Неизвестное в известном: волоконная оптика | Статья в журнале «Юный ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 30 октября, печатный экземпляр отправим 3 ноября.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Научный руководитель:

Исчерпывающий список литературы Отличный выбор методов исследования Высокая теоретическая значимость Актуальная тема исследования

Рубрика: Физика

Опубликовано в Юный учёный №7 (48) июль 2021 г.

Дата публикации: 30.06.2021

Статья просмотрена: 13 раз

Библиографическое описание:

Горюшина, К. А. Неизвестное в известном: волоконная оптика / К. А. Горюшина, Е. М. Гуськова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2021. — № 7 (48). — С. 30-32. — URL: https://moluch.ru/young/archive/48/2599/ (дата обращения: 17.10.2021).



Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут, поэтому данная отрасль является широким полем для деятельности. В работе представлены преимущества и недостатки волоконно-оптических кабелей на основе физических явлений и законов волновой оптики. Новизна и оригинальность заключается в представлении в практической части исследования явления полного отражения света и моделировании распространения светового луча по уравнению цепной линии.

Ключевые слова: оптическое волокно , волоконно-оптическая линия связи, оптический кабель, полное внутреннее отражение, световод, градиент показателя преломления, уравнение светового луча.

Линии связи все шире используются для передачи информации. Низкие потери при передаче сигнала позволяют считать самой перспективной средой для передачи больших потоков данных на значительные расстояния. По мнению автора данной работы, недостаточная информированность пользователей о возможностях ВОЛС и удобствах ее пользователей, проблемы затухания волоконного световода, дорогостоящее технологическое оборудование и т. п. причины не должны препятствовать развитию и применению технологии волоконно-оптической линии связи в информационных сетях.

Актуальность. В век современных технологий и расширения информационного пространства каждому человеку важна удобная, скоростная и доступная связь. Изучение данной проблемы я считаю перспективной для себя потому, что мне бы хотелось в будущем заниматься автоматизацией и электронными технологиями.

Цель работы : рассмотреть оптическое волокно как среду для оптической цифровой передачи информации, изучить физические явления и законы волоконной оптики, определяющие принцип работы оптического волокна.

Представленные в работе выводы позволяют всем желающим убедиться в том, что оптическое волокно оказалось той средой передачи, которая сможет удовлетворить возрастающие потребности людей в обмене информацией. Практическая и теоретическая значимость исследования заключается в том, что результаты полученных данных об особенностях передачи информации с физической точки зрения, а также о перспективах использования оптического волокна можно применять на уроках физики, внеурочной деятельности, в быту при использовании ВОЛС.

Волоконная оптика является относительно молодой областью науки и техники. 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-оптические линии связи (ВОЛС) — это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием «оптическое волокно» [1, с. 23].

Исследование 1. Явление полного отражения

Цель исследования: изучить явления полного внутреннего отражения светового луча.

Оборудование: кювета, вода (водопроводная кипяченая/отстоявшаяся несколько дней), насыщенный раствор поваренной соли, лазерная указка.

Ход работы:

Следует учитывать, что результат опыта будет хорошо заметен только в темном помещении. Итак, необходимо направить лазерную указку в воду как показано на рис.1 Мы видим, что при угле падения больше 49 о свет отражается и скользит вдоль раздела воды и воздуха. [3]

Демонстрация явления полного отражения света. [3]

Рис. 1. Демонстрация явления полного отражения света. [3]

Вывод: эффект полного внутреннего отражения используется в оптических волокнах. Осевая часть волокна (сердцевина) формируется из стекла с более высоким показателем преломления, чем окружающая оболочка. Такие световоды используются для построения волоконно-оптических кабелей. [4]

Исследование 2. Моделирование уравнения светового луча

Цель исследования: провести сравнительный анализ хода светового луча, полученного экспериментально с рассчитанным по уравнению светового луча графиком.

Оборудование: компьютер, программа JavaScript.

Ход работы:

График уравнения светового луча представляет собой правую ветвь классической параболы. Значение y возрастает очень быстро. При значении х около 50, значение светового пучка достигает сотни миллиардов. Поэтому в качестве интервала для построения графика были выбраны значение х от 0 до 1. Используя библиотеку для построения графиков JavaScript, значение х я задавала программно, формируя массив значений от 0 до 1 с шагом 0,001. Дальше для каждого значения х, по формуле для уравнения светового луча

рассчитывалось значение у (см. рис.2)

Компьютерная программа для построения траектории светового луча (цепной линии) по уравнению гиперболического косинуса

Рис. 2. Компьютерная программа для построения траектории светового луча (цепной линии) по уравнению гиперболического косинуса

Сравнение теоретических данных с данными, полученными в ходе исследования хода светового луча

Рис. 3. Сравнение теоретических данных с данными, полученными в ходе исследования хода светового луча

Вывод: полученную графическую модель сравнили с физической (см. рис.3) Убедились в том, что выстроенная с использованием программы JavaScript цепная линия (гиперболический конус) совпадает с волноводной траекторией распространения света.

В ходе работы выяснили, что световод (сельфок) представляет собой тонкое волокно, вытянутое из оптического стекла. Свет распространяется по произвольно изогнутому световоду волнообразно, последовательно изгибаясь в ту или другую сторону, благодаря полному внутреннему отражению от его поверхности. [2] Градиент показателя преломления k или grand n характеризует скорость изменения показателя преломления среды в направлении оси Оу. В оптически неоднородной среде с постоянным градиентом показателя преломления свет распространяется по цепной линии (см. исследование 2). Чем больше градиент показателя преломления, тем меньше радиус кривизны, т. е. тем сильнее искривляется световой луч, проходящий сквозь оптически неоднородную среду.

Таким образом, убедились в том, что любое физическое явление можно использовать в качестве модели другого физического явления, используя методы градиентной оптики, как в данном случае. При распространении светового луча в неоднородной среде на границе раздела между жидкостей изменяется показатель преломления среды, поэтому среда становиться градиентной. Чем резче меняется показатель преломления вдоль оси Оу, тем больше изгиб светового луча, направление изгиба которого определяется направлением градиента показателя преломления. Световой луч изгибается в сторону от меньших показателей преломления к большим значениям показателя преломления. В оптически однородной среде градиент показателя преломления равен нулю, а радиус кривизны траектории луча — бесконечности. Следовательно, в таких средах свет распространяется прямолинейно.

Литература:

  1. «Волоконно-оптические системы передачи и кабели» Справочник. Под ред. Гроднева И. И., Мурадяна А. Г., Шарафутдинова Р. М. и др., М., Радио и связь, 1993–264стр.
  2. FiberTop: Инструменты и приборы для работы с ВОЛС. / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: https://fibertop.ru (дата обращения 25.01.2021)
  3. Журнал «Квант»: Свет в неоднородной среде. / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: http://kvant.mccme.ru (дата обращения 1.03.2021)
  4. NVTC: Явление полного отражения. / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: http://www.nvtc.ee (дата обращения 1.03.2021)


Ключевые слова

оптическое волокно, оптический кабель, волоконно-оптическая линия связи, полное внутреннее отражение, световод, градиент показателя преломления, уравнение светового луча
Задать вопрос