Propagación de ondas electromagnéticas en diferentes ambientes obedece las leyes de la reflexión y la refracción. De estas leyes, bajo ciertas condiciones, se sigue un efecto interesante, que en física se llama completo reflexión interna Sveta. Echemos un vistazo más de cerca a qué es este efecto.

Reflexión y refracción

Antes de proceder directamente a la consideración de la interna reflejo completo luz, es necesario explicar los procesos de reflexión y refracción.

La reflexión se entiende como un cambio en la dirección de movimiento de un haz de luz en el mismo entorno cuando encuentra alguna interfaz. Por ejemplo, si dirige desde un puntero láser a un espejo, puede observar el efecto descrito.

La refracción es, como la reflexión, un cambio en la dirección del movimiento de la luz, pero no en el primero, sino en el segundo entorno. El resultado de este fenómeno será una distorsión de los contornos de los objetos y su disposición espacial. Un ejemplo común de refracción es cuando un lápiz o bolígrafo se rompe si se coloca en un vaso de agua.

La refracción y la reflexión están relacionadas entre sí. Casi siempre están presentes juntos: parte de la energía del haz se refleja y la otra parte se refracta.

Ambos fenómenos son el resultado de la aplicación del principio de Fermat. Afirma que la luz se mueve a lo largo de una trayectoria de este tipo entre dos puntos, lo que le llevará menos tiempo.

Dado que la reflexión es un efecto que ocurre en un medio y la refracción es en dos medios, es importante para este último que ambos medios sean transparentes a las ondas electromagnéticas.

Concepto de índice de refracción

El índice de refracción es una cantidad importante para la descripción matemática de los fenómenos considerados. El índice de refracción de un medio en particular se define de la siguiente manera:

Donde cyv son las velocidades de la luz en el vacío y la materia, respectivamente. La cantidad v siempre es menor que c, por lo que el exponente n será mayor que uno. El coeficiente adimensional n muestra cuánta luz en una sustancia (medio) se retrasará con respecto a la luz en el vacío. La diferencia de estas velocidades conduce a la aparición del fenómeno de refracción.

La velocidad de la luz en la materia se correlaciona con la densidad de esta última. Cuanto más denso es el medio, más difícil es que la luz se mueva en él. Por ejemplo, para aire n = 1.00029, es decir, casi como para un vacío, para agua n = 1.333.

Reflexiones, refracción y sus leyes.

Las superficies brillantes de un diamante son un excelente ejemplo del resultado de la reflexión total. El índice de refracción de un diamante es 2,43, por lo que muchos rayos de luz que inciden en una gema experimentan múltiples reflejos totales antes de abandonarla.

El problema de determinar el ángulo crítico θc para el diamante

Considerar tarea sencilla, donde mostraremos cómo usar las fórmulas dadas. Es necesario calcular cuánto cambiará el ángulo crítico de reflexión total si se coloca un diamante del aire en el agua.

Habiendo observado los valores de los índices de refracción de los medios indicados en la tabla, los escribimos:

  • para aire: n 1 = 1.00029;
  • para agua: n 2 = 1,333;
  • para el diamante: n 3 = 2,43.

El ángulo crítico para el par diamante-aire es:

θ c1 = arcosen (n 1 / n 3) = arcosen (1,00029 / 2.43) ≈ 24.31 o.

Como ves, el ángulo crítico para este par de medios es bastante pequeño, es decir, solo esos rayos pueden salir del diamante al aire, que estará más cerca de lo normal que los 24,31 o.

Para el caso de un diamante en agua, obtenemos:

θ c2 = arcosen (n 2 / n 3) = arcosen (1.333 / 2.43) ≈ 33.27 o.

El aumento del ángulo crítico fue:

Δθ c = θ c2 - θ c1 ≈ 33,27 o - 24,31 o = 8,96 o.

Este ligero aumento en el ángulo crítico para la reflexión total de la luz en un diamante hace que brille en el agua casi como lo hace en el aire.

