خانه » مشاوره » نحوه پیدا کردن زاویه بازتاب کلی بازتاب درونی کامل در طبیعت و فناوری. مشکل تعیین زاویه بحرانی θc برای الماس

نحوه پیدا کردن زاویه بازتاب کلی بازتاب درونی کامل در طبیعت و فناوری. مشکل تعیین زاویه بحرانی θc برای الماس

سخنرانی 23 اپتیک هندسی

1. قوانین بازتاب و شکست نور.

2. بازتاب داخلی کل. فیبرهای نوری.

3. لنز. قدرت نوری لنز

4. انحرافات لنز.

5. مفاهیم و فرمول های اساسی.

6. وظایف.

هنگام حل بسیاری از مسائل مربوط به انتشار نور، می توانید از قوانین اپتیک هندسی بر اساس ایده پرتو نور به عنوان خطی که انرژی موج نور در طول آن منتشر می شود، استفاده کنید. در یک محیط همگن، پرتوهای نور مستطیل هستند. اپتیک هندسی حالت محدود کننده اپتیک موج است زیرا طول موج به سمت صفر میل می کند (λ →0).

23.1. قوانین بازتاب و شکست نور. بازتاب داخلی کل، راهنمای نور

قوانین بازتاب

انعکاس نور- پدیده ای که در فصل مشترک بین دو رسانه رخ می دهد، در نتیجه یک پرتو نور جهت انتشار خود را تغییر می دهد و در محیط اول باقی می ماند. ماهیت انعکاس به رابطه بین ابعاد (h) بی نظمی سطح بازتابنده و طول موج بستگی دارد. (λ) تابش فرودی.

انعکاس توزیع شده

هنگامی که بی نظمی ها به طور تصادفی قرار می گیرند و اندازه آنها به ترتیب طول موج یا بیشتر از آن است، انعکاس توزیع شده- پراکندگی نور در تمام جهات ممکن. به دلیل انعکاس پراکنده است که اجسام غیر خودنور با بازتاب نور از سطح آنها قابل مشاهده می شوند.

انعکاس آینه

اگر اندازه بی نظمی ها در مقایسه با طول موج کوچک باشد (h<< λ), то возникает направленное, или آینه،بازتاب نور (شکل 23.1). در این صورت قوانین زیر رعایت می شود.

پرتو تابیده، پرتو بازتاب شده، و معمولی به سطح مشترک بین دو محیط، که از نقطه تابش پرتو کشیده شده است، در یک صفحه قرار دارند.

زاویه بازتاب برابر با زاویه برخورد است:β = آ.

برنج. 23.1.مسیر پرتو در انعکاس چشمی

قوانین شکست

هنگامی که یک پرتو نور روی سطح مشترک بین دو رسانه شفاف می افتد، به دو پرتو تقسیم می شود: بازتابی و شکست(شکل 23.2). پرتو شکست در محیط دوم منتشر می شود و جهت خود را تغییر می دهد. مشخصه نوری محیط است مطلق

برنج. 23.2.مسیر پرتوها در هنگام شکست

ضریب شکست،که برابر است با نسبت سرعت نور در خلاء به سرعت نور در این محیط:

جهت پرتو شکست به نسبت ضریب شکست دو محیط بستگی دارد. قوانین شکست زیر رعایت می شود.

پرتو فرود، پرتو شکست، و عادی به سطح مشترک بین دو محیط، که از نقطه تابش پرتو کشیده شده است، در یک صفحه قرار دارند.

نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست مقدار ثابتی برابر با نسبت ضریب شکست مطلق محیط دوم و اول است:

23.2. بازتاب کامل داخلی فیبرهای نوری

اجازه دهید انتقال نور از محیطی با ضریب شکست بالاتر n 1 (از لحاظ نوری چگال تر) به محیطی با ضریب شکست کمتر n 2 (از لحاظ نوری چگالی کمتر) را در نظر بگیریم. شکل 23.3 پرتوهایی را نشان می دهد که روی رابط شیشه-هوا می تابند. برای شیشه، ضریب شکست n 1 = 1.52. برای هوا n 2 = 1.00.

برنج. 23.3.وقوع بازتاب داخلی کل (n 1 > n 2)

افزایش زاویه تابش منجر به افزایش زاویه شکست تا 90 درجه می شود. با افزایش بیشتر در زاویه تابش، پرتو فرودی شکسته نمی شود، اما به طور کاملاز رابط منعکس شده است. این پدیده نامیده می شود بازتاب داخلی کلهنگامی مشاهده می شود که نور از یک محیط متراکم تر به مرزی با یک محیط کمتر متراکم می افتد و شامل موارد زیر است.

اگر زاویه تابش از زاویه محدود برای این رسانه ها بیشتر شود، شکست در سطح مشترک رخ نمی دهد و نور فرودی به طور کامل منعکس می شود.

زاویه برخورد محدود توسط رابطه تعیین می شود

مجموع شدت پرتوهای بازتابی و شکستی برابر با شدت پرتو فرودی است. با افزایش زاویه تابش، شدت پرتو منعکس شده افزایش می یابد و شدت پرتو شکست کاهش می یابد و برای حداکثر زاویه تابش برابر با صفر می شود.

فیبرهای نوری

پدیده انعکاس کلی داخلی در راهنماهای نور انعطاف پذیر استفاده می شود.

اگر نور به انتهای یک فیبر شیشه ای نازک که توسط روکشی با ضریب شکست کمتر احاطه شده است هدایت شود، نور در امتداد فیبر منتشر می شود و بازتاب کامل را در سطح مشترک روکش شیشه ای تجربه می کند. این فیبر نامیده می شود راهنمای نورانحنای راهنمای نور مانع عبور نور نمی شود

در فیبرهای نوری مدرن، اتلاف نور در اثر جذب بسیار ناچیز است (حدود 10 درصد در هر کیلومتر) که امکان استفاده از آنها در سیستم های ارتباطی فیبر نوری را فراهم می کند. در پزشکی، از بسته‌های راهنماهای نوری نازک برای ساخت آندوسکوپ‌ها استفاده می‌شود که برای معاینه بصری اندام‌های داخلی توخالی استفاده می‌شود (شکل 23.5). تعداد فیبرهای یک آندوسکوپ به یک میلیون می رسد.

با استفاده از یک کانال هدایت نور جداگانه که در یک بسته مشترک قرار داده شده است، تابش لیزر به منظور اثرات درمانی بر روی اندام های داخلی منتقل می شود.

برنج. 23.4.انتشار پرتوهای نور در امتداد یک راهنمای نور

برنج. 23.5.آندوسکوپ

راهنماهای نور طبیعی نیز وجود دارد. به عنوان مثال، در گیاهان علفی، ساقه نقش هدایت کننده نور را ایفا می کند و نور را به قسمت زیرزمینی گیاه می رساند. سلول های بنیادی ستون های موازی را تشکیل می دهند که شبیه طراحی راهنماهای نور صنعتی است. اگر

اگر چنین ستونی را با بررسی میکروسکوپ روشن کنید، می بینید که دیواره های آن تاریک می ماند و داخل هر سلول به شدت روشن می شود. عمقی که از این طریق نور به آن منتقل می شود از 4-5 سانتی متر تجاوز نمی کند، اما حتی چنین راهنمای نوری کوتاه برای تامین نور قسمت زیرزمینی گیاه علفی کافی است.

23.3. لنزها قدرت لنز

لنز -یک جسم شفاف که معمولاً توسط دو سطح کروی محدود می شود که هر یک می توانند محدب یا مقعر باشند. خط مستقیمی که از مرکز این کره ها می گذرد نامیده می شود محور نوری اصلی لنز(کلمه خانهمعمولا حذف می شود).

