Ánh sáng là sóng điện từ có tần số cực cao vàsợi quangbản thân nó là một ống dẫn sóng điện môi; do đó, lý thuyết truyền ánh sáng trong sợi quang là vô cùng phức tạp. Sự hiểu biết toàn diện đòi hỏi kiến thức về lý thuyết trường điện từ, lý thuyết quang học sóng và thậm chí cả lý thuyết trường lượng tử.
Để giúp bạn hiểu rõ hơn, sách giáo khoa này thảo luận về nguyên lý-dẫn ánh sáng của sợi quang từ góc độ quang học hình học, trực quan, trực quan hơn và dễ hiểu hơn. Hơn nữa, đối với sợi quang đa mode, do kích thước hình học của chúng lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng nên sóng ánh sáng có thể được coi là một tia đơn, đây là điểm khởi đầu cơ bản của quang học hình học.
Nguyên lý phản xạ toàn phần
“Khi ánh sáng truyền trong một môi trường đồng nhất, nó truyền theo đường thẳng, nhưng khi đến mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau thì xảy ra hiện tượng phản xạ và khúc xạ. Sự phản xạ và khúc xạ của ánh sáng được thể hiện trên Hình 2-4.
Theo định luật phản xạ, góc phản xạ bằng góc tới; theo định luật khúc xạ, n₁sinθ₁=n₂sinθ₂. Trong đó n₁ là chiết suất của lõi sợi; n₂ là chiết suất của lớp bọc.
Rõ ràng, nếu n₁ > n₂ thì θ₂ > θ₁. Nếu tỷ lệ n₁ và n₂ tăng đến một mức nhất định, góc khúc xạ θ₂ Lớn hơn hoặc bằng 90 độ và ánh sáng khúc xạ sẽ không còn đi vào lớp bọc nữa mà sẽ bị khúc xạ dọc theo giao diện giữa lõi sợi và lớp bọc (khi θ₂=90 độ ) hoặc quay trở lại lõi sợi để truyền (khi θ₂ > 90 độ ). Hiện tượng này gọi là sự phản xạ toàn phần của ánh sáng. Như được hiển thị trong Hình 2-5."
Góc tới tương ứng với góc khúc xạ θ₂=90 độ được gọi là góc tới hạn (θ₀), có thể dễ dàng thu được.
Dễ hiểu là khi phản xạ toàn phần xảy ra trong sợi quang, vì hầu hết ánh sáng đều truyền trong lõi sợi và không có ánh sáng nào thoát vào lớp bọc nên độ suy giảm của sợi giảm đi rất nhiều. Bước đầu{1}}sợi quang chỉ mục được thiết kế dựa trên khái niệm này.
Sự truyền ánh sáng trong sợi quang chỉ mục-bước
(1) Sự lan truyền của tia sáng trong sợi quang Để dễ hiểu, trước tiên chúng ta sẽ sử dụng lý thuyết phương pháp tia để mô tả đơn giản sự truyền sóng ánh sáng trong sợi quang. Khi một chùm ánh sáng được ghép vào sợi quang từ mặt cuối, có thể có các dạng tia sáng khác nhau trong sợi: tia kinh tuyến và tia xiên. Hình 2-6a cho thấy một tia luôn truyền trong mặt phẳng chứa trục trung tâm 00' của sợi quang và cắt trục trung tâm hai lần trong một chu kỳ truyền. Loại tia này được gọi là tia kinh tuyến và mặt phẳng chứa trục trung tâm của sợi quang được gọi là mặt phẳng kinh tuyến. Hình 2-6a thể hiện mặt phẳng kinh tuyến MN. Một loại khác là quỹ đạo của tia sáng trong quá trình truyền không nằm trong cùng một mặt phẳng và không cắt trục trung tâm của sợi quang. Loại tia này được gọi là tia xiên, như minh họa trong Hình 2{17}}6b. Việc phân tích tia xiên khá phức tạp ngay cả khi sử dụng lý thuyết phương pháp tia. Điều này là do sự truyền của các tia xiên không phải trong một mặt phẳng giống như các tia kinh tuyến, mà là theo một mô hình xoắn ốc trong không gian ba chiều, như được minh họa trong Hình 2-6b. Phân tích yêu cầu sử dụng tọa độ ba chiều, hơi trừu tượng, nhưng nguyên tắc dẫn ánh sáng cơ bản của nó giống như phương pháp kinh tuyến nên không cung cấp phân tích chi tiết.
(2) Sự lan truyền kinh tuyến trong sợi chỉ số bước-Sự lan truyền của kinh tuyến trong sợi chỉ số bước-được hiển thị trong Hình 2-7. Sợi chiết suất bậc bao gồm một lõi có chiết suất n2và một lớp vỏ có chiết suất n1, ở đâu n1và n2là các hằng số và n1> n2.