Señalamos en el § 81 que cuando la luz incide en la interfaz entre dos medios, la energía luminosa se divide en dos partes: una parte se refleja, la otra parte penetra a través de la interfaz en el segundo medio. Usando el ejemplo de la transición de la luz del aire al vidrio, es decir, de un medio ópticamente menos denso a un medio ópticamente más denso, vimos que la fracción de la energía reflejada depende del ángulo de incidencia. En este caso, la fracción de energía reflejada aumenta fuertemente a medida que aumenta el ángulo de incidencia; sin embargo, incluso en ángulos de incidencia muy grandes, cerca de, cuando el haz de luz casi se desliza a lo largo de la interfaz, parte de la energía de la luz pasa sin embargo al segundo medio (ver §81, Tablas 4 y 5).

Surge un fenómeno nuevo e interesante si la luz que se propaga en un medio cae en la interfaz entre este medio y un medio que es ópticamente menos denso, es decir, que tiene una menor indicador absoluto refracción. Aquí, también, la fracción de la energía reflejada aumenta con un aumento en el ángulo de incidencia, pero el aumento sigue una ley diferente: a partir de un cierto ángulo de incidencia, toda la energía luminosa se refleja desde la interfaz. Este fenómeno se llama reflexión interna total.

Considere nuevamente, como en §81, la incidencia de la luz en la interfaz vidrio-aire. Deje que el haz de luz caiga desde el vidrio sobre la interfaz en diferentes ángulos de incidencia (Fig. 186). Si medimos la proporción de energía luminosa reflejada y la proporción de energía luminosa que pasó a través de la interfaz, se obtienen los valores dados en la tabla. 7 (el vidrio, como en la Tabla 4, tenía un índice de refracción).

Arroz. 186. Reflexión interna total: el espesor de los rayos corresponde a la fracción de los descargados o transmitidos a través de la interfaz de la energía luminosa.

El ángulo de incidencia desde el cual toda la energía luminosa se refleja desde la interfaz se denomina ángulo límite de la reflexión interna total. El vaso para el que se compila la tabla. 7 (), ángulo límite es aproximadamente.

Tabla 7. Fracciones de energía reflejada para diferentes ángulos de incidencia durante la transición de la luz del vidrio al aire.

Ángulo de incidencia

Ángulo de refracción

Proporción de energía reflejada (en%)

Tenga en cuenta que cuando la luz incide en la interfaz en un ángulo límite, el ángulo de refracción es igual, es decir, en la fórmula que expresa la ley de refracción para este caso,

con debemos poner o. Desde aqui encontramos

En ángulos de incidencia, no existen grandes rayos refractados. Formalmente, esto se deriva del hecho de que para ángulos de incidencia mayores de la ley de refracción para, se obtienen valores mayores que la unidad, lo que obviamente es imposible.

Mesa 8 muestra los ángulos límite de reflexión interna total para algunas sustancias, cuyos índices de refracción se dan en la tabla. 6. Es fácil verificar la validez de la relación (84.1).

Tabla 8. Ángulo límite de la reflexión interna total en el límite con el aire

Sustancia

Disulfuro de carbono

Vidrio (pedernal pesado)

Glicerol

Se puede observar una reflexión interna total en el borde de las burbujas de aire en el agua. Brillan porque caen sobre ellos luz del sol se refleja completamente sin pasar al interior de las burbujas. Esto se nota especialmente en aquellas burbujas de aire que siempre están presentes en los tallos y hojas de las plantas submarinas y que al sol parecen estar hechas de plata, es decir, de un material que refleja muy bien la luz.

La reflexión interna total se utiliza en el dispositivo de prismas giratorios e inversores de vidrio, cuya acción es clara en la Fig. 187. El ángulo límite de un prisma depende del índice de refracción de un tipo de vidrio dado; por tanto, el uso de tales prismas no encuentra dificultades con respecto a la selección de los ángulos de entrada y salida de los rayos de luz. Los prismas giratorios realizan con éxito las funciones de los espejos y tienen la ventaja de que sus propiedades reflectantes permanecen sin cambios, mientras que los espejos de metal: se desvanecen con el tiempo debido a la oxidación del metal. Cabe señalar que el prisma giratorio es más simple en términos de la estructura del sistema de giro equivalente de espejos. Los prismas giratorios se utilizan, en particular, en periscopios.