عدسی که حداکثر ضخامت آن به طور قابل توجهی کمتر از شعاع هر دو سطح کروی باشد نامیده می شود لاغر.

با عبور از لنز، پرتو نور تغییر جهت می دهد - منحرف می شود. اگر انحراف به پهلو رخ دهد محور نوری،سپس لنز نامیده می شود جمع آوری،در غیر این صورت لنز نامیده می شود پراکندگی

هر پرتویی که به عدسی جمع کننده موازی با محور نوری برخورد کند، پس از شکست از نقطه ای در محور نوری (F) می گذرد که به نام تمرکز اصلی(شکل 23.6، الف). برای یک لنز واگرا، از فوکوس عبور می کند ادامهپرتو شکست (شکل 23.6، ب).

هر لنز دارای دو نقطه کانونی است که در هر دو طرف قرار دارند. فاصله فوکوس تا مرکز لنز نامیده می شود فاصله کانونی اصلی(و).

برنج. 23.6.تمرکز لنزهای همگرا (الف) و واگرا (ب).

در فرمول های محاسباتی f با علامت "+" برای گرفته شده است جمع آوریلنزها و با علامت "-" برای پراکندهلنزها

متقابل فاصله کانونی نامیده می شود قدرت نوری لنز: D = 1/f. واحد توان نوری - دیوپتر(دوپتر). 1 دیوپتر توان نوری عدسی با فاصله کانونی 1 متر است.

قدرت نوریلنز نازک و آن فاصله کانونیبه شعاع کره ها و ضریب شکست ماده عدسی نسبت به محیط بستگی دارد:

که در آن R 1، R 2 شعاع انحنای سطوح لنز هستند. n ضریب شکست ماده عدسی نسبت به محیط است. علامت "+" برای گرفته شده است محدبسطوح، و علامت "-" برای مقعرممکن است یکی از سطوح صاف باشد. در این حالت، R = ∞ را در نظر بگیرید , 1/R = 0.

از لنزها برای تولید تصاویر استفاده می شود. بیایید جسمی را که عمود بر محور نوری عدسی جمع‌کننده قرار دارد در نظر بگیریم و تصویری از نقطه A بالای آن بسازیم. تصویر کل جسم نیز عمود بر محور عدسی خواهد بود. بسته به موقعیت جسم نسبت به عدسی، دو مورد انکسار پرتوها ممکن است، که در شکل نشان داده شده است. 23.7.

1. اگر فاصله جسم تا عدسی از فاصله کانونی f بیشتر شود، آنگاه پرتوهایی که از نقطه A پس از عبور از عدسی ساطع می شوند. تقاطعدر نقطه A» که نامیده می شود تصویر واقعیتصویر واقعی به دست می آید وارونه

2. اگر فاصله جسم تا عدسی کمتر از فاصله کانونی f باشد، آنگاه پرتوهایی که از نقطه A پس از عبور از عدسی ساطع می شوند. از بین بردن

برنج. 23.7.تصاویر واقعی (الف) و تخیلی (ب) که توسط یک لنز جمع آوری می شوند

در حال راه رفتن هستندو در نقطه A" ادامه آنها را قطع می کنند این نقطه نامیده می شود تصویر خیالیتصویر مجازی به دست می آید مستقیم.

یک عدسی واگرا یک تصویر مجازی از یک شی در تمام موقعیت های آن ارائه می دهد (شکل 23.8).

برنج. 23.8.تصویر مجازی ارائه شده توسط یک لنز واگرا

برای محاسبه تصویر از آن استفاده می شود فرمول لنز،که بین مقررات ارتباط برقرار می کند نکته هاو او تصاویر

جایی که f فاصله کانونی است (برای یک عدسی واگرا این است منفی)، a 1 - فاصله از جسم تا لنز. a 2 فاصله بین تصویر تا لنز است (علامت "+" برای یک تصویر واقعی و علامت "-" برای یک تصویر مجازی گرفته می شود).

برنج. 23.9.پارامترهای فرمول لنز

نسبت اندازه تصویر به اندازه جسم نامیده می شود افزایش خطی:

افزایش خطی با فرمول k = a 2 / a 1 محاسبه می شود. لنز (حتی لاغر)با اطاعت، تصویر "درست" را ارائه می دهد فرمول لنز،فقط در صورت رعایت شرایط زیر:

ضریب شکست عدسی به طول موج نور بستگی ندارد یا نور کافی است. تک رنگ

هنگام به دست آوردن تصاویر با استفاده از لنز واقعیاشیاء، این محدودیت ها، به عنوان یک قاعده، برآورده نمی شوند: پراکندگی رخ می دهد. برخی از نقاط جسم دور از محور نوری قرار دارند. پرتوهای نور فرودی پاراکسیال نیستند، لنز نازک نیست. همه اینها منجر به اعوجاجتصاویر. برای کاهش اعوجاج، لنزهای ابزار نوری از چندین عدسی که نزدیک به هم قرار دارند ساخته می شوند. قدرت نوری چنین عدسی برابر است با مجموع قدرت های نوری عدسی ها:

23.4. انحرافات لنز

انحرافات- نام کلی برای خطاهای تصویری که هنگام استفاده از لنزها رخ می دهد. انحرافات (از لاتین "aberratio"- انحراف) که فقط در نور غیر تک رنگ ظاهر می شوند، نامیده می شوند رنگیهمه انواع دیگر انحرافات هستند تک رنگ،زیرا تجلی آنها به ترکیب طیفی پیچیده نور واقعی مربوط نمی شود.

1. انحراف کروی- تک رنگانحراف ناشی از این واقعیت است که قسمت‌های خارجی (محیطی) عدسی پرتوهایی را که از یک منبع نقطه‌ای می‌آیند با شدت بیشتری نسبت به قسمت مرکزی آن منحرف می‌کنند. در نتیجه، نواحی محیطی و مرکزی لنز تصاویر متفاوتی (به ترتیب S 2 و S" 2) از منبع نقطه ای S 1 تشکیل می دهند (شکل 23.10).بنابراین، در هر موقعیتی از صفحه نمایش، تصویر روی آن به شکل یک نقطه روشن ظاهر می شود.

این نوع انحراف با استفاده از سیستم های متشکل از عدسی های مقعر و محدب از بین می رود.

برنج. 23.10.انحراف کروی

2. آستیگماتیسم- تک رنگیک انحراف شامل این واقعیت است که تصویر یک نقطه به شکل یک نقطه بیضوی است که در موقعیت های خاصی از صفحه تصویر به یک بخش تبدیل می شود.

آستیگماتیسم تیرهای موربزمانی ظاهر می شود که پرتوهای ساطع شده از یک نقطه زوایای قابل توجهی با محور نوری ایجاد کنند. در شکل 23.11، و منبع نقطه ای بر روی محور نوری ثانویه قرار دارد. در این حالت دو تصویر به صورت پاره هایی از خطوط مستقیم که عمود بر یکدیگر در صفحات I و II قرار دارند ظاهر می شوند. تصویر منبع را فقط می توان به صورت یک نقطه تار بین صفحات I و II بدست آورد.

آستیگماتیسم ناشی از عدم تقارنسیستم نوری این نوع آستیگماتیسم زمانی اتفاق می افتد که تقارن سیستم نوری نسبت به پرتو نور به دلیل طراحی خود سیستم شکسته شود. با این انحراف، لنزها تصویری ایجاد می کنند که در آن خطوط و خطوطی که در جهات مختلف قرار گرفته اند، وضوح متفاوتی دارند. این در لنزهای استوانه ای مشاهده می شود (شکل 23.11، b).

