2 Optické spektrum. Zalomení a odraz paprsku, útlum a disperze
2.3 Zalomení a odraz světelného paprsku; útlum a disperze

Uvažujme, že optické záření dopadá na rozhraní dvou prostředí (světlo se šíří v prvním prostředí a odráží se na rozhraní obou prostředí). Světlo, které se naváže do druhého prostředí, se bude lámat. Velikosti úhlů vztažených ke směru šíření paprsku, jeho zalomení a odrazu, jsou znázorněny na Obr. 2.

Úhel dopadu, φ1, je roven úhlu odrazu φ3.

Refrakce (zalomení paprsku) je změna směru šíření optického paprsku po přechodu z jednoho prostředí do jiného prostředí, které se vyznačuje jinou hodnotou indexu lomu, n.

image
Obr. 2. Úhel zalomení a odrazu paprsku.

Snellův zákon uvádí vztah mezi sinem úhlu dopadu a sinem úhlu zalomení, se zohledněním hodnot indexu lomu obou přenosových prostředí:

(008)

Pro úhel větší než kritický úhel lze pozorovat jev úplného vnitřního odrazu: TIR (angl. total internal reflection) [5]. Tento kritický úhel, φ1c , platí pro φ= 90º.

(009)

Uvažujme dopad optického paprsku na rozhraní dvou prostředí pro libovolný úhel, který je větší než uvažovaný kritický úhel. V tomto případě paprsek neprojde do druhého prostředí vůbec a bude odražen zpátky do prvního přenosového media. Tento jev je známý jako TIR a uplatňuje se u klasických vlnovodů, jakým je např. optické vlákno, viz na Obr. 3.

image
Obr. 3. Úplný vnitřní odraz (TIR).

Světlo se šíří přenosovým mediem různou rychlostí na různých frekvencích. Index lomu je funkcí vlnové délky. Z toho důvodu vykazuje přenosové medium disperzi.

image
Obr. 4. Disperze optického záření.

Útlum je chápán jako ztráta optického výkonu. Hlavním zdrojem útlumu je absorpce a rozptyl, které způsobují ztrátu energie ve směru šíření. Měrný útlum: pokles výkonu v jednotkách dB vztažený k délce vlákna. Závisí na vlnové délce signálu šířícího se podél vlákna. Koeficient útlumu, α, lze popsat následující rovnicí:

(010)

kde P(0) je počáteční výkon (nebo vstupní, dopadající výkon), P(L) je výkon na vzdálenosti L od místa, pro které platí počáteční výkon.

Uvažujme světelný paprsek v přenosovém médiu, které má index lomu n1 = 1,44. Paprsek dopadá na další prostředí, které se vyznačuje indexem lomu n2 = 1,4. Vlnová délka světla je 1,1 µm.

Vypočítejte úhel dopadu, pro který nastane jev TIR.

ŘEŠENÍ

Snellův zákon: (011)

Kritický úhel, φ1c , lze pozorovat pro φ= 90 º, tedy (012)