Valon kokonaisheijastuksen soveltaminen. Valon täydellisen sisäisen heijastuksen ilmiö ja sen soveltaminen

Sähkömagneettisten aaltojen leviäminen sisään erilaisia ​​ympäristöjä ah noudattaa heijastuksen ja taittumisen lakeja. Näistä laeista seuraa tietyissä olosuhteissa yksi mielenkiintoinen ilmiö, jota fysiikassa kutsutaan valon sisäiseksi kokonaisheijastukseksi. Katsotaanpa tarkemmin, mikä tämä vaikutus on.

Heijastus ja taittuminen

Ennen kuin siirrytään suoraan valon sisäisen kokonaisheijastuksen tarkasteluun, on tarpeen selittää heijastus- ja taittumisprosessit.

Heijastuksella tarkoitetaan valonsäteen liikesuunnan muutosta samassa väliaineessa, kun se kohtaa minkä tahansa rajapinnan. Jos esimerkiksi osoitat laserosoittimen peiliin, voit havaita kuvatun vaikutuksen.

Taittuminen on, kuten heijastus, valon liikesuunnan muutosta, mutta ei ensimmäisessä, vaan toisessa väliaineessa. Tämän ilmiön seurauksena esineiden ääriviivat ja niiden tilajärjestelyt vääristyvät. Jokapäiväinen esimerkki taittuminen on kynän tai kynän katkeamista, jos se laitetaan vesilasiin.

Taittuminen ja heijastus liittyvät toisiinsa. Ne ovat lähes aina läsnä yhdessä: osa säteen energiasta heijastuu ja toinen osa taittuu.

Molemmat ilmiöt ovat seurausta Fermatin periaatteen soveltamisesta. Hän toteaa, että valo liikkuu polkua pitkin kahden pisteen välillä, mikä vie siihen vähiten aikaa.

Koska heijastus on efekti, joka tapahtuu yhdessä väliaineessa ja taittuminen tapahtuu kahdessa väliaineessa, jälkimmäiselle on tärkeää, että molemmat väliaineet ovat läpinäkyviä sähkömagneettisille aalloille.

Taitekertoimen käsite

Taitekerroin on tärkeä suure tarkasteltavana olevien ilmiöiden matemaattisessa kuvauksessa. Tietyn väliaineen taitekerroin määritetään seuraavasti:

Missä c ja v ovat valon nopeudet tyhjiössä ja vastaavasti aineessa. V:n arvo on aina pienempi kuin c, joten eksponentti n on suurempi kuin yksi. Dimensioton kerroin n osoittaa, kuinka paljon valoa aineessa (väliaineessa) jäljessä valosta tyhjiössä. Näiden nopeuksien välinen ero johtaa taittumisilmiön esiintymiseen.

Valon nopeus aineessa korreloi jälkimmäisen tiheyden kanssa. Mitä tiheämpi väliaine, sitä vaikeampi valon on liikkua sen läpi. Esimerkiksi ilmalle n = 1,00029, eli melkein kuin tyhjiölle, vedelle n = 1,333.

Heijastukset, taittuminen ja niiden lait

Näyttävä esimerkki Täydellisen heijastuksen tulos on timantin kiiltävä pinta. Timantin taitekerroin on 2,43, joten monet valonsäteet osuvat helmi, koe useita täydellisiä heijastuksia ennen kuin pääset siitä esiin.

Timantin kriittisen kulman θc määrittelytehtävä

Harkitsemme yksinkertainen tehtävä, jossa näytämme, kuinka annettuja kaavoja käytetään. On tarpeen laskea kuinka paljon kokonaisheijastuksen kriittinen kulma muuttuu, jos timantti asetetaan ilmasta veteen.

Tarkasteltuamme taulukossa ilmoitettujen väliaineiden taitekertoimien arvoja, kirjoitamme ne muistiin:

• ilmalle: n1 = 1,00029;
• vesi: n2 = 1,333;
• timantille: n 3 = 2,43.

Timantti-ilma-parin kriittinen kulma on:

θ c1 = arcsin(n 1 /n 3) = arcsin (1,00029/2,43) ≈ 24,31 o.

Kuten näette, tämän mediaparin kriittinen kulma on melko pieni, eli vain ne säteet pääsevät ulos timantista ilmaan, jotka ovat lähempänä normaalia kuin 24,31 o.

Jos kyseessä on timantti vedessä, saamme:

θ c2 = arcsin(n2/n3) = arcsin(1,333/2,43) ≈ 33,27 o.

Kriittisen kulman kasvu oli:

Δθ c = θ c2 - θ c1 ≈ 33,27 o - 24,31 o = 8,96 o.

Tämä kriittisen kulman pieni lisäys valon täydelliselle heijastumiselle timantissa saa sen loistamaan vedessä lähes samalla tavalla kuin ilmassa.

