r Mặt cắt ngang Mặt cắt dọc n
2.2.3.4.Nguyên lý truyên dẫn ánh sáng trong sợi quang
∗ Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
bị khúc xạ. Chúng ta sẽ nghiên cứu sự lan truyền của ánh sáng giữa hai môi tr- ờng có chiết suất khác nhau bằng phơng pháp quang hình học nh trên hình 2.10a.
Nếu ta cho một tia sáng đi từ môi trờng thứ nhất có chiết suất n1 đến mặt phân cách vơí môi trờng thứ hai có chiết suất n2 (giả sử n1 > n2), thì tia sáng tách thành hai tia. Một tia phản xạ lại môi trờng thứ nhất, một tia khúc xạ sang môi trờng thứ hai (hình 2.10a). Tia phản xạ và khúc xạ có quan hệ với tia tới là:
Cùng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến mặt ngăn cách tại điểm tới).
Góc phản xạ bằng góc tới (γ = α).
Góc khúc xạ xác định bằng công thức: n1sinα = n2sinβ. (2.4)
∗ Sự phản xạ toàn phần
Nếu n1 < n2 thì α > β, tia khúc xạ gẫy về phía pháp tuyến.
Nếu n1 > n2 thì α < β, nếu tăng α thì β cũng tăng và β luôn lớn hơn α, khi β = 900 tức là tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì α đợc gọi là góc tới hạn (α = αT). Nếu tiếp tục tăng thì không còn tia khúc xạ. Hiện tợng này gọi là hiện tợng phản xạ toàn phần (hình 2.10b). Dựa vào định luật khúc xạ ta tính đợc góc tới hạn αT nh sau:
n1sinα = n2sinβ => sinαT =
12 2 n n hay αT = arcsin 1 2 n n . (2.5)
∗ Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
ứng dụng hiện tợng phản xạ toàn phần, sợi quang đợc chế tạo gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và lớp vỏ sợi bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1> n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ. Do đó ánh sáng có thể truyền đợc trong sợi có cự ly dài ngay cả khi bị uốn cong với một độ cong có giới hạn. Tóm lại muốn có hiện tợng phản xạ toàn phần trong sợi quang phải thoả mãn 2 điều kiện sau:
- Chiết suất lõi sợi (n1) phải lớn hơn chiết suất vỏ sợi (n2).
- Phải ghép ánh sáng từ nguồn quang vào lõi sợi quang sao cho góc tới lớn hơn góc tới hạn.
ánh sáng phát ra từ nguồn phát sáng, muốn đa vào lõi của sợi quang cần phải tập trung ánh sáng. Tuy nhiên chỉ một phần tia sáng có góc tới nằm trong một giới hạn nhất định mới có thể đa vào lõi sợi quang.
Hình 2.10. Nguyên lý phản xạ và khúc xạ ánh sáng. n 1 n 2 Tia phản xạ Pháp tuyến α γ δ αT δ (h.b) n 1 n 2 Pháp tuyến Tia tới α γ δ Mặt phân cách Tia khúc xạ (h.a) β Tia phản xạ Vỏ sợi (n2) Lõi sợi (n) (nkk)=1 900- αc αmax
1. ánh sáng lan truyền trong vỏ sợi. 2. ánh sáng tơng ứng với góc tới hạn.
3. ánh sáng lan truyền trong lõi sợi vì bị phản xạ toàn phần.
Trên hình vẽ, tại điểm đa vào sợi quang chia thành ba môi trờng liền nhau có chiết suất khác nhau đó là môi trờng không khí, lõi sợi và vỏ sợi quang. Ta gọi chiết suất lần lợt là nkk (nkk=1), n1 và n2. áp dụng định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng tại các biên tiếp giáp ta có góc nhận lớn nhất là αmax là góc mở của tia số 2 có góc tới bằng góc tới hạn.
Theo định luật Snell, thì ta có hai phơng trình.
NkkSin αmax= n1Sinαc (2.6) n1Sin(900- αc) = Cosαc = n2Sin900 (2.7) => Cosαc = n2/n1 (2.8) =>NA =sin αmax = n12 − n22 = n1 2∆ (2.9)
Với ∆ là độ lệch chiết suất tơng đối.
NA = sin αmax= n1 2∆ đợc gọi là khẩu độ số, nó cho ta biết điều kiện đa
ánh sáng vào sợi quang. Đây là thông số cơ bản tác động đến hiệu suất ghép giữa nguồn quang vào sợi quang.
Vì khẩu độ số có liên quan tới góc vào lớn nhất, cho nên nó thể hiện sự tiếp nhận ánh sáng và khả năng tập trung các tia sáng của sợi, vì thế cho phép ta tính toán đợc hiệu quả của quá trình ghép nguồn phát vào sợi dẫn quang.
Nh vậy chỉ các tia sáng khi đã lọt vào lõi sợi có góc α < αc mới lan truyền dọc theo sợi. Tuy nhiên khi pha của sóng phẳng kết hợp với tia tới chỉ có các tia có góc riêng biệt nào đó nhỏ hơn αc thì mới có khả năng truyền dọc theo sợi.
Giá trị tiêu chuẩn của NA là:
+ Đối với sợi đơn mode là 0,1. + Đối với sợi đa mode là (0,1ữ0,5).