Arroz. 187. La trayectoria de los rayos en un prisma giratorio de vidrio (a), un prisma envolvente (b) y en un tubo de plástico curvo: una fibra óptica (c)

El ángulo límite de reflexión total es el ángulo de incidencia de la luz en la interfaz entre dos medios, correspondiente al ángulo de refracción de 90 grados.

La fibra óptica es la sección de óptica que estudia fenomeno fisico surgiendo y fluyendo en fibras ópticas.

4. Propagación de ondas en un medio ópticamente no homogéneo. Explicación de la flexión de los rayos. Espejismos. Refracción astronómica. Entorno no homogéneo para ondas de radio.

Espejismo fenómeno óptico en la atmósfera: reflejo de la luz por el límite entre capas de aire que son muy diferentes en densidad. Para el observador, tal reflexión consiste en el hecho de que, junto con un objeto distante (o una parte del cielo), su imagen virtual, desplazada con respecto al objeto, es visible. Los espejismos se dividen en inferiores, visibles debajo del objeto, superiores, encima del objeto y laterales.

Espejismo inferior

Se observa con un gradiente de temperatura vertical muy grande (su caída con la altura) sobre una superficie plana sobrecalentada, a menudo un desierto o una carretera asfaltada. La imagen virtual del cielo crea la ilusión de agua en la superficie. Entonces, la carretera que se aleja en un día caluroso de verano parece húmeda.

Espejismo superior

Observado sobre el frio superficie del suelo con una distribución de temperatura invertida (crece con su altura).

Fata Morgana

Los fenómenos complejos de un espejismo con una fuerte distorsión de la apariencia de los objetos se llaman Fata Morgana.

Espejismo volumétrico

En las montañas, muy raramente, bajo ciertas condiciones, uno puede ver un "yo distorsionado" por un poco quemarropa... Este fenómeno se explica por la presencia de vapor de agua "estancado" en el aire.

Refracción astronómica: el fenómeno de refracción de los rayos de luz de cuerpos celestiales al atravesar la atmósfera / Dado que la densidad de las atmósferas planetarias siempre disminuye con la altura, la refracción de la luz se produce de tal manera que el haz curvo con su convexidad se dirige en todos los casos hacia el cenit. En este sentido, la refracción siempre "eleva" las imágenes de los cuerpos celestes por encima de su verdadera posición.

La refracción causa una serie de efectos ópticos-atmosféricos en la Tierra: un aumento la duración del día debido a que el disco solar, debido a la refracción, se eleva sobre el horizonte unos minutos antes del momento en que el Sol debería haber salido por consideraciones geométricas; aplanamiento de los discos visibles de la Luna y el Sol cerca del horizonte debido a que el borde inferior de los discos se eleva por refracción más alto que el superior; parpadeo de estrellas, etc. Debido a la diferencia en la magnitud de refracción de los rayos de luz con diferentes longitudes de onda (los rayos azules y violetas se desvían más que los rojos), se produce una coloración aparente de los cuerpos celestes cerca del horizonte.

5. El concepto de onda polarizada linealmente. Polarización de la luz natural. Radiación no polarizada. Polarizadores dicroicos. Polarizador y analizador de luz. Ley de Malus.

Polarización de onda- el fenómeno de violación de la simetría de la distribución de perturbaciones en transverso onda (por ejemplo, la fuerza de los campos eléctricos y magnéticos en ondas electromagnéticas) con respecto a la dirección de su distribución. V longitudinal En una onda no puede surgir polarización, ya que las perturbaciones en este tipo de ondas siempre coinciden con la dirección de propagación.

lineal: las oscilaciones de perturbación ocurren en un plano. En este caso, dicen sobre " plano polarizado ola ";

circular: el final del vector de amplitud describe un círculo en el plano de vibración. Dependiendo de la dirección de rotación del vector, puede ser Derecha o izquierda.

La polarización de la luz es el proceso de ordenar las oscilaciones del vector de intensidad del campo eléctrico de una onda de luz cuando la luz pasa a través de algunas sustancias (durante la refracción) o cuando se refleja el flujo de luz.