یک عدسی استوانه ای یک تصویر خطی از یک جسم نقطه ای را تشکیل می دهد.

برنج. 23.11.آستیگماتیسم: تیرهای مورب (الف); به دلیل استوانه ای بودن عدسی (ب)

در چشم، آستیگماتیسم زمانی ایجاد می شود که عدم تقارن در انحنای سیستم های عدسی و قرنیه وجود داشته باشد. برای اصلاح آستیگماتیسم از عینک هایی استفاده می شود که دارای انحناهای متفاوت در جهات مختلف هستند.

3. تحریف(اعوجاج). هنگامی که پرتوهای ساطع شده از یک جسم زاویه بزرگی با محور نوری ایجاد می کنند، نوع دیگری تشخیص داده می شود. تک رنگانحرافات - اعوجاجدر این حالت شباهت هندسی بین جسم و تصویر نقض می شود. دلیل آن این است که در واقع بزرگنمایی خطی داده شده توسط عدسی به زاویه تابش پرتوها بستگی دارد. در نتیجه، تصویر شبکه مربعی یکی را می گیرد بالش-،یا بشکه ای شکلنمای (شکل 23.12).

برای مبارزه با اعوجاج، یک سیستم لنز با اعوجاج مخالف انتخاب شده است.

برنج. 23.12.اعوجاج: الف - بالشتکی شکل، ب - بشکه ای شکل

4. انحراف رنگیخود را در این واقعیت نشان می دهد که یک پرتو نور سفید که از یک نقطه ساطع می شود، تصویر خود را به شکل یک دایره رنگین کمان می دهد، پرتوهای بنفش بیشتر از قرمز به عدسی تقاطع می کنند (شکل 23.13).

علت انحراف رنگی، وابستگی ضریب شکست یک ماده به طول موج نور فرودی (پراکندگی) است. برای اصلاح این انحراف در اپتیک از عدسی های ساخته شده از شیشه هایی با پراکندگی های مختلف (اکرومات ها، آپوکرومات ها) استفاده می شود.

برنج. 23.13.انحراف رنگی

23.5. مفاهیم و فرمول های اساسی

ادامه جدول

انتهای جدول

23.6. وظایف

1. چرا حباب های هوا در آب می درخشند؟

پاسخ:به دلیل انعکاس نور در سطح مشترک آب و هوا.

2. چرا یک قاشق در یک لیوان آب با دیواره نازک بزرگ به نظر می رسد؟

پاسخ:آب موجود در لیوان به عنوان یک عدسی جمع کننده استوانه ای عمل می کند. ما یک تصویر بزرگ شده خیالی را می بینیم.

3. قدرت نوری لنز 3 دیوپتر است. فاصله کانونی لنز چقدر است؟ پاسخ را بر حسب سانتی متر بیان کنید.

راه حل

D = 1/f، f = 1/D = 1/3 = 0.33 متر. پاسخ: f = 33 سانتی متر.

4. فاصله کانونی دو عدسی به ترتیب برابر است: f = +40 سانتی متر، f 2 = -40 سانتی متر قدرت نوری آنها را پیدا کنید.

6. چگونه می توان فاصله کانونی یک لنز همگرا را در هوای صاف تعیین کرد؟

راه حل

فاصله خورشید تا زمین به قدری زیاد است که تمام پرتوهای تابیده شده به عدسی با یکدیگر موازی هستند. اگر تصویری از خورشید روی صفحه نمایش بگیرید، فاصله لنز تا صفحه نمایش برابر با فاصله کانونی خواهد بود.

7. برای عدسی با فاصله کانونی 20 سانتی متر، فاصله تا جسم را که اندازه خطی تصویر واقعی در آن خواهد بود را پیدا کنید: الف) دو برابر اندازه جسم. ب) برابر با اندازه جسم؛ ج) نصف اندازه جسم.

8. قدرت نوری لنز برای فردی با دید طبیعی 25 دیوپتر است. ضریب شکست 1.4. شعاع انحنای عدسی را در صورتی محاسبه کنید که یک شعاع انحنای عدسی دو برابر بزرگتر از دیگری است.

اپتیک هندسی- شاخه ای از فیزیک که در آن قوانین انتشار نور بر اساس ایده پرتوهای نور (خطوط عادی نسبت به سطوح موجی که در امتداد آن جریان انرژی نور منتشر می شود) در نظر گرفته می شود.

بازتاب کل نور

انعکاس کلی نور پدیده ای است که در آن یک پرتو تابیده شده در سطح مشترک بین دو محیط کاملاً بدون نفوذ به محیط دوم منعکس می شود.

انعکاس کلی نور در زوایای تابش نور روی سطح مشترک رخ می‌دهد که از زاویه محدود بازتاب کلی فراتر می‌رود، زمانی که نور از یک محیط نوری متراکم‌تر به یک محیط نوری با چگالی کمتر منتشر می‌شود.

پدیده انعکاس کامل نور در زندگی ما.

این پدیده در فیبر نوری کاربرد دارد. نوری که با زاویه خاصی وارد یک لوله شفاف نوری می شود و به طور مکرر از دیواره های آن از داخل منعکس می شود، از انتهای دیگر آن خارج می شود (شکل 5). سیگنال ها به این صورت مخابره می شوند.

هنگامی که نور از یک محیط نوری با چگالی کمتر به یک محیط چگال تر، به عنوان مثال از هوا به شیشه یا آب عبور می کند،  1 > 2 ; و طبق قانون شکست (1.4) ضریب شکست n> 1بنابراین > (شکل 10، a): پرتو شکسته به عمود بر سطح مشترک نزدیک می شود.

اگر یک پرتو نور را در جهت مخالف هدایت کنید - از یک محیط نوری متراکم تر به یک محیط نوری کمتر متراکم در امتداد پرتو شکسته قبلی (شکل 10، b)، قانون شکست به صورت زیر نوشته می شود:

پس از خروج از محیط نوری متراکم تر، پرتو شکسته از خط پرتو فرودی قبلی پیروی می کند، بنابراین  < , т. е. преломленный луч отклоняется от перпендикуляра. По мере увеличения угла  زاویه شکست  افزایش می یابد و همیشه بزرگتر از زاویه باقی می ماند  . در نهایت، در یک زاویه تابش مشخص، مقدار زاویه شکست به 90  نزدیک می شود و پرتو شکست تقریباً در امتداد سطح مشترک خواهد رفت (شکل 11). بیشترین زاویه شکست ممکن =90 مربوط به زاویه شلیک است  0 .

بیایید سعی کنیم بفهمیم چه زمانی اتفاق می افتد  > 0 . هنگامی که نور بر روی مرز دو رسانه می افتد، پرتو نور، همانطور که قبلا ذکر شد، تا حدی شکست و تا حدی از آن منعکس می شود. در  > 0 شکست نور غیرممکن است. این بدان معنی است که پرتو باید کاملاً منعکس شود. این پدیده نامیده می شود انعکاس کامل نور.

برای مشاهده انعکاس کلی می توان از یک نیم سیلندر شیشه ای با سطح پشتی مات استفاده کرد. نیم سیلندر روی دیسک ثابت می شود به طوری که وسط سطح صاف نیم سیلندر با مرکز دیسک منطبق است (شکل 12). یک پرتو نور باریک از روشن کننده از پایین به سمت سطح جانبی نیم استوانه عمود بر سطح آن هدایت می شود. پرتو در این سطح شکسته نمی شود. در یک سطح صاف، پرتو تا حدی شکسته و تا حدی منعکس می شود. انعکاس مطابق با قانون انعکاس رخ می دهد و شکست مطابق با قانون شکست رخ می دهد.

