Відомо, що швидкість світла v в прозорому речовині менше швидкості світла з = 300 000 км / с у вакуумі. Ставлення с / v = n - це є показник заломлення світла в речовині.
Промінь світла, що поширюється в середовищі з показником заломлення n1. і падаючий на кордон із середовищем, що має менший показник заломлення n2. переломив і продовжить свій рух у другій середовищі (рисунок 2.1, промінь 1).
Якщо кут падіння світлового променя j1 збільшити, то збільшиться і кут заломлення j2. При j2 = 90 ° переломлений промінь буде ковзати уздовж кордону розділу двох середовищ. Кут падіння, при якому це відбувається, називається кутом повного внутрішнього відображення (промінь 2 на малюнку 2.1). Якщо кут падіння більше кута повного внутрішнього відображення, то світловий промінь (промінь 3) не заходить в середу з меншим показником заломлення, а повністю відбивається всередину. Саме цей принцип повного внутрішнього відображення дозволяє оптичних волокнах проводити світло.
Волокно складається з серцевини (сердечника) і оболонки. Оболонка оточує оптично більш щільну серцевину, що є светонесущей частиною волокна.
Показник заломлення сердечника n1. а оболонки n2. причому завжди n1> n2.
Розглянемо хід променів світла в волокні (рисунок 2.2):
Припустимо, що # 952; 1 - кут падіння променя світла, а # 952; 2 - кут заломлення цього променя.
Так як n1> n2. то існує критичний кут падіння Q1 = # 952; с. при якому кут заломлення Q2 буде дорівнює 90 градусів (Sin90 = 1), при цьому світло не буде виходити в оболонку.
Малюнок 2.2 - Хід променів світла в волокні
Тоді відповідно до закону Снеллиуса. (2.1)
Якщо кут падіння на кордоні розділу менше критичного кута падіння (Луч 2), то при кожному внутрішньому відображенні частина енергії розсіюється назовні, що призводить до загасання світла.
Необхідно врахувати, що світло вводять в торець волокна, При цьому на бічну поверхню волокна падатиме промінь, переломлених його торцем. І падати він повинен так, щоб повністю відбиватися від бічної поверхні. Виникає питання, під яким же кутом треба вводити промінь в волокно?
Режим повного внутрішнього відображення зумовлює умова подачі світла на вхідний торець ОВ, так як ОВ пропускає лише світло, укладений в межах тілесного кута # 952; A. Цей тілесний кут характеризується апертурою.
Апаратура - це кут між оптичною віссю і однією з утворюють світлового конуса, що потрапляє в торець волокна, при якому виконується умова повного внутрішнього відображення.
Кут введення світлового потоку в оптичне волокно повинен бути менше апертурного.
Таким чином, апертура світловода - це максимальний можливий кут введення променів на торець світловода. Зазвичай користуються поняттям числової апертури:
Для повітря n0 = 1. Для волокна із ступінчастим профілем значення числової апертури виражається через показники заломлення:
NA = Sin # 952; A = (2.4)
Для кварцу n1 ≈ 1,47, n2 ≈ 1,46, NA = 0,17, # 952; A ≈ 10 0.
Один з найважливіших параметрів, що характеризує волокно, це - відносна різниця показників заломлення # 916;
У волоконному световоде можуть існувати три типи хвиль - направляються, що випромінюються і випливають. Промені, траєкторії яких повністю лежать в оптично більш щільному середовищі, називаються направляються. Енергія направляються променів не розсіюється назовні, і такі промені можуть поширюватися на великі відстані. Випромінювані хвилі виникають за рахунок променів, введених поза апертури, і вже на початку лінії вони випромінюються в навколишній простір. Випливають хвилі (промені оболонки) частково поширюються уздовж світловода, а частина випромінюється в навколишній простір.
В сучасних волокнах зазвичай показник заломлення оболонки n2 менше n1 (показника заломлення серцевини) на 0,36%, тобто:
Режим роботи ОВ залежить від нормованої частоти. значення якої розраховується за формулою:
де ас - радіус серцевини ОВ.
У разі якщо <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 - режим багатомодовий.
У разі, якщо: 2.405 <<3,832 – то в ОВ распространяется 4 моды.
Мінімальна довжина хвилі, при якій в волокні поширюється тільки одна мода, називається волоконної довжиною хвилі відсічення. значення якої визначається з виразу як:
Якщо робоча довжина хвилі менше довжини хвилі відсічення, то має місце багатомодовий режим поширення світла.