Un polarizador dicroico contiene una película que contiene al menos una sustancia orgánica dicroica, cuyas moléculas o fragmentos de moléculas tienen una estructura plana. Al menos parte de la película es cristalina. Una sustancia dicroica tiene al menos un máximo de la curva de absorción espectral en los rangos espectrales de 400 - 700 nm y / o 200 - 400 nm y 0,7 - 13 μm. En la fabricación de un polarizador, se aplica una película que contiene una sustancia orgánica dicroica a un sustrato, se le aplica un efecto de orientación y se seca. En este caso, las condiciones de aplicación de la película y el tipo y la magnitud del efecto de orientación se eligen de modo que el parámetro de orden de la película correspondiente al menos a un máximo en la curva de absorción espectral en el rango espectral de 0,7 - 13 μm tenga un valor de al menos 0,8. La estructura cristalina de al menos parte de la película es una red cristalina tridimensional formada por moléculas dicroicas. materia orgánica... La expansión del rango espectral de la operación del polarizador se proporciona con una mejora simultánea de sus características de polarización.

Ley de Malus - ley física, que expresa la dependencia de la intensidad de la luz polarizada linealmente después de su paso por el polarizador del ángulo entre los planos de polarización de la luz incidente y el polarizador.

dónde I 0 - la intensidad de la luz incidente en el polarizador, I- la intensidad de la luz que sale del polarizador, k a es el coeficiente de transparencia del polarizador.

6. Fenómeno de Brewster. Fórmulas de Fresnel para el coeficiente de reflexión de ondas, vector electrico que se encuentra en el plano de incidencia, y para ondas cuyo vector eléctrico es perpendicular al plano de incidencia. La dependencia de los coeficientes de reflexión del ángulo de incidencia. El grado de polarización de las ondas reflejadas.

La ley de Brewster es una ley de la óptica que expresa la relación entre el índice de refracción y un ángulo en el que la luz reflejada desde la interfaz estará completamente polarizada en el plano perpendicular al plano de incidencia, y el haz refractado está parcialmente polarizado en el plano. de incidencia, y la polarización del rayo refractado alcanza el mayor valor... Es fácil establecer que en este caso los rayos reflejados y refractados son mutuamente perpendiculares. El ángulo correspondiente se llama ángulo de Brewster. Ley de Brewster: donde norte 21 es el índice de refracción del segundo medio en relación con el primero, θ Br- ángulo de incidencia (ángulo de Brewster). Las amplitudes de las ondas incidente (U pad) y reflejada (U ref) en la línea KBV están relacionadas por la relación:

K bv = (U pad - U neg) / (U pad + U neg)

A través del coeficiente de reflexión de voltaje (K U), KBV se expresa de la siguiente manera:

K bv = (1 - K U) / (1 + K U) Con una naturaleza puramente activa de la carga, el KBV es igual a:

K bv = R / ρ en R< ρ или

K bv = ρ / R para R ≥ ρ

donde R es la resistencia activa de la carga, ρ es la impedancia de onda de la línea

7. El concepto de interferencia lumínica. La adición de dos ondas incoherentes y coherentes, cuyas líneas de polarización coinciden. Dependencia de la intensidad de la onda resultante al sumar dos ondas coherentes sobre la diferencia de sus fases. El concepto de diferencia geométrica y óptica en la trayectoria de las ondas. Términos generales para observar los altibajos de la interferencia.

La interferencia de luz es una suma no lineal de las intensidades de dos o más ondas de luz. Este fenómeno se acompaña de máximos y mínimos de intensidad que se alternan en el espacio. Su distribución se llama patrón de interferencia. Con la interferencia de la luz, se produce una redistribución de energía en el espacio.

Las ondas y las fuentes que las excitan se denominan coherentes si la diferencia de fase de las ondas no depende del tiempo. Las ondas y las fuentes que las excitan se denominan incoherentes si la diferencia de fase de las ondas cambia con el tiempo. Fórmula para la diferencia:

, dónde , ,

8. Métodos de laboratorio observaciones de interferencia de luz: experimento de Jung, biprisma de Fresnel, espejos de Fresnel. Cálculo de las posiciones de los máximos y mínimos de la interferencia.

