 2-6a montre yon plan meridional MN. Yon lòt kalite se kote trajectoire reyon limyè a pandan pwopagasyon pa nan menm plan an epi li pa kwaze aks santral fib optik la. Yo rele kalite reyon sa a yon reyon oblik, jan yo montre nan Figi 2-6b. Analiz la nan reyon oblik se byen konplike menm lè l sèvi avèk teyori metòd reyon an. Sa a se paske pwopagasyon reyon oblik yo pa nan yon plan tankou reyon meridional, men pito nan yon modèl espiral nan yon espas ki genyen twa dimansyon, jan yo montre nan Figi 2-6b. Analiz mande pou itilize kowòdone ki genyen twa dimansyon, ki se yon ti jan abstrè, men prensip debaz limyè-gide li yo se menm ak metòd la Meridian, kidonk yon analiz detaye pa bay.
(2) Pwopagasyon Meridian nan etap-fib endèks Pwopagasyon meridyen an nan yon etap-fib endèks montre nan Figi 2-7. Yon fib etap-endèks konsiste de yon nwayo ak yon endèks refraktif nan n2ak yon CLADDING ak yon endèks refraktif nan n1, kote n1ak n2se konstan, ak n1> n2.
"Lè limyè O antre nan lè a (n₀= 1) nan sifas la fen fib optik nan ang φ₁, yon pòsyon nan limyè a pral antre nan fib optik la. Nan moman sa a, dapre lwa Snell n₀sinφ₁=n₁sinθ₁, epi depi endèks refraktif nwayo fib la n₁> n₀(endèks refraksyon lè), ang refraksyon θ₁ < φ₁, ak limyè a ap kontinye pwopaje, ensidan nan ang θᵢ=90 degre - θ₁ nan koòdone ki genyen ant nwayo a fib ak CLADDING. Si θᵢ pi piti pase ang kritik θc=arcsin(n₂/n₁) nan nwayo a fib ak koòdone CLADDING, Lè sa a, yon pati nan limyè a pral refrakte nan CLADDING a epi pèdi, pandan y ap yon lòt pati reflete tounen nan nwayo a fib. Nan fason sa a, apre plizyè refleksyon ak refraksyon, reyon limyè sa a pral byen vit diminye. Si φ₁ diminye a φ₀ (tankou nan reyon limyè ②), Lè sa a, θᵢ diminye tou, pandan y ap θᵢ=90 degre - θ₁ ogmante. Si φ₁ ogmante depase ang kritik θc a, lè sa a reyon limyè sa a pral sibi refleksyon total entèn nan nwayo a fib ak koòdone CLADDING, ak tout enèji reflete tounen nan nwayo a fib. Lè li kontinye pwopaje ak rankontre nwayo a fib ak koòdone CLADDING ankò, total refleksyon entèn rive ankò. Repete pwosesis sa a, limyè a ka transmèt soti nan yon bout sou yon chemen zigzag nan lòt bout la.
Se pou nou analize ki jan ti φ₁ dwe transmèt limyè soti nan yon bout nan fib optik la nan lòt bout la.
Si nou sipoze φ₁=φ₀, Lè sa a, θc=θc₀, θᵢ=θc, n₀ {= 1, nou genyen: n₀sinφ₀=sin{φ₀=n₀ {{sin}}} degre - θc)=n₁cosθc
Kidonk, nou genyen: sinφ₀=n₁cosθc=n₁√({1 - sin²θc)=n₁√({1 - (n₂/n₁)²)=n₁√(2}₁√(2}₁√(2}₁) =√) n₂²)
Nan ekwasyon an, Δ se diferans relatif endis refraktif fib optik la, Δ=(n₁² - n₂²)/(2n₁²) ≈ (n₁ - n₂)/n₁.
Soti nan sa a li ka wè ke osi lontan ke ang ensidan an φ₁ Mwens pase oswa egal a φ₀ nan sifas la fen fib optik, limyè ka transmèt atravè refleksyon total entèn nan nwayo a fib. φ₀ yo rele maksimòm ang ensidan an nan sifas la fen fib optik, ak 2φ₀ se ang maksimòm akseptasyon fib optik la pou limyè."
