Se știe că viteza luminii v într-o substanță transparentă este mai mică decât viteza luminii c = 300 000 km / s în vid. Raportul cu / v = n este indicele de refracție a luminii în materie.
Un fascicul de lumină care se propagă într-un mediu cu un indice de refracție n1. și incident la limita cu un mediu care are un indice de refracție mai mic n2. va rupe și va continua mișcarea în cel de-al doilea mediu (Figura 2.1, fasciculul 1).
Dacă unghiul de incidență al luminii j1 este mărit, atunci și unghiul de refracție j2 crește. La j2 = 90 °, fasciculul refractat va aluneca de-a lungul interfeței dintre cele două medii. Unghiul de incidență la care se produce acest lucru se numește unghiul reflexiei interne totale (raza 2 din Figura 2.1). Dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul reflexiei interne totale, atunci fasciculul de lumină (fasciculul 3) nu intră în mediu cu un indice de refracție mai mic, dar este reflectat complet spre interior. Este acest principiu al reflexiei interne totale care permite fibrelor optice să efectueze lumină.
Fibra constă dintr-un miez (nucleu) și o cochilie. Carcasa înconjoară un miez dens dens, care este partea de lumină a fibrei.
Indicele de refracție al miezului este n1. dar a coajă-ului n2. și întotdeauna n1> n2.
Luați în considerare calea razelor de lumină din fibră (Figura 2.2):
Să presupunem asta Este unghiul de incidență al fasciculului luminos și # 952; 2 - unghiul de refracție al acestei raze.
Deoarece n1> n2. atunci există un unghi critic de incidență Q1 = # 952; la care unghiul de refracție Q2 va fi de 90 de grade (Sin90 = 1), cu lumina care nu intră în cochilie.
Figura 2.2 - Calea razelor de lumină din fibră
Apoi, conform legii lui Snell. (2.1)
Dacă unghiul de incidență la interfață este mai mic decât unghiul critic al incidenței (Ray 2), atunci cu fiecare reflexie internă energia se disipează spre exterior, ceea ce duce la atenuarea luminii.
Este necesar să se ia în considerare faptul că lumina este injectată în capătul fibrei. În același timp, o rază, refractată de capătul ei, va cădea pe suprafața laterală a fibrei. Și ar trebui să cadă astfel încât să se reflecte complet de pe suprafața laterală. Se pune întrebarea, la ce unghi trebuie să se introducă fasciculul în fibră?
Modul de reflexie internă totală predetermină condiția de aplicare a luminii la capătul de intrare al OB, deoarece OB trece numai lumina închisă în unghiul solid # 952; A. Acest unghi solid este caracterizat printr-o deschidere.
Diafragma este unghiul dintre axa optică și unul dintre generatoarele conului luminos care intră în capătul fibrei, la care este îndeplinită condiția de reflexie internă totală.
Unghiul de intrare a fluxului de lumină în fibra optică trebuie să fie mai mic decât unghiul de deschidere.
Astfel, deschiderea ghidajului de lumină este unghiul maxim posibil al intrării razei la sfârșitul fibrei. Utilizați de obicei noțiunea de diafragmă numerică:
Pentru aer n0 = 1. Pentru o fibră cu un profil de treaptă, valoarea diafragmei numerice este exprimată în termeni de indicatori de refracție:
NA = Sin # 952; A = (2.4)
Pentru cuarț, n1 ≈ 1,47, n2 ≈ 1,46, NA = 0,17, # 952; A ≈ 10 0.
Unul dintre cei mai importanți parametri care caracterizează o fibră este diferența relativă a indicilor de refracție # 916;
Într-un ghid de undă cu fibră, pot exista trei tipuri de valuri - ghidate, radiate și emise. Razele, ale căror traiectorii se află complet într-un mediu optic mai dens, se numesc direcții. Energia razelor direcționate nu este împrăștiată spre exterior și astfel de raze se pot propaga pe distanțe lungi. Undele radiate apar datorită radiațiilor introduse în afara deschiderii și deja la începutul liniei sunt emise în spațiul din jur. Undele de ieșire (raze de cochilie) se propagă parțial de-a lungul fibrei, iar piesa este radiată în spațiul din jur.
În fibrele moderne indicele de refracție al cochiliei n2 este de obicei mai mic decât n1 (indicele de refracție al miezului) cu 0,36%, adică:
Modul de operare al OB depinde de frecvența nominală. a cărui valoare se calculează prin formula:
unde ac este raza nucleului OM.
În cazul în care <2.405 - то в волокне будет распространяться только одна мода (одномодовый режим ). С увеличением значения нормированной частоты число распространяющихся мод в ОВ возрастает, т. е, при> 2.405 este un mod multimode.
În cazul în care: 2.405 <<3,832 – то в ОВ распространяется 4 моды.
Lungimea minimă de undă la care se propagă un singur mod în fibră se numește lungimea de undă a fibrei de cutoff. a căror valoare este determinată de expresie ca:
Dacă lungimea de undă de lucru este mai mică decât lungimea de undă cutoff, atunci are loc un mod de propagare a luminii multimod.