Svet, poimannyi v veshestve
24.06.2003 23:51 | A. V. Seliverstov/Phys.Web.Ru

Avtorskii variant stat'i, opublikovannoi v Enciklopedii dlya detei i yunoshestva izdatel'stva "Avanta+" (tom 16 "Fizika", chast' 2)

---

Pochemu poverhnost' vody v akvariume prozrachna, esli smotret' sverhu, a pri vzglyade snizu blestit, kak zerkalo? Za otvetom na etot prostoi vopros skryvaetsya ni mnogo ni malo, a revolyuciya v sredstvah svyazi.

Lyuboi luch, idushii sverhu vniz cherez granicu "vozduh-voda", chastichno otrazhaetsya ot nee, a chastichno prelomlyaetsya v vodu. A vot luch, idushii snizu, mozhet vesti sebya po-drugomu. Skorost' svetovoi volny v vode men'she, chem v vozduhe, v 3/4 raza. Iz zakona prelomleniya sleduet, chto sinus ugla prelomleniya (v vozduhe) v 4/3 raza bol'she, chem sinus ugla padeniya (v vode). Poetomu luch, ugol padeniya kotorogo raven 48.5° (sin 48.5° = 3/4), dolzhen prelomit'sya pod uglom 90° (sin 90° = 1) i poiti parallel'no poverhnosti (ego nazyvayut skol'zyashim luchom). A dlya vseh luchei, padayushih pod uglom bol'she etogo, prelomlennyh luchei ne naidetsya: ved' sinus ugla ne mozhet byt' bol'she edinicy. Poskol'ku net prelomleniya, to svet otrazitsya polnost'yu, kak ot zerkala! Eto - polnoe vnutrennee otrazhenie.

Etomu yavleniyu mozhno pridumat' interesnoe primenenie. Posvetiv vnutr' dlinnoi prozrachnoi trubki s vodoi (ili prosto vnutr' vodyanoi strui), mozhno zastavit' chast' luchei dvigat'sya vnutri nee, otrazhayas' ot stenok. Svet budet poiman v trubku, dazhe esli ona izognuta, i ego mozhno peredavat' bez pomoshi raznoobraznyh zerkal i linz. Takie ustroistva (navernoe, po analogii s vodoprovodom) nazyvayutsya svetovodami. Oni poluchili shirokoe rasprostranenie; pravda, udobnee delat' ih ne iz vody.

Struktura svetovoda

Obychnye svetovody, ispol'zuemye seichas v svyazi i komp'yuternyh setyah, imeyut mnogosloinuyu strukturu. Snaruzhi oni zakryty neskol'kimi sloyami zashitnyh pokrytii, vnutri kotoryh - kvarcevaya serdcevina s vysokim pokazatelem prelomleniya (n₀ = 1.465) i obolochka, tozhe kvarcevaya, s bolee nizkim (n₁ = 1.460). Etoi raznicy dostatochno, chtoby rasprostranyayushiisya vnutri svet ispytyval polnye vnutrennie otrazheniya ot stenok serdceviny i puteshestvoval na mnogie kilometry vdol' volokna. Svet budet prohodit' po takomu svetovodu, dazhe esli ego izognut', zavyazat' v uzel ili... proglotit': odno iz pervyh prakticheskih primenenii dlya svetovodov nashlos' v medicine. Endoskop, sostoyashii iz lampochki i svetovodov, sposoben peredavat' izobrazheniya vnutrennih organov.

Zatuhanie izlucheniya v optovolokne. Istochnik: CITforum

Osobenno shiroko svetovody stali ispol'zovat'sya dlya svyazi posle razrabotki kompaktnyh poluprovodnikovyh lazerov, s serediny 70-h godov XX veka. Kvarc, iz nitei kotorogo sozdayut volokna, slabo pogloshaet svet opredelennyh chastot, lezhashih v nevidimom infrakrasnom diapazone, a poluprovodnikovye lazery (inache ih nazyvayut lazernymi diodami) - prekrasnye istochniki imenno takih voln. Luchshie obrazcy opticheskih volokon pozvolyayut peredavat' izluchenie na rasstoyanie 130 kilometrov, pri etom do "finisha" dohodit 10% energii sveta. V obychnom okonnom stekle takie poteri budut nablyudat'sya uzhe cherez 2 metra...