اگر زاویه تابش را افزایش دهید، متوجه خواهید شد که روشنایی (و در نتیجه انرژی) پرتو بازتابی افزایش می یابد، در حالی که روشنایی (انرژی) پرتو شکسته کاهش می یابد. انرژی پرتو شکست به ویژه زمانی که زاویه شکست به 90  نزدیک می شود به سرعت کاهش می یابد. در نهایت، هنگامی که زاویه تابش به گونه ای می شود که پرتو شکسته شده در امتداد سطح مشترک می رود (شکل 11 را ببینید)، کسری از انرژی بازتابی تقریباً 100٪ است. بیایید روشنگر را بچرخانیم و زاویه تابش را بسازیم  بزرگ  0 . خواهیم دید که پرتو شکست ناپدید شده است و تمام نور از سطح مشترک منعکس می شود، یعنی بازتاب کامل نور رخ می دهد.

شکل 13 پرتوی از پرتوهای منبعی را نشان می دهد که در آب نزدیک به سطح آن قرار گرفته است. شدت نور بیشتر با یک خط ضخیم تر نشان دهنده پرتو مربوطه نشان داده می شود.

زاویه تابش  0 مربوط به زاویه شکست 90 نامیده می شود محدود کردن زاویه بازتاب کلی. در گناه=1فرمول (1.8) شکل می گیرد

از این برابری مقدار زاویه محدود بازتاب کل را می توان یافت  0 . برای آب (n=1.33) 4835، برای لیوان (n=1.5) مقدار 4151» و برای الماس (n=2.42) این زاویه 2440 اینچ است. در تمام موارد، رسانه دوم هوا است.

مشاهده پدیده بازتاب کلی در آزمایشات ساده آسان است. آب را در یک لیوان بریزید و آن را کمی بالاتر از سطح چشم قرار دهید. سطح آب، وقتی از پایین از طریق دیوار مشاهده می شود، براق به نظر می رسد، گویی به دلیل انعکاس کامل نور نقره ای شده است.

بازتاب کل در اصطلاح استفاده می شود فیبرهای نوریبرای انتقال نور و تصاویر از طریق بسته های الیاف انعطاف پذیر شفاف - راهنمای نور. راهنمای نور یک فیبر شیشه ای استوانه ای است که با غلافی از مواد شفاف با ضریب شکست کمتر از فیبر پوشیده شده است. به دلیل بازتاب کلی چندگانه، نور را می توان در امتداد هر مسیر (مستقیم یا منحنی) هدایت کرد (شکل 14).

الیاف به صورت دسته‌هایی جمع می‌شوند. در این حالت، هر یک از الیاف، عنصری از تصویر را منتقل می کند (شکل 15). از بسته‌های فیبر، به عنوان مثال، در پزشکی برای مطالعه اندام‌های داخلی استفاده می‌شود.

همانطور که فناوری ساخت بسته های بلند الیاف - راهنمای نور - بهبود می یابد، ارتباطات (از جمله تلویزیون) با استفاده از پرتوهای نور شروع به استفاده بیشتر و گسترده تر می کند.

انعکاس کلی نور نشان می دهد که قانون انکسار چه امکانات غنی برای توضیح پدیده های انتشار نور دارد. در ابتدا، بازتاب کامل فقط یک پدیده عجیب بود. اکنون به تدریج به انقلابی در روش های انتقال منجر می شود اطلاعات

فیبرهای نوری

بخش نوری که به انتقال نور و تصاویر از طریق فیبرهای نوری و موجبرها می پردازد. محدوده، به ویژه برای فیبرهای نوری چند هسته ای و بسته های فیبرهای انعطاف پذیر. V. o. در دهه 50 بوجود آمد. قرن 20

در فیبر نوری در جزئیات، سیگنال های نور از یک سطح (انتهای راهنمای نور) به سطح دیگر (خروجی) به عنوان یک مجموعه منتقل می شوند.

انتقال تصویر عنصر به عنصر توسط بخش فیبر: 1 - تصویر ارائه شده به انتهای ورودی. 2 - هسته رسانای نور؛ 3 - لایه عایق; 4 - تصویر موزاییک به انتهای خروجی منتقل می شود.

عناصر تصویر، که هر یک از آنها در امتداد رسانای نور خود منتقل می شود (شکل). در قطعات الیافی معمولاً از الیاف شیشه استفاده می شود که هسته حامل نور آن توسط یک پوسته شیشه ای ساخته شده از شیشه های دیگر با ضریب شکست کمتر احاطه شده است. در نتیجه، در سطح مشترک بین هسته و روکش، پرتوهایی که با زوایای مناسب برخورد می کنند، کاملاً به سمت داخل می شوند. بازتاب و در امتداد هسته راهنمای نور منتشر می شود. علیرغم بسیاری از بازتاب ها، تلفات در الیاف به دلیل Ch. arr جذب نور در توده هسته شیشه ای هنگام ساخت راهنماهای نور از مواد بسیار خالص، می توان تضعیف سیگنال نور را به چندین کاهش داد. ده ها و حتی واحدهای دسی بل در کیلومتر. قطر هسته های راهنمای نور در جزئیات متفاوت است. مقاصد در محدوده چند میکرون تا چند میلی متر قرار دارند. انتشار نور از طریق راهنماهای نور، که قطر آن در مقایسه با طول موج بزرگ است، طبق قوانین اپتیک هندسی رخ می دهد. فقط فیبرهای جداگانه در امتداد الیاف نازکتر (به ترتیب طول موج) منتشر می شوند. انواع امواج یا ترکیبات آنها که در چارچوب اپتیک موج در نظر گرفته می شود.

برای انتقال تصویر به V. o. فیبرهای نوری چند هسته ای سفت و سخت با قرار دادن فیبر منظم استفاده می شود. کیفیت انتقال تصویر با قطر هسته های راهنمای نور، تعداد کل آنها و کمال ساخت تعیین می شود. هر گونه نقص در راهنمای نور تصویر را خراب می کند. به طور معمول، وضوح بسته های فیبر 10-50 خط در میلی متر است، و در راهنماهای نور چند هسته ای سفت و سخت و قطعات متخلخل از آنها - تا 100 خط در میلی متر.

تصویر با استفاده از یک لنز به انتهای ورودی بسته نمایش داده می شود. انتهای خروجی از طریق چشمی مشاهده می شود. برای افزایش یا کاهش معتبر است. برای تصاویر، فوکون ها استفاده می شود - بسته های الیاف با قطر به تدریج افزایش یا کاهش می یابد. آنها شار نور را در انتهای پهن در انتهای خروجی باریک متمرکز می کنند. در همان زمان، روشنایی خروجی و شیب پرتوها افزایش می یابد. افزایش غلظت انرژی نور تا زمانی امکان پذیر است که دیافراگم عددی مخروط پرتوها در خروجی به دیافراگم عددی راهنمای نور برسد (مقدار معمول آن 0.4-1 است). این نسبت شعاع ورودی و خروجی فوکون را محدود می کند که عملاً از پنج تجاوز نمی کند. صفحات برش عرضی از الیاف متخلخل متراکم نیز گسترده شده اند. آنها به عنوان شیشه جلوی لوله های تصویر عمل می کنند و تصویر را به سطح خارجی خود منتقل می کنند. سطح، که اجازه می دهد از آن در تماس عکس گرفته شود. در همان زمان، پایه به فیلم می رسد. بخشی از نور ساطع شده توسط فسفر و روشنایی ایجاد شده بر روی آن ده ها برابر بیشتر از هنگام عکاسی با دوربین با لنز است.

