Полное внутреннее отражение. Понятие О волоконной оптике и ее применение в медицине

1

α γ

2

 

3 3

3 преломленного - нет

β

 

n₁>n₂

α↑àβ↑

sinα/sinβ=n₂/n₁

β>α

-если α= α _пред, то β=90⁰

-если α> α _пред, то β – отсутствует

Полное внутреннее отражение – это явление, в котором отсутствует преломленный луч, и свет полностью отражается от границы раздела. Луч во вторую среду не проходит. Первая среда должна быть оптически более плотной.

Найдем α_пред

sinα _пред /sinβ= π/2 = sinα _пред /sin90⁰ = sinα _пред /1 = n₂/n₁

sinα _пред = n₂/n₁

α _пред = arcsin n₂/n₁

Явление полного отражения используется в волоконной оптике.

Волоконная оптика – это раздел оптики, в котором рассматривается передача света и изображения по светопроводам и волноводам оптического диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон.

Волоконно-оптическая связь - это вид связи, при котором информация передается по оптическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

Оптическое волокно считается одной из самых совершенных физических сред для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших объемов информации (в основном потоковой) на большие расстояния. Оптоволокно обладает отличными физическими характеристиками, очень высокой устойчивостью к электромагнитным и радиочастотным помехам.

Оптоволокно классифицируется на одномодовое и многомодовое.

Термин "одномодовый" означает, что тонкая сердцевина световода может передавать только один световой несущий сигнал. Одномодовое оптоволокно передает свет только с одной модой, но в результате сигнал может передаваться на большие расстояния без повторителей - устройств для ретрансляции и усиления сигнала. Проблема в том, что как само одномодовое оптоволокно, так и электронные компоненты для передачи и приема света стоят дороже, чем для многомодового. Пропускная способность одномодового оптоволокна превышает 10 Гбит/с.

Многомодовое оптоволокно может передавать несколько мод (независимых световых путей) с различными длинами волн или фазами. Однако больший диаметр сердцевины приводит к тому, что вероятность отражения света от внешней поверхности сердцевины повышается, а это чревато уменьшением пропускной способности и максимального расстояния между повторителями. Грубо оценивая, максимальная пропускная способность многомодового оптоволокна составляет около 2,5 Гбит/с.

 

n₂

 

 

n₁

Оптические линзы. Основные определения

Линзы – прозрачные, пропускающие свет тела, ограниченные криволинейными поверхностями (n _линзы ≠ n_{отр среды}).

Различают по конструкции:

-сферические

-цилиндрические

По характеру действия:

-собирающие

-рассеивающие

Собирающие линзы – преобразующие параллельный пучок света в сходящийся.

Рассеивающие линзы – преобразующие параллельный пучок света в расходящийся.

Линза определенной конструкции м/б как собирающей, та ки рассеивающей, в зависимости от n линзы и n окружающей среды.

 

nЛ>nокр. ср   nЛ<nокр. ср

nЛ<nокр. ср         nЛ>nокр. ср

O

F F

1/F=D

1дптр= m^-1

 

О F F   a     Фокальная плоскость т.а – побочный фокус

а     О F F

Построение изображения в линзах

P О P` F F

P Р`` O F F а

т. P – является изображением.

т. P` – действительное изображение т.Р, если она образована пересечением самих лучей, сходящихся в ней, после преломления в линзе.

т. Р`` - мнимое изображение т.Р, если она образована пересечением продолжения луча в обратную сторону.

N`

 

 

N

O

P` F P F

 

P` - мнимое; увеличенное

d<F

 

Оптическая система глаза

Оптическая система глаза содержит:

- Светопреломляющие среды (роговица (1); водянистая влага впереди камеры (2); хрусталик (3); стекловидное тело (4))

- Световоспринимающие среды – на ней образуется изображение предмета (сетчатка (5))

Для построения изображения предмета пользуются приведенным глазом, который рассматривает все преломляющие среды, как однородную сферическую собирающую линзу с показателем преломления n=1.4.

 

 

1 2 3 О 4 F 5

 

 

 

6.8 мм 16мм 0.6мм

 

23.4 мм

F=16мм=0,016м

D=1/F=1/0.016=62.5 дптр

 

N

 

β O P`

P 2F F F 2F

N`

 

d F

P` - действительное; уменьшенное; перевернутое

P`N`/f=PN/d=tgβ

P`N`=f*tgβ

Для глаза: f=const

Угол β – угол зрения – это угол м/у лучами идущими от крайних точек предмета ч/з оптический центр.

У каждого человека есть β – минимальное.

В норме βmin=1 мин=1`.

Острота зрения – м/т рассматриваться как способность и как величина.

