5.3.1-5.3.8. без 5.3.5 / 5.3.7. Режим полного внутреннего отражения в ОВ

Полное внутреннее отражение Физической основой передачи светового сигнала по световоду (оптоволокну) является явление полного внутреннего отражения (ПВО) света от границы раздела двух сред с различными показателями преломления.

Учитывая, что в световоде границей раздела сред сердцевина — оболоч­ка являются прозрачные стекла, возможно не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать условие полного внутреннего отражения и апертуру. Реализация этого условия применительно к двухслойному световоду показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Прохождение лучей в световоде

По законам геометрической оптики в общем виде на границе сердечник— оболочка будут падающая волна с углом φ_п, отраженная с углом φ₀ и пре­ломленная волна с углом φ_пр (рис. 2.8, точка А). Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, т. е. при n₁>n₂, волна при определенном угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду (рис. 2.8, точка В). Угол падения φ_п, начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, т. е. при φ_п = θ_В, называется углом полного внутреннего отражения:

где μ и ε — соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости сердечника (μ₁, ε₁) и оболочки (μ₂, ε₂). При φ_п=θ_в преломленный луч про­ходит вдоль границы раздела сердцевина—оболочка и не излучается в окру­жающее пространство (рис. 2.8, луч 2 в точке Б).

При φ_п<θ_в энергия, поступившая в сердечник, полностью отражается и распространяется по световоду (рис. 2.8, луч 3 в точке В). Чем больше угол падения волны, т. е. φ_п>θ_в в пределах от θ_в до 90°, тем лучше условия распространения и тем быстрее волна придет к приемному концу. В этом случае вся энергия концентрируется в сердечнике световода и практически не излучается в окружающую среду. При падении луча под углом, меньшим угла полного отражения, т. е. φ_п<θ_в энергия проникает в оболочку, излу­чается во внешнее пространство и передача по световоду неэффективна (рис. 2.8, луч / в точке А).

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец волоконного световода. Как видно из рис. 2.9, световод пропускает, лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θ_а, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения θ_в Этот телесный угол θ_а характеризуется числовой апертурой . Значения числовой апертуры при n₁=1,51 в различ­ных значениях п₂ приведены в табл. 2.5. В действующих технических усло­виях .

n2	1,49	1,495	1.5	1,505
NA	0,245	0,212	0,173	0,123

Таблица 2.5

Как видно из рис. 2.9 между углами полного внутреннего отражения θ_В н апертурным углом падения луча θ_а имеется взаимосвязь. Чем больше угол θ_В, тем меньше апертура волокна θ_а. Следует стремиться к тому, чтобы угол падения луча на границу сердечник—оболочка φ_п был больше угла полного внутреннего отражения θ_В и находился в пределах от θ_В до 90°, а угол ввода луча в торец световода φ укладывался в апертурный угол θ_а (φ< θ_а).