راهنمای نور و سایر فیبرهای نوری. قطعات در فن آوری، پزشکی و بسیاری دیگر از شاخه های تحقیقات علمی استفاده می شود. فیبرهای نوری تک هسته ای مستقیم یا از پیش خم شده و دسته های فیبرهای قطری. 15-50 میکرون در دستگاه های پزشکی برای روشنایی داخلی استفاده می شود. حفره های نازوفارنکس، معده، برونش ها و غیره در چنین دستگاه هایی نور از برق. لامپ توسط یک کندانسور در انتهای ورودی راهنمای نور یا بسته نرم افزاری جمع آوری شده و از طریق آن به داخل حفره روشن تغذیه می شود. استفاده از تورنیکه با قرار دادن منظم الیاف شیشه (آندوسکوپی انعطاف پذیر) به شما امکان می دهد تصویری از دیواره های داخلی را مشاهده کنید. حفره ها، بیماری ها را تشخیص داده و با استفاده از ابزارهای انعطاف پذیر، روش های جراحی ساده را انجام می دهند. عملیات بدون باز کردن حفره راهنماهای نور با یک بافت مشخص در فیلمبرداری با سرعت بالا برای ضبط آهنگ استفاده می شود. h-ts، به عنوان مبدل های اسکن در فتوتلهوگرافی و اندازه گیری تلویزیون. فناوری، به عنوان مبدل کد و به عنوان دستگاه های رمزگذاری. فیبرهای فعال (لیزر) ساخته شده اند که مانند کوانتوم عمل می کنند. تقویت کننده ها و کوانتومی ژنراتورهای نور طراحی شده برای محاسبات با سرعت بالا. ماشین ها و انجام عملکردهای منطقی عناصر، سلول های حافظه، و غیره. به خصوص شفاف نور فیبر نازک با تضعیف چندین. dB/km به عنوان کابل های ارتباطی تلفن و تلویزیون هم در داخل یک شی (ساختمان، کشتی و غیره) و هم در فاصله ده ها کیلومتری از آن استفاده می شود. ارتباط فیبر با ایمنی در برابر نویز، وزن کم خطوط انتقال، صرفه جویی در مصرف مس گران قیمت و ایجاد عایق الکتریکی مشخص می شود. زنجیر.

قطعات فیبر از مواد بسیار خالص ساخته شده اند. یک راهنمای نور و فیبر از مذاب انواع مناسب شیشه گرفته می شود. یک فیبر نوری جدید پیشنهاد شده است. ماده - فیبر کریستالی که از مذاب رشد می کند. راهنمای نور در الیاف کریستالی. سبیل، و در لایه ها - افزودنی های وارد شده به مذاب.

رفرکتومتری. روند آزمایش را برای تعیین ضریب شکست مایع شفاف با انکسارسنج به تفصیل توضیح دهید.
38. رفرکتومتری(از لاتین refractus - شکسته و یونانی metreo - اندازه گیری) - این روشی برای مطالعه مواد بر اساس تعیین شاخص (ضریب) شکست (شکست) و برخی از عملکردهای آن است. . رفرکتومتری (روش شکست سنجی) برای شناسایی ترکیبات شیمیایی، تجزیه و تحلیل کمی و ساختاری و تعیین پارامترهای فیزیکی و شیمیایی مواد استفاده می شود.
ضریب شکست n، نسبت سرعت نور در محیط اطراف است. برای مایعات و جامدات nمعمولاً نسبت به هوا و برای گازها - نسبت به خلاء تعیین می شود. ارزش های nبه طول موج l نور و دما بستگی دارد که به ترتیب در زیرنویس و بالا نشان داده می شوند. به عنوان مثال، ضریب شکست در 20 درجه سانتیگراد برای خط D طیف سدیم (l = 589 نانومتر) n D 20 است. خطوط طیف هیدروژن C (l = 656 نانومتر) و F (l = 486 نانومتر) نیز اغلب استفاده می شود. در مورد گازها نیز باید وابستگی n به فشار را در نظر گرفت (آن را نشان دهید یا داده ها را به فشار عادی کاهش دهید).

در سیستم های ایده آل (که بدون تغییر حجم و قطبش پذیری اجزا تشکیل شده اند)، وابستگی ضریب شکست به ترکیب نزدیک به خطی است اگر ترکیب در کسر حجمی (درصد) بیان شود.

n=n 1 V 1 +n 2 V 2،

جایی که n، n 1، n 2- ضریب شکست مخلوط و اجزاء،
V 1و V 2- کسر حجمی اجزاء ( V 1+V 2 = 1).

برای انکسار سنجی محلول ها در محدوده غلظت های وسیع، از جداول یا فرمول های تجربی استفاده می شود که مهمترین آنها (برای محلول های ساکارز، اتانول و غیره) مورد تایید قراردادهای بین المللی بوده و مبنای ساخت ترازوهای رفرکتومتر تخصصی برای تجزیه و تحلیل محصولات صنعتی و کشاورزی

وابستگی ضریب شکست محلول های آبی برخی از مواد به غلظت:

تأثیر دما بر ضریب شکست توسط دو عامل تعیین می شود: تغییر در تعداد ذرات مایع در واحد حجم و وابستگی قطبش پذیری مولکول ها به دما. عامل دوم تنها با تغییر بسیار زیاد دما قابل توجه می شود.
ضریب دمایی ضریب شکست متناسب با ضریب دمایی چگالی است. از آنجایی که تمام مایعات هنگام گرم شدن منبسط می شوند، با افزایش دما، ضریب شکست آنها کاهش می یابد. ضریب دما به دمای مایع بستگی دارد، اما در فواصل دمایی کوچک می توان آن را ثابت در نظر گرفت.
برای اکثریت قریب به اتفاق مایعات، ضریب دما در محدوده باریکی از -0.0004 تا -0.0006 1/deg قرار دارد. یک استثنای مهم آب و محلول های آبی رقیق (0.0001-)، گلیسیرین (0.0002-)، گلیکول (-0.00026) است.
برون یابی خطی ضریب شکست برای اختلاف دماهای کوچک (10 تا 20 درجه سانتیگراد) قابل قبول است. تعیین دقیق ضریب شکست در محدوده دمایی گسترده با استفاده از فرمول های تجربی به شکل زیر انجام می شود: n t =n 0 +at+bt 2 +…
فشار بسیار کمتر از دما بر ضریب شکست مایعات تأثیر می گذارد. وقتی فشار 1 اتمسفر تغییر می کند. تغییر n برای آب 1.48×10-5، 3.95×10-5 برای الکل و 4.8×10-5 برای بنزن است. یعنی تغییر درجه حرارت به میزان 1 درجه سانتیگراد بر ضریب شکست مایع تقریباً مانند تغییر فشار 10 اتمسفر تأثیر می گذارد.

معمولا nاجسام مایع و جامد با انکسار سنجی با دقت 0.0001 در هر تعیین می شوند. شکست سنج ها، که در آن زوایای محدود بازتاب داخلی کل اندازه گیری می شود. رایج‌ترین آنها شکست سنج‌های Abbe با بلوک‌های منشوری و جبران‌کننده‌های پراکندگی هستند که امکان تعیین n Dدر نور "سفید" روی ترازو یا نشانگر دیجیتال. حداکثر دقت اندازه گیری مطلق (10-10) با گونیومترها با استفاده از روش های انحراف پرتوها با منشوری ساخته شده از ماده مورد مطالعه به دست می آید. برای اندازه گیری nگازها، روش های تداخل راحت ترین هستند. تداخل سنج نیز برای تعیین دقیق (تا 10 -7) تفاوت ها استفاده می شود nراه حل ها برای همین منظور، از رفرکتومترهای دیفرانسیل بر اساس انحراف پرتوها توسط سیستمی از دو یا سه منشور توخالی استفاده می شود.
رفرکتومترهای اتوماتیک برای ضبط مداوم nدر جریان های مایع در تولید برای نظارت بر فرآیندهای تکنولوژیکی و کنترل خودکار آنها، و همچنین در آزمایشگاه ها برای نظارت بر اصلاح و به عنوان آشکارسازهای جهانی کروماتوگرافی مایع استفاده می شود.