(Figi 2-7 pwopagasyon Meridian nan yon fib optik etap-endèks)
"(3) Ouverture nimerik: Piske diferans ki genyen ant n₁ ak n₂ piti, sinis maksimòm ang ensidan an nan sifas fen fib optik la lè refleksyon total entèn fèt nan fib optik la se sinφ₀ ≈ φ₀, ki rele ouvèti nimerik fib optik la, jeneralman deziye kòm Aper NA (Numeical Aperture)
NA=sinφ₀=n₁√2Δ=√(n₁² - n₂²)
Ekwasyon sa a eksprime kapasite fib optik pou rasanble limyè -. Nenpòt reyon limyè ensidan ki gen yon ang ensidan ki pi piti pase φ₀ ka satisfè kondisyon total refleksyon entèn la epi yo pral fèmen nan nwayo fib la pou pwopaje sou direksyon axial la. Li ka wè ke ouvèti a nimerik nan fib optik la se dirèkteman pwopòsyonèl ak rasin nan kare nan diferans relatif endèks refraktif la. Nan lòt mo, pi gwo diferans nan endèks refraktif ant nwayo a fib ak CLADDING, se pi gwo ouvèti a nimerik nan fib optik la, ak pi fò limyè li -kapasite rasanble."
Pwopagasyon limyè nan fib optik{0}}koulè gradye
Endèks refraktif nwayo yon fib endèks gradye-pa konstan; li piti piti diminye ak ogmante reyon fib jiskaske li egal endèks refraktif nan CLADDING a, jan yo montre nan Figi 2-8. Pou analize pwopagasyon limyè nan yon fib endèks gradye, yo ka itilize yon metòd ki sanble ak "definisyon entegral" nan matematik. Premyèman, nwayo a fib divize an anpil kouch mens silendrik konsantrik. Chak kouch trè mens, ak endèks refraktif li yo apeprè konstan nan chak kouch. Gen yon ti diferans etap nan endèks refraktif ant kouch adjasan.
Figi 2-8 montre plan meridional ak stratifikasyon fib optik{0}}endèks. Endis refraktif chak kouch satisfè relasyon sa a: n(rO) > n(r1)>n(r2)>n(r4)>…>n(r), Lè yon reyon limyè ensidan soti nan figi fen yon fib optik nan yon ang medyàn, pwopagasyon li nan yon fib optik milti-kouch ak varye endèks refraktif yo montre nan Figi 2-8. Lè reyon an frape koòdone ant kouch 1 ak 2 nan yon ang ensidan θ, piske reyon an ap vwayaje soti nan yon mwayen ki pi dans pou ale nan yon mwayen mwens dans, ang refraksyon li θ ap pi gwo pase θ. Jan yo montre nan figi a, reyon sa a pral refrakte nan koòdone ant kouch 2 ak 3 ak yon nouvo ang ensidan θ, ak sou sa. Piske limyè toujou pwopaje soti nan yon mwayen ki pi dans nan yon mwayen mwens dans, ang ensidans li ogmante piti piti, sa vle di, θ<><><><θ5", until="" at="" a="" certain="" interface="" (interface="" u="" in="" the="" diagram),="" the="" angle="" of="" incidence="" exceeds="" the="" critical="" angle,="" at="" which="" point="" total="" internal="" reflection="" occurs.="" afterward,="" the="" light="" travels="" along="" a="" perfectly="" symmetrical="" trajectory,="" layer="" by="" layer,="" from="" less="" dense="" to="" denser,="" towards="" the="" central="" axis.="" at="" this="" point,="" the="" angle="" of="" incidence="" decreases="" as="" the="" light="" propagates="" towards="" the="" center="" due="" to="" the="" increasing="" refractive="" index="" of="" each="" layer,="" and="" the="" light="" crosses="" the="" central="" axis.="" since="" the="" refractive="" index="" distribution="" below="" the="" central="" axis="" is="" exactly="" the="" same="" as="" above,="" after="" passing="" the="" central="" axis,="" the="" light="" is="" essentially="" propagating="" from="" a="" denser="" medium="" to="" a="" less="" dense="" medium="" again,="" and="" its="" angle="" of="" incidence="" gradually="" increases,="" subsequently="" undergoing="" total="" internal="" reflection="" and="" returning="" to="" the="" central="" axis.="" then,="" it="" again="" enters="" the="" interface="" of="" layers="" 1="" and="" 2="" at="" an="" angle="" θ,="" and="" the="" cycle="" repeats.="" in="" this="" way,="" light="" can="" be="" transmitted="" from="" one="" end="" to="" the="">
(Figi 2-8 plan Meridian ak kouch fib optik ak rapò gradye)
