Таким образом, свет представляет собой электромагнитное излучение с большей частотой и более короткой длиной волны по сравнению с радиоволнами. На рисунке видно, что видимая область спектра составляет лишь малую часть всего светового диапазона. Она имеет длины волн в диапазоне от 380 нм (темнофиолетового) до 750 нм (тёмнокрасного). Длины волн инфракрасного света больше длин волн видимого света. В то же время ультрафиолетовый свет имеет более короткие длины волн. Большинство волоконно-оптических систем используют инфракрасный свет с длинами волн в диапазоне между 800 и 1500 нм, поскольку стекло является более прозрачным для инфракрасного излучения, чем для видимого света.

Высокие частоты света представляют большой интерес с точки зрения коммуникационной технологии. Как бьшо показано в главе 2, более высокие частоты несуш;ей волны означают большую скорость передачи информации. Технология волоконной оптики позволяет использовать потенциальную возможность света и обеспечивать высокую скорость передачи информации.

Волны и частицы

До сих пор мы рассматривали свет в виде колебаний электромагнитных волн. Они распространяются во всем пространстве, не имея определенной пространственной локализации. В физике все виды материи разделяются по природе либо на волны, либо на частицы. Обычно свет представляется в виде волн, а электроны - в виде частиц. Одшко современные физические исследования показали, что четкой границы меяеду частицами и волнами не суш;ествует. Поведение как частицы, так и волны может быть и корпускулярным, и волновым.

Частицы света называются фотонами. Фотоны представляют собой квант, или пакет излучения. Квант является элементарной единицей излучения - нельзя наблюдать половину или 5.33 кванта. Количество энергии, переносимое фотоном, зависит от его частоты. Количество энергии увеличивается с ростом частоты: большие частоты соответствуют большему количеству энергии. Длинам волн фиолетового диапазона соответствует большее количество энергии, чем красному свету, так как фиолетовому диапазону соответствуют большие частоты. Энергия Е (в ваттах), запасенная в одном фотоне, равна

E = hf

где f- его частота и /г - постоянная Планка, равная 6.63 х 10 Дж-сек (джоуль-секунда). Из этого уравнения видно, что энергия фотона зависит только от его частоты (или длршы волны). Энергия фотона пропорциональна частоте. Квант энергии света, заключенной в одном фотоне, равен hf.

Суш;ествует несколько уровней энергии для различных высокочастотных длин волн. Отметим, что чем вьппе частота, тем большую энергию имеет квант.

Инфракрасный свет (10 Гц) 6.63 х 10 Дж-сек

Видимый свет (10 Гц) 6.63 х 10 Дж-сек

Ультрафиолетовый свет (10 Гц) 6.63 х 10* Дж-сек

Рентгеновские луча (10* Гц) 6.63 х 10 Дж-сек

Фотон является странной частицей с нулевой массой покоя. Если он не

движется, то он не суш;ествует. В этом смысле фотон не является частицей.

такой как камень или капля чернил. Он служит вместилищем энергии, но ведет себя как частица.

В эолоконной оптике свет рассматривают и как частицу, и как волну. Обычно в зависимости от смысла используют либо одно, либо другое понятие. Например, многие характеристики оптического волокна основаны на длине волны и свет рассматривается как волна. С другой стороны, испускание света источником или его поглощение детектором лучше описывается теорией частиц. Описание работы детектора основано на фотонах, попадающих на детектор и поглощаемых им. Вьщеляемая энергия обеспечивает электрический ток в цепи. Светоизлучающие диоды (СИД) работают на принципе передачи энергии от электронов к фотонам, энергия которых определяет длину волны излучаемого света.

Световые лучи и оптика

простейшим способом описания света в волоконной оптике является анализ прохояадения лучей света. В этом случае свет рассматривается как простые лучи, отображаемые прямыми линиями. Луч от источника света показывает направление распространения. Перемещение света по волоконно-оптической системе анализируется геометрическими построениями. Это не только упрошэет анализ, но и помогает понять процессы в оптических волокнах.

Отражение и преломление

в общем случае, говоря о скорости света, имеют в виду скорость электромагнитной энергии в вакууме. В других материалах (например, в стекле) свет распространяется с меньшей скоростью. При перемещении из одного материала в другой изменяется скорость распространения, что, с точки зрения волновой теории, приводит к изменению направления движения. Отклонение света от прямого направления называется преломлением. Кроме того, волны с различными длинами распространяются с различными скоростями в одном и том же материале. Изменение скорости от длины волны имеет важное значение в волоконной оптике.

С преломлением часто сталкиваются рыбаки, которые видят не реальное, а мнимое положение рыбы под водой (рис. 4.3). Если смотреть на рыбу вертикально вниз, то преломления света не происходит и рыба видна на своем настоящем месте. Если же смотреть на рыбу под углом, то появляется преломление и рыбак будет видеть мнимое положение рыбы на прямой, продолжающей направление взгляда. В результате рыба обычно находится гораздо глубже под водой, чем ее видит человеческий глаз.

Призма на рис. 4.4 показывает более интересное преломление. Поступающий на призму белый свет содержит все цвета радуги. Призма преломляет свет, и он изменяет свою скорость при переходе внутрь призмы. Поскольку различные цвета имеют разные скорости распространения, то и преломляются они по-разному. Красный цвет отклоняется сильнее и имеет меньшую скорость распространения. Попадающий на призму свет разлагается на цвета радуги. Отметим, что преломление присутствует как при входе, так и при выходе из призмы.

Мнимое псшкенив

Действительное положение

Рис. 4.3. Преломление света

Прелмиюние

Преломление / у

Красный Оранжевый Желтый Зеленый Голубой Фю/ютовый

Рис. 4.4. Преломление света на призме (рисунок предоставлен AMP inooiporated)

Показатель преломления, обозначаемый п, является безразмерной величиной, выражаемой через отношение скорости света в вакууме (с) к скорости света в материале (v):

п = - V

В таблице 4.1 представлены показатели преломления различных веш;еств и скорости распространения света.