هنگامی که امواج در یک محیط، از جمله امواج الکترومغناطیسی، برای پیدا کردن یک جبهه موج جدید در هر زمان منتشر می شوند، از اصل هویگنس

هر نقطه در جبهه موج منبع امواج ثانویه است.

در یک محیط همسانگرد همگن، سطوح موج امواج ثانویه به شکل کره هایی با شعاع v×Dt هستند که v سرعت انتشار موج در محیط است. با رسم پوشش جبهه موج امواج ثانویه، یک جبهه موج جدید در یک لحظه معین از زمان به دست می آوریم (شکل 7.1، a، b).

قانون انعکاس

با استفاده از اصل هویگنس، می توان قانون انعکاس امواج الکترومغناطیسی را در فصل مشترک بین دو دی الکتریک اثبات کرد.

زاویه تابش برابر با زاویه بازتاب است. پرتوهای فرود و منعکس شده، همراه با عمود بر سطح مشترک بین دو دی الکتریک، در یک صفحه قرار دارند.Ð a = Ð b. (7.1)

اجازه دهید یک موج نور صاف (پرتوهای 1 و 2، شکل 7.2) روی یک رابط LED صاف بین دو رسانه بیفتد. زاویه a بین پرتو و عمود بر LED را زاویه تابش می گویند. اگر در یک لحظه معین جلوی موج برخوردی OB به نقطه O برسد، طبق اصل هویگنز این نقطه

برنج. 7.2

شروع به انتشار یک موج ثانویه می کند. در طول زمان Dt = VO 1 /v، پرتو فرودی 2 به نقطه O 1 می رسد. در همان زمان، جلوی موج ثانویه، پس از بازتاب در نقطه O، که در همان محیط منتشر می شود، به نقاطی از نیمکره با شعاع OA = v Dt = BO 1 می رسد. جبهه موج جدید با صفحه AO نشان داده می شود. 1 و جهت انتشار توسط پرتو OA. زاویه b زاویه بازتاب نامیده می شود. از تساوی مثلث های OAO 1 و OBO 1 قانون بازتاب به دست می آید: زاویه تابش برابر با زاویه بازتاب است.

قانون شکست

یک محیط نوری همگن 1 با , (7.2)

نسبت n 2 / n 1 = n 21 (7.4)

تماس گرفت

(7.5)

برای خلاء n = 1.

به دلیل پراکندگی (فرکانس نور n » 10 14 هرتز)، به عنوان مثال، برای آب n = 1.33، و نه n = 9 (e = 81)، همانطور که از الکترودینامیک برای فرکانس های پایین آمده است. اگر سرعت انتشار نور در محیط اول v 1 و در دوم - v 2 باشد،

برنج. 7.3

سپس در طول زمان Dt موج صفحه برخوردی مسافت AO 1 را در اولین محیط AO 1 = v 1 Dt طی می کند. قسمت جلویی موج ثانویه که در محیط دوم برانگیخته می شود (طبق اصل هویگنز) به نقاطی از نیمکره می رسد که شعاع آن OB = v 2 Dt. جبهه جدید موج منتشر شده در محیط دوم با صفحه BO 1 (شکل 7.3) و جهت انتشار آن توسط پرتوهای OB و O 1 C (عمود بر جبهه موج) نشان داده شده است. زاویه b بین پرتو OB و عادی به رابط بین دو دی الکتریک در نقطه O زاویه انکسار نامیده می شود.از مثلث های OAO 1 و OBO 1 چنین بر می آید که AO 1 = OO 1 sin a، OB = OO 1 sin b.

نگرش آنها را بیان می کند قانون شکست(قانون اسنل):

. (7.6)

نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست برابر با ضریب شکست نسبی دو محیط است.

بازتاب داخلی کل

برنج. 7.4

طبق قانون شکست، در سطح مشترک بین دو رسانه می توان مشاهده کرد بازتاب داخلی کل، اگر n 1 > n 2، یعنی Ðb > Ða (شکل 7.4). در نتیجه، زمانی که Ðb = 90 0 باشد، یک زاویه برخورد محدود Ða pr وجود دارد. سپس قانون شکست (7.6) شکل زیر را به خود می گیرد:

sin a pr = , (sin 90 0 =1) (7.7)

با افزایش بیشتر زاویه تابش Ða > Ða pr، نور به طور کامل از رابط بین دو رسانه منعکس می شود.

این پدیده نامیده می شود بازتاب داخلی کلو به طور گسترده در اپتیک استفاده می شود، به عنوان مثال، برای تغییر جهت پرتوهای نور (شکل 7.5، a، b).

در تلسکوپ ها، دوربین های دوچشمی، فیبر نوری و سایر ابزارهای نوری استفاده می شود.

در فرآیندهای موجی کلاسیک، مانند پدیده بازتاب کلی درونی امواج الکترومغناطیسی، پدیده‌هایی مشابه اثر تونلی در مکانیک کوانتومی مشاهده می‌شود که با ویژگی‌های موجی - جسمی ذرات مرتبط است.

در واقع، هنگامی که نور از یک محیط به محیط دیگر می‌گذرد، شکست نور مشاهده می‌شود که با تغییر در سرعت انتشار آن در محیط‌های مختلف همراه است. در سطح مشترک بین دو رسانه، یک پرتو نور به دو بخش تقسیم می شود: شکست و بازتاب.

یک پرتو نور به صورت عمود بر روی وجه 1 یک منشور شیشه ای مستطیلی متساوی الساقین می افتد و بدون شکست، روی وجه 2 می افتد، بازتاب کلی درونی مشاهده می شود، زیرا زاویه تابش (0 = 45 Ða) پرتو در وجه 2 بیشتر است. از زاویه محدود بازتاب داخلی کل (برای شیشه n 2 = 1.5؛ Ða pr = 42 0).

اگر همان منشور در فاصله معینی H~ l/2 از وجه 2 قرار گیرد، آنگاه یک پرتو نور از وجه 2 * عبور می کند و از وجه 1 * به موازات پرتو تابیده شده در وجه 1 از منشور خارج می شود. شدت J. شار نور ارسالی با افزایش شکاف h بین منشورها طبق قانون به صورت تصاعدی کاهش می یابد:

جایی که w احتمال معینی از عبور پرتو به محیط دوم است. d ضریب بسته به ضریب شکست ماده است. l طول موج نور فرودی است

بنابراین، نفوذ نور به منطقه "ممنوعه" یک آنالوگ نوری از اثر تونل کوانتومی است.

پدیده انعکاس کامل داخلی واقعاً کامل است، زیرا در این مورد تمام انرژی نور فرودی در سطح مشترک بین دو محیط بازتاب می‌شود تا زمانی که مثلاً از سطح آینه‌های فلزی منعکس می‌شود. با استفاده از این پدیده می توان قیاس دیگری را بین انکسار و بازتاب نور از یک سو و تابش واویلف-چرنکوف از سوی دیگر ردیابی کرد.

تداخل موج

7.2.1. نقش بردارها و

در عمل، چندین موج می توانند به طور همزمان در رسانه های واقعی منتشر شوند. در نتیجه اضافه شدن امواج، تعدادی پدیده جالب مشاهده می شود: تداخل، پراش، بازتاب و شکست امواجو غیره.