La experiencia de Young: en el experimento, un haz de luz se dirige a una pantalla opaca con dos rendijas paralelas, detrás de las cuales se instala una pantalla de proyección. Este experimento demuestra la interferencia de la luz, que es una prueba de la teoría de las ondas. La peculiaridad de las ranuras es que su ancho es aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz emitida. El efecto del ancho de la ranura sobre la interferencia se analiza a continuación.

Si partimos del hecho de que la luz se compone de partículas ( teoría corpuscular de la luz), luego, en la pantalla de proyección, solo se podían ver dos franjas de luz paralelas que atravesaban los cortes de la pantalla. Entre ellos, la pantalla de proyección permanecería prácticamente apagada.

Biprisma de Fresnel - en física - un prisma doble con ángulos muy pequeños en los vértices.
El biprisma de Fresnel es un dispositivo óptico que permite generar dos ondas coherentes a partir de una fuente de luz, lo que permite observar un patrón de interferencia estable en la pantalla.
El biprisma de Frenkel sirve como medio de prueba experimental de la naturaleza ondulatoria de la luz.

Los espejos de Fresnel son un dispositivo óptico propuesto en 1816 por O. J. Fresnel para observar el fenómeno de interferencia de haces de luz coherentes. El dispositivo consta de dos espejos planos I y II, formando un ángulo diedro que difiere de 180 ° en sólo unos mínimos angulares (ver Fig. 1 en el Art. Interferencia de la luz). Cuando los espejos se iluminan desde la fuente S, se puede considerar que los haces de rayos reflejados por los espejos emanan de fuentes coherentes S1 y S2, que son imágenes virtuales de S. En el espacio donde los haces se superponen, se produce interferencia. Si la fuente S es lineal (rendija) y paralela al borde de la zona fotónica, entonces cuando se ilumina con luz monocromática, se observa un patrón de interferencia en forma de franjas oscuras y claras paralelas a la rendija en la pantalla M , que se puede instalar en cualquier lugar de la región de vigas superpuestas. La distancia entre las rayas se puede utilizar para determinar la longitud de onda de la luz. Los experimentos llevados a cabo con circonio fotónico fueron una de las pruebas decisivas de la naturaleza ondulatoria de la luz.

9. Interferencia de luz en películas delgadas. Condiciones para la formación de franjas claras y oscuras en luz reflejada y transmitida.

10. Rayas de igual pendiente y rayas de igual espesor. Anillos de interferencia de Newton. Radios de anillos claros y oscuros.

11. Interferencia de luz en películas delgadas con incidencia normal de luz. Recubrimiento de dispositivos ópticos.

12. Interferómetros ópticos de Michelson y Jamen. Determinación del índice de refracción de una sustancia mediante interferómetros de dos haces.

13. El concepto de interferencia de luz multihaz. Interferómetro de Fabry-Perot. Suma de un número finito de ondas de igual amplitud, cuyas fases forman una progresión aritmética. Dependencia de la intensidad de la onda resultante de la diferencia de fase de las ondas interferentes. La condición para la formación de los máximos y mínimos principales de la interferencia. La naturaleza del patrón de interferencia multihaz.

14. El concepto de difracción de ondas. Parámetro ondulatorio y límites de aplicabilidad de las leyes de la óptica geométrica. Principio de Huygens-Fresnel.

15. Método de zonas de Fresnel y prueba de propagación de luz rectilínea.

16. Difracción de Fresnel en un agujero redondo. Radios de zonas de Fresnel para frente de onda esférico y plano.

17. Difracción de luz sobre un disco opaco. Cálculo del área de zonas de Fresnel.

18. El problema de aumentar la amplitud de la onda al pasar por un agujero redondo. Placas de amplitud y zona de fase. Placas de enfoque y zona. Lente de enfoque como un caso límite de una placa de zona de fase escalonada. Zonificación de lentes.

Óptica geométrica y ondulatoria. Condiciones para aplicar estos enfoques (a partir de la relación entre la longitud de onda y el tamaño del objeto). Coherencia de ondas. El concepto de coherencia espacial y temporal. Radiación estimulada. Peculiaridades radiación láser... La estructura y el principio de funcionamiento del láser.