-это способность видеть раздельно 2 близкие точки предмета (разрешающая способность глаза)

-как величина – это βmin нормы/βmin данного человека = 1` - острота зрения.

 

Аккомодация (приспособление)

1/d+1/f=1/F, для человека f=const; меняется лишь фокусное расстояние F.

Процесс изменения фокусного расстояния глаза для четкого видения предмета на разных расстояниях осуществляется путем изменения кривизны хрусталика, происходи рефлекторно и без участия сознания.

Без аккомодации изображение попадает на сетчатку.

d_min – предел аккомодации.

 

Волновая оптика. Свет как электромагнитные волны. Некогерентность обычных источников света

 

λ радио ИК ВИД УФ Re γ ν

Волновая оптика – это часть теории электромагнитных волн Максвелла.

Свет, в узком смысле – это то же, что и видимое излучение, т.е. ЭМ волны в интервале частот воспринимаемых человеческим глазом; причем различие в частоте воспринимается как различие в цвете от красного до фиолетового.

Свет, в широком смысле – это то же, что и оптическое излучение, которое включает в себя кроме видимого еще и ИФК и УФ.

В ЭМ волне колеблются векторы:

E – вектор напряженности Э.П.

H – вектор напряженности М.П.

Т.к. фотохимическая, физиологическая и ряд других действий света, вызываются колебаниями вектора E, то его называют световым вектором.

Уравнение плоской гармонической волны вектора Е:

E= E_max * sinW(t-x/υ), где E_max – амплитуда; W – циклическая частота 2πν; t – время; x – координаты точки на линии распространения волны; υ – скорость волны в среде (υ=с/n).

Отметим, что в этом уравнении есть уравнение волны, излучаемой одним отдельным атомом источника света.

Свет от источника – это есть наложение огромного числа ЭМ волн, изучаемых атомами макроисточника света (свет тела).

В обычных (за исключением лазеров), источниках света, атомы излучают несогласованно (с разными фазами/частотами), вследствие чего условие когерентности (постоянства во времени разности фаз, разными частотами) не выполняется.

Поэтому говорят, что обычные источники света некогерентны.

 

 

Интерференция света. Проблема и методы наблюдения интерференции света от обычных (некогерентных) источников света

Интерференция света – это явление наложения когерентных ЭМ волн, вследствие чего происходит перераспределение энергии этих волн в пространстве.

Для обычных источников света – ЭМ волны некогерентны.

В естественных условиях мы не наблюдаем интерференционной картины, в виде чередования светлых (max) и темных (min) участков в окружающем нас пространстве.

Однако, ряд ученых наблюдали интерференцию света, используя для этого специальные методы, в основе которых лежит следующее:

-создание узкого светового пучка

-разделение его на 2 или более части

-заставить эти части идти разными путями (создать разность хода)

-вновь наложить

 

-если вектора E₁ и E₂ сонаправлены, то происходит усиление результирующего поля

-если вектора E₁ и E₂ разнонаправлены, то происходит ослабление результирующего поля

-если вектора E₁ и E₂ равны и разнонаправлены, то в точке идеальный min.

Рассмотрим метод Юнга

 

 

O₁

 

* O max

 

O₂

P

 

 

Рассмотрим проекцию т.Р на экране.

Пусть ОО₁=ОО₂

О₁P= r₁

О₂Р= r₂

∆r = r₁-r₂

Условия max: ∆r = 2kλ/2

Условия min: ∆r = (2k+1)λ/2, где k=0,+-1 и т.д.

Также используются метод тонких пленок; метод направления на зеркала стоящие под углом.

 

Условия max и min интерференции световых волн при их распространении в разных средах

 

1ср O₁

R₁

 

n₁ P

n₂

 

2ср R₂

O₂

ν₁ = ν₂ = ν

λ=C/ν

λ₁ = υ₁/ν

λ₂ = υ₂/ν

Т.к. υ₁≠υ₂, то λ₁≠λ₂

 

В качестве единой длины волны в условиях max и min, используют длину света в вакууме – λ=С/ν.

Предполагается, что у свет в среде, движется как бы со скоростью С.

-тогда в n₁ свет проходит не r₁, а r₁*n

-тогда во n₂ – r₂*n

-тогда разность хода световой волны: ∆= r₁n₁ – r₂n₂

Подставляем все в условия max и min: ∆rà∆; λàλ₀

-условия max: ∆=2k*λ₀/2

-условия min: ∆=2k+1* λ₀/2, где ∆=r₁n₁-r₂n₂ – называется оптической разностью хода; ∆r – геометрическая разность хода; rn= l – оптическая длина пути.

Оптическая длина пути – это то расстояние, которое прошла бы световая волна, если бы она двигалась в среде не со скоростью υ, а со скоростью С.