L VẬ ỆU DẪ DÙ Ế ED
2.1.3.Truyền dẫn ánh sáng trong tấm dẫn sáng có cấu trúc hình hộp mỏng Hiện t ợng khúc xạ ánh sáng
Ế QUẢ Ê ỨU
2.1.3.Truyền dẫn ánh sáng trong tấm dẫn sáng có cấu trúc hình hộp mỏng Hiện t ợng khúc xạ ánh sáng
Theo ngôn ng quang hình, ánh sáng được co là tập hợp các t a sáng truyền thẳng trong chân không à trong mô trường đồng nhất. Các thí ngh m ật lý chỉ ra rằng, một t a sáng kh đập ào bề mặt bóng c a ật l u quang học sẽ phản xạ một phần, phần còn lạ sẽ đ ào mô trường quang học mớ à sẽ đổ hướng, ta gọ đó là h n tượng khúc xạ. H số phản xạ phụ thuộc ào ch ết suất tương đố g a ha mô trường à ào góc tớ . Kh góc tớ bằng không, h số phản xạ R sẽ là:
(2.1)
Kh ánh sáng truyền từ không khí có n1=1 ào tấm ật l u PPMA có ch ết suất n2=1,5 h số phản xạ sẽ là 4 . Trên thực tế, do ảnh hưởng c a h n tượng tán sắc, tức là h n tượng mà ở đó ch ết suất phụ thuộc ào bước sóng ánh sáng, h số phản xạ c a các bước sóng khác nhau sẽ khác nhau.
Theo định luật Snell, sự thay đổ hướng truyền c a t a sáng kh đ từ mô trường ch ết suất thấp sang mô trường có ch ết suất cao hơn sẽ được b ểu d ễn bằng phương trình sau đây:
(2.2)
α: góc tớ β: góc khúc xạ
n1: ch ết suất mô trường 1 (ở đây là không khí) n2: ch ết suất mô trường 2 (ở đây là th y t nh h u cơ)
Trong mô trường quang học đặc hơn (n lớn hơn), t a sáng luôn óc xu hướng khúc xạ ề phía pháp tuyến.
Kh t a sáng đ từ phía mô trường quang học đặc hơn sang mô trường quang học loãng hơn (n nhỏ hơn), chỉ có h n tượng khúc xạ kh góc c a t a sáng nhỏ hơn góc tớ hạn αL. T a khúc xạ đ từ mô trường đặc hơn sang mô trường quang học loãng hơn có xu hướng l ch xa ra khỏ pháp tuyến.
Hình 2.1: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ của tia sáng
iện t ợn phản xạ t àn phần
Kh t a sáng trong mô trường quang học đặc hơn gặp mặt phân cách ớ góc tớ nhỏ hơn góc tớ hạn αL, toàn bộ t a sáng sẽ phản xạ lạ , ta gọ là h n tượng phản xạ toàn phần. Theo phương trình Snell, góc tớ hạn αLđược gọ là góc phản xạ toàn phần à được xác định bở tỷ số ch ết suất n1 và n2. Vớ góc tớ lớn hơn góc phản xạ toàn phần, t a sáng sẽ không thể đ ra mô trường quang học loãng hơn. Lăng kính trong ống nhòm, sợ dẫn quang . ... đều sử dụng h u ứng này. Kh chúng ta lặn dướ nước, do h u ứng phản xạ toàn phần, chúng ta chỉ nhìn thấy một khoảng bầu trờ hình đ a tròn trên đầu, còn phần d n tích ngoà đ a tròn phản xạ lịa toàn bộ khung cảnh dướ mặt nước. H u ứng phản xạ toàn phần cũng xảy ra đố ớ các t a sáng lan truyền trong một tấm dẫn sáng phẳng có hình dạng một khố hộp ch nhật.
Truyền dẫn ánh sáng trong tấm dẫn sáng có cấu trúc hình hộp mỏng
Xét đường đ c a t a sáng xuất phát từ một nguồn sáng nằm ngoà tấm dẫn sáng mỏng (nhỏ hơn nh ều so ớ kích thước ha ch ều khác (hình 1). G ả th ết rằng mô trường chứa nguồn sáng có ch ết suất bằng 1 (không khí) à tấm dẫn sáng có ch ết suất n2= 1,5 (th y t nh, m ca PPMA…). Kh góc tớ α c a t a sáng bằng không (t a sáng có hướng uông góc ớ mặt phẳng tớ , t a sáng không khúc xạ à truyền thẳng sang cạnh đố d n. Trong trường hợp góc tớ α> 0, ì tấm dẫn sáng mỏng nên kh t a sáng khúc xạ trong tấm dẫn sáng, nó sẽ gặp mặt phẳng phân cách uông góc ớ mặt phẳng tớ . Để đơn g ản hóa c tính toán, ta có thể xét bà toán 2 ch ều thay ì 3 ch ều
α
β
n2 n1 n1
kh tấm dẫn sáng mỏng. Trong mọ trường hợp, t a sáng sẽ phản xạ toàn phần từ mặt phân cách thứ 2 do góc tớ lớn hơn góc tớ hạn αL. Thật ậy, ta có thể dựa ào phương trình Snell để tính góc tớ hạn, kết quả cho thấy đố ớ n2= 1,5, góc tớ hạn αLlà 42o. Các t a sáng từ nguồn sáng ớ góc tớ lớn nhất (90o) sẽ khúc xạ à có góc ra β=42o
(góc tớ hạn), kh t ếp tục lan truyền, t a sáng hợp ớ mặt phân cách uông góc một góc α2=90o-42o= 48o, lớn hơn góc tớ hạn. Tất cả các t a sáng khác xuất phát từ nguồn sáng ớ góc tớ nhỏ hơn 90o
đều khúc xạ à tạo thành góc khúc xạ nhỏ hơn 42o, kết quả là sẽ gặp mặt phân cách thứ ha ớ góc lớn hơn 48o và hoàn toàn phản xạ toàn phần.
Như ậy, ớ cấu trúc hình hộp (hoặc cấu trúc có 4 cạnh uông góc ớ mặt phẳng tớ ), ớ ật l u quang học có ch ết suất lớn hơn 1,5 các t a sáng ghép từ nguồn sáng đặt bên ngoà sẽ khúc xạ à lan truyền trong tấm dẫn sáng mà hàn toàn không mất mát trên đường truyền do h u ứng phản xạ toàn phần. Nhũng mất mát khác bao gồm mất mát do phản xạ trên mặt phân cách thứ nhất (4 ), mất mát do hấp thụ nếu mô trường truyền dẫn không hoàn toàn trong suốt. Mất mát do tán xạ nếu mô trường quang học có sự mất đồng đều ch ết suất sẽ được ngh ên cứu trong phần t ếp theo.