Debido al hecho de que la luz es un fenómeno ondulatorio, existe interferencia, como resultado de lo cual limitado el haz de luz no se propaga en ninguna dirección, pero tiene una distribución angular finita, es decir, tiene lugar la difracción. Sin embargo, en los casos en que las dimensiones transversales características de los haces de luz son lo suficientemente grandes en comparación con la longitud de onda, se puede despreciar la divergencia del haz de luz y asumir que se propaga en una sola dirección: a lo largo del haz de luz.

La óptica ondulatoria es una sección de la óptica que describe la propagación de la luz, teniendo en cuenta su naturaleza ondulatoria. Fenómenos de la óptica ondulatoria: interferencia, difracción, polarización, etc.

Interferencia de ondas: amplificación mutua o debilitamiento de la amplitud de dos o más ondas coherentes que se propagan simultáneamente en el espacio.

La difracción de ondas es un fenómeno que se manifiesta como una desviación de las leyes de la óptica geométrica durante la propagación de ondas.

Polarización: procesos y estados asociados con la separación de cualquier objeto, principalmente en el espacio.

En física, la coherencia es la correlación (consistencia) de varios procesos oscilatorios u ondulatorios en el tiempo, que se manifiesta cuando se suman. Las oscilaciones son coherentes si su diferencia de fase es constante en el tiempo y cuando se suman las oscilaciones se obtiene una oscilación de la misma frecuencia.

Si la diferencia de fase entre dos oscilaciones cambia muy lentamente, se dice que las oscilaciones permanecen coherentes durante algún tiempo. Este tiempo se llama tiempo de coherencia.

Coherencia espacial: la coherencia de las oscilaciones que ocurren al mismo tiempo en diferentes puntos plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

La radiación estimulada es la generación de un nuevo fotón durante la transición de un sistema cuántico (átomo, molécula, núcleo, etc.) de un estado excitado a uno estable (un nivel de energía) bajo la influencia de un fotón inductor, cuya energía era igual a la diferencia de energía entre los niveles. El fotón creado tiene la misma energía, momento, fase y polarización que el fotón inductor (que no se absorbe).


La radiación láser puede ser continua, con potencia constante, o pulsada, alcanzando potencias máximas extremadamente altas. En algunos esquemas, el elemento de trabajo del láser se utiliza como amplificador óptico para la radiación de otra fuente.

Base fisica El fenómeno de la radiación estimulada (inducida) sirve como operación láser. La esencia del fenómeno es que un átomo excitado es capaz de emitir un fotón bajo la acción de otro fotón sin absorberlo, si la energía de este último es igual a la diferencia entre las energías de los niveles del átomo antes y después de la radiación. . En este caso, el fotón emitido es coherente con el fotón que causó la radiación (es su " copia exacta"). Así, la luz se amplifica. Esto difiere de la emisión espontánea, en la que los fotones emitidos tienen direcciones aleatorias de propagación, polarización y fase.

Todos los láseres tienen tres partes principales:

entorno activo (de trabajo);

sistemas de bombeo (fuente de energía);

resonador óptico (puede estar ausente si el láser funciona en el modo amplificador).

Cada uno de ellos asegura el desempeño de sus funciones específicas para el funcionamiento del láser.

Óptica geométrica. El fenómeno de la reflexión interna completa. El ángulo límite de reflexión total. Camino del rayo. Fibra óptica.

La óptica geométrica es una rama de la óptica que estudia las leyes de propagación de la luz en medios transparentes y los principios de construcción de imágenes cuando la luz atraviesa. sistemas ópticos sin tener en cuenta sus propiedades ondulatorias.

Reflexión interna total: reflexión interna, siempre que el ángulo de incidencia exceda un cierto ángulo crítico. En este caso, la onda incidente se refleja completamente y el valor del coeficiente de reflexión excede su máximo valores grandes para superficies pulidas. La reflectancia en la reflexión interna total es independiente de la longitud de onda.

Ángulo límite de reflexión interna total

El ángulo de incidencia en el que el rayo refractado comienza a deslizarse a lo largo de la interfaz entre dos medios sin pasar a un medio ópticamente más denso.