No glavnoe preimushestvo opticheskih linii svyazi ne v etom. Po voloknu mozhno peredavat' informaciyu s ogromnoi skorost'yu - poryadka 10¹² bit v sekundu. Drugimi slovami, odin svetovod pozvolyaet translirovat' srazu million teleprogramm, ili 10 millionov telefonnyh razgovorov, ili peredavat' za odnu sekundu soderzhimoe tysyachi kompakt-diskov! Segodnyashnyaya tehnika ne ischerpyvaet i sotoi doli vozmozhnostei opticheskoi svyazi.

Krome togo, takoi svetovod ne trebuet metalla (kvarc mozhno pereplavlyat' iz peska), dostatochno mal i legok. Ego diametr bez zashitnoi obolochki - 125 mikron, a massa odnogo kilometra volokna vsego 25-40 grammov.

Tipy svetovodov: a) odnomodovyi; b) mnogomodovyi.

Opticheskie volokna mogut byt' dvuh vidov: mnogomodovye i odnomodovye. V mnogomodovom svetovode diametr serdceviny dostatochno velik (50-80 mkm), v nem rasprostranyaetsya bol'shoe kolichestvo luchei (mod izlucheniya). V odnomodovom serdcevina sravnima po razmeru s dlinoi volny izlucheniya (8-10 mkm), difrakcionnye effekty gorazdo sil'nee, i poetomu mozhet rasprostranyat'sya tol'ko odin luch (moda). V etom sluchae umen'shaetsya zatuhanie, no uslozhnyaetsya montazh i ispol'zovanie linii svyazi, ona obhoditsya dorozhe.

Pervye shagi optovolokonnaya svyaz' sdelala v 1975 godu, kogda poyavilis' pervye mnogomodovye lazernye diody s izlucheniem na dline volny 0.85 mkm. Za sem' posleduyushih let poyavilis' vtoroe i tret'e pokolenie lazerov - odnomodovye istochniki na 1.3 i 1.55 mkm, dlya kotoryh pogloshenie sveta men'she. Bolee novye i bolee dorogie izluchateli v itoge, kak ni stranno, pomogli udeshevit' opticheskie informacionnye linii: dal'nost' svyazi po odnomu voloknu bez dorogih i slozhnyh opticheskih usilitelei dostigla 300 km.

Issledovaniya prodolzhalis', poyavilos' novoe pokolenie opticheskih linii svyazi - kogerentnye sistemy. V nih informaciya peredaetsya pri pomoshi modulyacii chastoty ili fazy izlucheniya. Eto obespechivaet bOl'shuyu dal'nost' rasprostraneniya signalov po opticheskomu voloknu - tysyachi kilometrov. Ispol'zovanie v takih sistemah special'nyh opticheskih volokon, soderzhashih erbii (oni mogut v 10-15 raz usilivat' svetovoi signal), uzhe v nachale XXI veka pozvolit oputat' ves' zemnoi shar "vsemirnoi pautinoi" (angl. worldwide web, WWW) - optovolokonnymi setyami, vysokoskorostnymi liniyami komp'yuternoi svyazi, nadezhno zashishennymi ot proslushivaniya.

Publikacii s klyuchevymi slovami: optika Publikacii so slovami: optika
Sm. takzhe: Refraktor memorial'noi observatorii im. Krosbai Remseya Kol'ca N'yutona Uchenye sdelali budushee eshe chernee Stranica professional'nogo optika Romana Evgen'evicha Il'inskogo Uchebnik "Interferenciya sveta" Obrazovatel'nyi server optika E.D.Trifonov "Eshe raz o raduge" Vse publikacii na tu zhe temu >>