این پدیده های موجی نه تنها برای امواج مکانیکی، بلکه الکتریکی، مغناطیسی، نور و غیره نیز مشخص می شوند. تمام ذرات بنیادی نیز خواص موجی را از خود نشان می دهند که توسط مکانیک کوانتومی ثابت شده است.

یکی از جالب ترین پدیده های موجی که با انتشار دو یا چند موج در یک محیط مشاهده می شود تداخل نام دارد. یک محیط نوری همگن 1 با ضریب شکست مطلق , (7.8)

که در آن c سرعت نور در خلاء است. v 1 - سرعت نور در محیط اول.

محیط 2 با ضریب شکست مطلق مشخص می شود

که در آن v 2 سرعت نور در محیط دوم است.

نگرش (7.10)

تماس گرفت ضریب شکست نسبی محیط دوم نسبت به محیط اول.برای دی الکتریک های شفاف که در آنها m = 1، با استفاده از نظریه ماکسول، یا

که در آن e 1، e 2 ثابت دی الکتریک رسانه اول و دوم هستند.

برای خلاء n = 1. به دلیل پراکندگی (فرکانس نور n » 10 14 هرتز)، به عنوان مثال، برای آب n = 1.33، و نه n = 9 (e = 81)، همانطور که از الکترودینامیک برای فرکانس های پایین آمده است. نور امواج الکترومغناطیسی است. بنابراین، میدان الکترومغناطیسی توسط بردارها و بردارها تعیین می شود که به ترتیب قدرت میدان های الکتریکی و مغناطیسی را مشخص می کنند. اما در بسیاری از فرآیندهای برهمکنش نور با ماده، به عنوان مثال، مانند تأثیر نور بر اندام های بینایی، فتوسل ها و سایر وسایل، نقش تعیین کننده متعلق به بردار است که در اپتیک به آن بردار نور می گویند.

اپتیک هندسی و موجی. شرایط استفاده از این رویکردها (بر اساس رابطه بین طول موج و اندازه جسم). انسجام موج. مفهوم انسجام مکانی و زمانی. انتشار تحریک شده ویژگی های تابش لیزر ساختار و اصل عملکرد لیزر.

با توجه به موجی بودن نور، تداخلی رخ می دهد که در نتیجه آن محدودپرتو نور در هیچ جهتی منتشر نمی شود، اما دارای یک توزیع زاویه ای محدود است، یعنی پراش رخ می دهد. با این حال، در مواردی که ابعاد عرضی مشخصه پرتوهای نور در مقایسه با طول موج به اندازه کافی بزرگ است، می‌توانیم از واگرایی پرتو نور غافل شویم و فرض کنیم که در یک جهت منتشر می‌شود: در امتداد پرتو نور.

اپتیک موجی شاخه ای از اپتیک است که انتشار نور را با در نظر گرفتن ماهیت موجی آن توصیف می کند. پدیده های نوری موج - تداخل، پراش، قطبش و غیره.

تداخل موج عبارت است از تقویت یا تضعیف متقابل دامنه دو یا چند موج منسجم که به طور همزمان در فضا منتشر می شوند.

پراش موج پدیده ای است که خود را به صورت انحراف از قوانین اپتیک هندسی در حین انتشار موج نشان می دهد.

قطبش - فرآیندها و حالات مرتبط با جداسازی هر جسم، عمدتاً در فضا.

در فیزیک، انسجام، همبستگی (سازگاری) چندین فرآیند نوسانی یا موجی در زمان است که با اضافه شدن آنها خود را نشان می دهد. نوسانات در صورتی منسجم هستند که اختلاف فاز آنها در طول زمان ثابت باشد و هنگام جمع کردن نوسانات، نوسانی با فرکانس یکسان حاصل شود.

اگر اختلاف فاز بین دو نوسان بسیار آهسته تغییر کند، گفته می شود که نوسانات برای مدتی منسجم باقی می مانند. این زمان را زمان انسجام می گویند.

انسجام فضایی انسجام نوساناتی است که در یک لحظه از زمان در نقاط مختلف صفحه عمود بر جهت انتشار موج رخ می دهد.

گسیل تحریک شده تولید یک فوتون جدید در حین انتقال یک سیستم کوانتومی (اتم، مولکول، هسته و غیره) از حالت برانگیخته به حالت پایدار (سطح انرژی پایین تر) تحت تأثیر یک فوتون القا کننده، انرژی که برابر با اختلاف سطوح انرژی بود. فوتون ایجاد شده همان انرژی، تکانه، فاز و قطبش فوتون القایی (که جذب نمی شود) دارد.

تابش لیزر می تواند پیوسته، با توان ثابت، یا پالسی باشد و به حداکثر توان بسیار بالایی برسد. در برخی از طرح ها، عنصر کار لیزر به عنوان یک تقویت کننده نوری برای تابش از منبع دیگر استفاده می شود.

مبنای فیزیکی برای عملیات لیزر، پدیده تابش اجباری (القایی) است. ماهیت پدیده این است که یک اتم برانگیخته قادر است یک فوتون را تحت تأثیر فوتون دیگری بدون جذب آن ساطع کند، در صورتی که انرژی فوتون دوم برابر با اختلاف انرژی‌های سطوح اتم قبل و بعد از آن باشد. تابش - تشعشع. در این مورد، فوتون ساطع شده با فوتونی که باعث تشعشع شده است همدوس است (این "کپی دقیق" آن است). به این ترتیب نور تقویت می شود. این پدیده با تابش خود به خودی که در آن فوتون های ساطع شده دارای جهت انتشار تصادفی، قطبش و فاز هستند متفاوت است.

تمام لیزرها از سه بخش اصلی تشکیل شده اند:

محیط فعال (کار)؛

سیستم های پمپاژ (منبع انرژی)؛

تشدید کننده نوری (در صورتی که لیزر در حالت تقویت کننده کار کند ممکن است وجود نداشته باشد).

هر یک از آنها تضمین می کند که لیزر عملکردهای خاص خود را انجام می دهد.

اپتیک هندسی پدیده بازتاب کامل درونی. محدود کردن زاویه بازتاب کلی سیر پرتوها. فیبرهای نوری.

اپتیک هندسی شاخه ای از اپتیک است که به مطالعه قوانین انتشار نور در محیط های شفاف و اصول ساخت تصاویر هنگام عبور نور از سیستم های نوری بدون در نظر گرفتن ویژگی های موج آن می پردازد.

بازتاب داخلی کل بازتاب داخلی است، مشروط بر اینکه زاویه تابش از یک زاویه بحرانی معین تجاوز کند. در این حالت، موج فرودی به طور کامل منعکس می شود و مقدار ضریب بازتاب از بالاترین مقادیر آن برای سطوح صیقلی فراتر می رود. بازتاب کل بازتاب داخلی مستقل از طول موج است.

زاویه محدود کننده بازتاب کلی داخلی

زاویه تابش که در آن یک پرتو شکسته شروع به لغزش در امتداد سطح مشترک بین دو رسانه بدون انتقال به یک محیط نوری متراکم تر می کند.

مسیر پرتودر آینه ها، منشورها و عدسی ها

پرتوهای نور از یک منبع نقطه ای در همه جهات حرکت می کنند. در سیستم های نوری، خم شدن به عقب و انعکاس از رابط های بین رسانه ها، برخی از پرتوها می توانند دوباره در نقطه ای قطع شوند. یک نقطه را تصویر نقطه ای می نامند. هنگامی که یک پرتو از آینه منعکس می شود، این قانون برآورده می شود: «پرتو منعکس شده همیشه در همان صفحه ای قرار می گیرد که پرتو فرودی است و سطح نرمال با سطح برخورد، که از نقطه تابش می گذرد، و زاویه تابش از آن کم می شود. این نرمال برابر با زاویه ضربه است.