Camino del rayo en espejos, prismas y lentes

Los rayos de luz de una fuente puntual se propagan en todas direcciones. En los sistemas ópticos, al inclinarse hacia atrás y reflejarse en las interfaces entre los medios, algunos de los rayos pueden volver a cruzarse en algún punto. Un punto se llama imagen puntual. Al hacer rebotar un haz de espejos, se cumple la ley: "el haz reflejado siempre se encuentra en los mismos planos que el haz incidente y la normal a la superficie de rebote, que pasa por el punto de incidencia, y el ángulo de incidencia calculado a partir de este normal es igual al ángulo de rebote ".

Fibra óptica: este término significa

una rama de la óptica que estudia los fenómenos físicos que surgen y ocurren en las fibras ópticas, o

productos de las industrias de la ingeniería de precisión, que incluyen componentes basados ​​en fibras ópticas.

Los dispositivos de fibra óptica incluyen láseres, amplificadores, multiplexores, demultiplexores y muchos otros. Los componentes de fibra óptica incluyen aisladores, espejos, conectores, divisores, etc. La base de un dispositivo de fibra óptica es su circuito óptico, un conjunto de componentes de fibra óptica conectados en una secuencia determinada. Los circuitos ópticos pueden estar cerrados o abiertos, con realimentación o sin ella.

En algún ángulo de incidencia de la luz $ (\ alpha) _ (pad) = (\ alpha) _ (pred) $, que se llama ángulo límite, el ángulo de refracción es $ \ frac (\ pi) (2), \ $ en este caso, el rayo refractado se desliza sobre la interfaz entre los medios, por lo tanto, el rayo refractado está ausente. Entonces a partir de la ley de refracción podemos escribir que:

Foto 1.

En el caso de la reflexión total, la ecuación es:

no tiene solución en el rango de valores reales del ángulo de refracción ($ (\ alpha) _ (pr) $). En este caso, $ cos ((\ alpha) _ (pr)) $ es puramente imaginario. Si pasamos a las fórmulas de Fresnel, entonces conviene representarlas en la forma:

donde el ángulo de incidencia se denota por $ \ alpha $ (para abreviar la escritura), $ n $ es el índice de refracción del medio donde se propaga la luz.

De las fórmulas de Fresnel se puede ver que los módulos $ \ left | E_ (otr \ bot) \ right | = \ left | E_ (otr \ bot) \ right | $, $ \ left | E_ (otr //) \ right | = \ left | E_ (otr //) \ right | $, lo que significa que el reflejo está "completo".

Observación 1

Cabe señalar que la onda no homogénea no desaparece en el segundo medio. Entonces, si $ \ alpha = (\ alpha) _0 = (arcsin \ left (n \ right), \ then \) $ $ E_ (pr \ bot) = 2E_ (pr \ bot). $ Violaciones de la ley de conservación de energía en un caso dado no. Dado que las fórmulas de Fresnel son válidas para un campo monocromático, es decir, para un proceso de estado estacionario. En este caso, la ley de conservación de la energía requiere que el cambio promedio de energía en el segundo medio durante el período sea igual a cero. La onda y la fracción de energía correspondiente penetra a través de la interfaz en el segundo medio a una pequeña profundidad del orden de la longitud de onda y se mueve en él en paralelo a la interfaz con una velocidad de fase que es menor que la velocidad de fase de la onda en el segundo medio. Vuelve al primer miércoles en un punto que se desplaza desde el punto de entrada.

La penetración de la onda en el segundo medio se puede observar experimentalmente. La intensidad de la onda de luz en el segundo medio se nota solo a distancias más cortas que la longitud de onda. Cerca de la interfaz, en la que incide una onda de luz, que sufre una reflexión total, en el lado del segundo medio, se puede ver el resplandor de una capa delgada si hay una sustancia fluorescente en el segundo medio.

La reflexión total causa espejismos cuando la superficie de la tierra se ha fiebre alta... Así, el reflejo completo de la luz que proviene de las nubes da la impresión de que hay charcos en la superficie del asfalto calentado.