“Khi ánh sáng O từ không khí đi vào (n₀= 1) vào bề mặt đầu sợi quang ở góc φ₁, một phần ánh sáng sẽ đi vào sợi quang. Tại thời điểm này, theo định luật Snell n₀sinφ₁=n₁sinθ₁, và vì chiết suất lõi sợi n₁> n₀(chiết suất không khí), góc khúc xạ θ₁ < φ₁ và ánh sáng tiếp tục truyền đi, tới góc θᵢ=90 độ - θ₁ tới bề mặt giữa lõi sợi quang và lớp bọc. Nếu θᵢ nhỏ hơn góc tới hạn θc=arcsin(n₂/n₁) tại bề mặt lõi sợi và lớp bọc thì một phần ánh sáng sẽ bị khúc xạ vào lớp bọc và bị mất, trong khi một phần khác phản xạ trở lại lõi sợi. Bằng cách này, sau vài lần phản xạ và khúc xạ, tia sáng này sẽ nhanh chóng bị suy giảm. Nếu φ₁ giảm xuống φ₀ (như trong tia sáng ②), thì θᵢ cũng giảm, trong khi θᵢ=90 độ - θ₁ tăng. Nếu φ₁ tăng vượt quá góc tới hạn θc thì tia sáng này sẽ trải qua phản xạ nội toàn phần tại lõi sợi và giao diện lớp bọc, với toàn bộ năng lượng được phản xạ trở lại lõi sợi. Khi nó tiếp tục lan truyền và gặp lại giao diện lõi sợi và lớp bọc, hiện tượng phản xạ toàn phần lại xảy ra. Lặp lại quá trình này, ánh sáng có thể được truyền từ một đầu dọc theo đường ngoằn ngoèo đến đầu kia.
Chúng ta hãy phân tích φ₁ phải nhỏ đến mức nào để truyền ánh sáng từ đầu này của sợi quang đến đầu kia.
Giả sử φ₁=φ₀, thì θc=θc₀, θᵢ=θc, n₀=1, ta có: n₀sinφ₀=sinφ₀=n₁sinθ₀=n₁sin(90 độ - θc)=n₁cosθc
Do đó, chúng ta có: sinφ₀=n₁cosθc=n₁√(1 - sin²θc)=n₁√(1 - (n₂/n₁)²)=n₁√(2Δ)=√(n₁² - n₂²)
Trong phương trình, Δ là hiệu chiết suất tương đối của sợi quang, Δ=(n₁² - n₂²)/(2n₁²) ≈ (n₁ - n₂)/n₁.
Từ đó có thể thấy rằng miễn là góc tới φ₁ Nhỏ hơn hoặc bằng φ₀ ở bề mặt đầu sợi quang, ánh sáng có thể được truyền qua phản xạ toàn phần trong lõi sợi. φ₀ được gọi là góc tới tối đa của bề mặt đầu sợi quang và 2φ₀ là góc chấp nhận ánh sáng tối đa của sợi quang."
(Hình 2-7 Sự lan truyền kinh tuyến trong sợi quang chỉ số bước)
"(3) Khẩu độ số: Vì chênh lệch giữa n₁ và n₂ nhỏ nên sin của góc tới tối đa ở bề mặt đầu sợi quang khi xảy ra phản xạ nội toàn phần trong sợi quang là sinφ₀ ≈ φ₀, được gọi là khẩu độ số của sợi quang, thường được ký hiệu là NA (Khẩu độ số), tức là:
NA=sinφ₀=n₁√2Δ=√(n₁² - n₂²)
Phương trình này thể hiện khả năng thu thập-ánh sáng của sợi quang. Bất kỳ tia sáng tới nào có góc tới nhỏ hơn φ₀ đều có thể thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn phần và sẽ bị giới hạn trong lõi sợi để truyền dọc theo hướng trục. Có thể thấy rằng khẩu độ số của sợi quang tỷ lệ thuận với căn bậc hai của chênh lệch chiết suất tương đối. Nói cách khác, chênh lệch chiết suất giữa lõi sợi và lớp bọc càng lớn thì khẩu độ số của sợi quang càng lớn và khả năng thu thập-ánh sáng của nó càng mạnh."
Sự truyền ánh sáng trong sợi quang-màu được phân loại
Chiết suất của lõi của sợi chiết suất-được phân cấp không phải là hằng số; nó giảm dần khi bán kính sợi tăng dần cho đến khi bằng chiết suất của lớp bọc, như trong Hình 2-8. Để phân tích sự truyền ánh sáng trong sợi chiết suất được phân loại, có thể sử dụng một phương pháp tương tự như "định nghĩa tích phân" trong toán học. Đầu tiên, lõi sợi được chia thành nhiều lớp hình trụ mỏng đồng tâm. Mỗi lớp rất mỏng và chiết suất của nó gần như không đổi trong mỗi lớp. Có một sự chênh lệch nhỏ về chiết suất giữa các lớp liền kề.
Mặt phẳng kinh tuyến và phân lớp của sợi quang-chỉ mục được phân loại được thể hiện trong Hình 2-8. Chiết suất của mỗi lớp thỏa mãn mối quan hệ sau: n(rO) > n(r1)>n(r2)>n(r4)>…>n(r),Khi một tia sáng tới từ mặt cuối của sợi quang ở góc trung bình, sự truyền của nó trong sợi quang nhiều lớp có chiết suất khác nhau được thể hiện trong Hình 2-8. Khi tia tới mặt phân cách giữa lớp 1 và lớp 2 với góc tới θ, vì tia truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém hơn nên góc khúc xạ θ của nó sẽ lớn hơn θ. Như thể hiện trong hình, tia này sau đó sẽ khúc xạ tại giao diện giữa lớp 2 và lớp 3 với góc tới mới là θ, v.v. Vì ánh sáng luôn truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang hơn nên góc tới của nó tăng dần, tức là 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="">
(Hình 2-8 Mặt phẳng kinh tuyến và phân lớp sợi quang có tỷ lệ phân loại)