فیبر نوری - این اصطلاح به معنای

شاخه‌ای از اپتیک که پدیده‌های فیزیکی را که در فیبرهای نوری به وجود می‌آیند و رخ می‌دهند، مطالعه می‌کند

محصولاتی از صنایع مهندسی دقیق که حاوی اجزای مبتنی بر فیبرهای نوری هستند.

دستگاه های فیبر نوری شامل لیزر، تقویت کننده، مالتی پلکسر، دی مالتی پلکسر و تعدادی دیگر می باشد. اجزای فیبر نوری شامل عایق ها، آینه ها، کانکتورها، اسپلیترها و غیره است. اساس یک دستگاه فیبر نوری مدار نوری آن است - مجموعه ای از اجزای فیبر نوری که در یک توالی مشخص به هم متصل شده اند. مدارهای نوری می توانند بسته یا باز باشند، با یا بدون بازخورد.

معنای فیزیکی ضریب شکست.نور به دلیل تغییر در سرعت انتشار آن هنگام عبور از یک محیط به رسانه دیگر شکست می شود. ضریب شکست محیط دوم نسبت به محیط اول از نظر عددی برابر است با نسبت سرعت نور در محیط اول به سرعت نور در محیط دوم:

بنابراین، ضریب شکست نشان می دهد که چند برابر سرعت نور در محیطی که پرتو از آن خارج می شود، بیشتر (کوچکتر) از سرعت نور در محیطی است که به آن وارد می شود.

از آنجایی که سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در خلاء ثابت است، تعیین ضریب شکست محیط های مختلف نسبت به خلاء توصیه می شود. نسبت سرعت با انتشار نور در خلاء به سرعت انتشار آن در یک محیط معین نامیده می شود ضریب شکست مطلقیک ماده معین () و مشخصه اصلی خواص نوری آن است،

آن ها ضریب شکست محیط دوم نسبت به اولی برابر است با نسبت ضرایب مطلق این محیط ها.

به طور معمول، خواص نوری یک ماده با ضریب شکست آن مشخص می شود n نسبت به هوا، که تفاوت کمی با ضریب شکست مطلق دارد. در این حالت، محیطی با شاخص مطلق بزرگتر از نظر نوری چگال تر نامیده می شود.

محدود کردن زاویه شکستاگر نور از محیطی با ضریب شکست کمتر به محیطی با ضریب شکست بالاتر عبور کند ( n 1< n 2 ) سپس زاویه شکست کمتر از زاویه تابش است

r< i (شکل 3).

برنج. 3. شکست نور در حین انتقال

از یک محیط نوری با چگالی کمتر به یک محیط

از نظر نوری متراکم تر

زمانی که زاویه تابش به من م = نور 90 درجه (پرتو 3، شکل 2) در محیط دوم فقط در زاویه منتشر می شود. r pr ، تماس گرفت محدود کردن زاویه شکست. در ناحیه محیط دوم در یک زاویه اضافی به زاویه شکست محدود (90 درجه - من PR )، نور نفوذ نمی کند (در شکل 3 این ناحیه سایه دار است).

محدود کردن زاویه شکست r pr

اما sin i m = 1، بنابراین .

پدیده بازتاب کامل درونی.وقتی نور از محیطی با ضریب شکست بالا می آید n 1 > n 2 (شکل 4)، سپس زاویه شکست بزرگتر از زاویه تابش است. نور فقط در زاویه تابش شکست می شود (به محیط دوم می رود). من PR ، که با زاویه شکست مطابقت دارد r m = 90 درجه

برنج. 4. شکست نور هنگام عبور از یک محیط نوری متراکم تر به یک محیط

از نظر نوری چگالی کمتری دارد.

نور تابیده شده در یک زاویه بزرگ به طور کامل از مرز رسانه منعکس می شود (شکل 4، پرتو 3). این پدیده را بازتاب داخلی کل و زاویه تابش می نامند من PR - محدود کردن زاویه بازتاب داخلی کل

زاویه محدود کننده بازتاب کلی داخلی من PR با توجه به شرایط تعیین می شود:

، سپس sin r m =1، بنابراین، .

اگر نور از هر محیطی وارد خلاء یا هوا شود، پس

با توجه به برگشت پذیری مسیر پرتو برای دو محیط داده شده، زاویه محدود شکست در طول انتقال از محیط اول به محیط دوم برابر است با زاویه محدود بازتاب داخلی کل زمانی که پرتو از محیط دوم به محیط اول می گذرد.

زاویه محدود بازتاب داخلی کلی برای شیشه کمتر از 42 درجه است. بنابراین، پرتوهایی که از شیشه عبور می کنند و با زاویه 45 درجه روی سطح آن می افتند، کاملاً منعکس می شوند. این خاصیت شیشه در منشورهای دوار (شکل 5a) و برگشت پذیر (شکل 4b) استفاده می شود که اغلب در ابزارهای نوری استفاده می شود.

برنج. 5: الف - منشور چرخشی. ب - منشور برگشت پذیر.

فیبرهای نوری.کل بازتاب داخلی در ساخت انعطاف پذیر استفاده می شود راهنمای نور. نور با ورود به یک فیبر شفاف که توسط ماده ای با ضریب شکست کمتر احاطه شده است، بارها منعکس شده و در امتداد این فیبر منتشر می شود (شکل 6).

شکل 6. عبور نور از داخل یک فیبر شفاف که توسط یک ماده احاطه شده است

با ضریب شکست کمتر

برای انتقال شارهای بزرگ نور و حفظ انعطاف‌پذیری سیستم هدایت نور، الیاف جداگانه در بسته‌هایی جمع‌آوری می‌شوند - راهنمای نور. شاخه ای از اپتیک که به انتقال نور و تصاویر از طریق فیبرهای نوری می پردازد، فیبر نوری نامیده می شود. همین اصطلاح برای اشاره به خود قطعات و دستگاه های فیبر نوری استفاده می شود. در پزشکی از راهنماهای نور برای روشن کردن حفره های داخلی با نور سرد و انتقال تصاویر استفاده می شود.

بخش عملی

دستگاه هایی برای تعیین ضریب شکست مواد نامیده می شود شکست سنج ها(شکل 7).

شکل 7. نمودار نوری رفرکتومتر.

1 - آینه، 2 - سر اندازه گیری، 3 - سیستم منشوری برای از بین بردن پراکندگی، 4 - عدسی، 5 - منشور دوار (چرخش پرتو 90 0)، 6 - مقیاس (در برخی از رفرکتومترها)

دو مقیاس وجود دارد: مقیاس ضریب شکست و مقیاس غلظت محلول).

7 - چشمی.

قسمت اصلی رفرکتومتر، سر اندازه گیری است که از دو منشور تشکیل شده است: منشور روشنایی که در قسمت تاشوی سر قرار دارد و منشور اندازه گیری.

در خروجی منشور روشنایی، سطح مات آن یک پرتو پراکنده نور ایجاد می کند که از مایع مورد مطالعه (2-3 قطره) بین منشورها عبور می کند. پرتوها در زوایای مختلف از جمله در زاویه 90 0 روی سطح منشور اندازه گیری می افتند. در منشور اندازه‌گیری، پرتوها در ناحیه محدودکننده زاویه شکست جمع‌آوری می‌شوند که شکل‌گیری مرز سایه نور را بر روی صفحه دستگاه توضیح می‌دهد.