En la reflexión normal, las relaciones $ \ frac (E_ (otr \ bot)) (E_ (pad \ bot)) $ y $ \ frac (E_ (otr //)) (E_ (pad //)) $ son siempre reales . Cuando se reflejan en su totalidad, son complejos. Esto significa que en este caso la fase de la onda sufre un salto, mientras es distinta de cero o $ \ pi $. Si la onda está polarizada perpendicular al plano de incidencia, entonces podemos escribir:

donde $ (\ delta) _ (\ bot) $ es el salto de fase requerido. Igualando las partes real e imaginaria, tenemos:

De las expresiones (5) obtenemos:

En consecuencia, para una onda que está polarizada en el plano de incidencia, puede obtener:

Los saltos de fase de $ (\ delta) _ (//) $ y $ (\ delta) _ (\ bot) $ no son iguales. La onda reflejada estará polarizada elípticamente.

Aplicar la reflexión completa

Digamos que dos medios idénticos están separados por un espacio de aire delgado. Una onda de luz cae sobre él en un ángulo mayor que el límite. Puede desarrollarse de tal manera que penetre en el entrehierro como una onda no homogénea. Si el grosor del espacio es pequeño, esta onda alcanzará el segundo límite de la sustancia y no se debilitará mucho. Habiendo pasado del espacio de aire a la sustancia, la onda volverá a ser homogénea. Newton llevó a cabo un experimento de este tipo. El científico presionó otro prisma en la cara hipotenusa de un prisma rectangular, que fue pulido esféricamente. En este caso, la luz pasó al segundo prisma no solo donde se tocan, sino también en un pequeño anillo alrededor del contacto, en un lugar donde el grosor del espacio es comparable a la longitud de onda. Si las observaciones se realizaron con luz blanca, entonces el borde del anillo tenía un color rojizo. Así debe ser, ya que la profundidad de penetración es proporcional a la longitud de onda (para los rayos rojos es mayor que para los azules). Al cambiar el grosor del espacio, puede cambiar la intensidad de la luz transmitida. Este fenómeno formó la base del teléfono ligero, que fue patentado por Zeiss. En este dispositivo, una membrana transparente actúa como uno de los medios, que vibra bajo la influencia del sonido que cae sobre ella. La luz que pasa a través del espacio de aire cambia de intensidad con el tiempo con los cambios en la intensidad del sonido. Cuando golpea la fotocélula, genera una corriente alterna que cambia de acuerdo con los cambios en la intensidad del sonido. La corriente resultante se amplifica y se utiliza más.

Los fenómenos de penetración de ondas a través de espacios delgados no son específicos de la óptica. Esto es posible para una onda de cualquier naturaleza si la velocidad de fase en el espacio es mayor que la velocidad de fase en medio ambiente. La importancia de este fenómeno tiene en física nuclear y atómica.

El fenómeno de la reflexión interna total se utiliza para cambiar la dirección de propagación de la luz. Para ello se utilizan prismas.

Ejemplo 1

Ejercicio: Dé un ejemplo de un fenómeno de reflexión común.

Solución:

Se puede dar un ejemplo. Si la carretera está muy caliente, entonces la temperatura del aire es máxima cerca de la superficie del asfalto y disminuye al aumentar la distancia desde la carretera. Esto significa que el índice de refracción del aire es mínimo en la superficie y aumenta al aumentar la distancia. Como resultado, los rayos que tienen un ángulo pequeño con respecto a la superficie de la carretera se reflejan completamente. Si concentra su atención, cuando conduce en un automóvil, en una sección adecuada de la superficie de la carretera, puede ver el automóvil conduciendo al revés bastante adelante.

Ejemplo 2

Ejercicio:¿Cuál es el ángulo de Brewster para un rayo de luz que cae sobre la superficie del cristal si el ángulo límite de reflexión total para un rayo dado en la interfaz aire-cristal es 400?

Solución:

\ [(tg (\ alpha) _b) = \ frac (n) (n_v) = n \ left (2.2 \ right). \]

De la expresión (2.1) tenemos:

Sustituya el lado derecho de la expresión (2.3) en la fórmula (2.2), exprese el ángulo deseado:

\ [(\ alpha) _b = arctg \ left (\ frac (1) ((sin \ left ((\ alpha) _ (pred) \ right) \)) \ right). \]

Realicemos los cálculos:

\ [(\ alpha) _b = arctg \ left (\ frac (1) ((sin \ left (40 () ^ \ circ \ right) \)) \ right) \ approx 57 () ^ \ circ. \]

Respuesta:$ (\ alpha) _b = 57 () ^ \ circ. $