Tyypillisiä valotehosteita, joita jokainen usein kohtaa jokapäiväisessä elämässä, ovat heijastus ja taittuminen. Tässä artikkelissa tarkastellaan tapausta, jossa molemmat vaikutukset ilmenevät samassa prosessissa, puhumme sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiöstä.

Valon heijastus

Ennen kuin harkitset ilmiötä, sinun tulee tutustua tavallisen heijastuksen ja taittumisen vaikutuksiin. Aloitetaan niistä ensimmäisestä. Yksinkertaisuuden vuoksi tarkastelemme vain valoa, vaikka nämä ilmiöt ovat ominaisia ​​minkä tahansa luonteen aallolle.

Heijastus tarkoittaa siirtymistä yhdestä suorasta reitistä, jota pitkin valonsäde siirtyy toiselle suoralle tielle, kun se kohtaa tiellään esteen. Tämä vaikutus voidaan havaita osoittamalla laserosoitin peiliin. Taivaan ja puiden kuvien ilmestyminen veden pintaa katsottaessa on myös heijastuksen tulos auringonvalo.

Heijastamiseen pätee seuraava laki: tulo- ja heijastuskulmat ovat samassa tasossa heijastuspintaan nähden kohtisuoran kanssa ja ovat keskenään yhtä suuret.

Valon taittuminen

Taittumisen vaikutus on samanlainen kuin heijastus, vain se tapahtuu, jos valonsäteen tiellä oleva este on toinen läpinäkyvä väliaine. Tässä tapauksessa osa alkuperäisestä säteestä heijastuu pinnalta ja osa siirtyy toiseen väliaineeseen. Tätä viimeistä osaa kutsutaan taitetuksi säteeksi, ja kulmaa, jonka se muodostaa kohtisuorassa rajapinnan kanssa, kutsutaan taitekulmaksi. Taittunut säde on samassa tasossa heijastuneen ja tulevan säteen kanssa.

Eläviä esimerkkejä taittumisesta ovat lyijykynän katkeaminen vesilasiin tai järven petollinen syvyys, kun ihminen katsoo ylhäältä sen pohjaa.

Tämä ilmiö kuvataan matemaattisesti Snellin lain avulla. Vastaava kaava näyttää tältä:

Tässä refraktiot merkitään θ 1:llä ja θ 2:lla, vastaavasti. Suuret n 1, n 2 heijastavat valon nopeutta kussakin väliaineessa. Niitä kutsutaan median taitekertoimiksi. Mitä suurempi n, sitä hitaammin valo liikkuu tietyssä materiaalissa. Esimerkiksi vedessä valon nopeus on 25 % pienempi kuin ilmassa, joten sen taitekerroin on 1,33 (ilmalla 1).

Täydellisen sisäisen heijastuksen ilmiö

Johtaa yhteen mielenkiintoiseen tulokseen, kun säde etenee väliaineesta, jolla on suuri n. Tarkastellaanpa tarkemmin, mitä palkille tapahtuu. Kirjoita Snellin kaava muistiin:

n 1 * sin (θ 1) = n 2 * sin (θ 2).

Oletetaan, että n 1 >n 2 . Tässä tapauksessa, jotta yhtälö pysyisi tosi, θ 1:n on oltava pienempi kuin θ 2. Tämä johtopäätös on aina pätevä, koska huomioidaan vain kulmat 0 o - 90 o, joiden sisällä sinifunktio jatkuvasti kasvaa. Siten, kun jätän tiheämmän optisen väliaineen vähemmän tiheäksi (n 1 >n 2), säde poikkeaa voimakkaammin normaalista.

Nyt suurennetaan kulmaa θ 1. Tämän seurauksena tulee hetki, jolloin θ 2 on yhtä suuri kuin 90 o. Syntyy hämmästyttävä ilmiö: tiheämästä väliaineesta lähtevä säde jää siihen, eli sille kahden läpinäkyvän materiaalin rajapinnasta tulee läpinäkymätön.

Kriittinen kulma

Kulmaa θ 1, jolle θ 2 = 90 o, kutsutaan yleensä kriittiseksi tarkasteltavalle mediaparille. Mikä tahansa rajapinnalle osuva säde, joka on suurempi kuin kriittinen kulmassa, heijastuu kokonaan ensimmäiseen väliaineeseen. Kriittiselle kullelle θ c voidaan kirjoittaa lauseke, joka seuraa suoraan Snellin kaavasta:

sin (θ c) = n2/n1.

Jos toinen väliaine on ilma, tämä yhtäläisyys yksinkertaistuu muotoon:

sin (θ c) = 1/n1.

Esimerkiksi veden kriittinen kulma on:

θ c = arcsin (1 / 1,33) = 48,75 o.

Jos sukeltat altaan pohjalle ja katsot ylös, näet taivaan ja sen poikki juoksevat pilvet vain oman pääsi yläpuolella, vain altaan seinät ovat näkyvissä.

Edellä esitetyistä näkökohdista on selvää, että toisin kuin taittuminen, kokonaisheijastus ei ole palautuva ilmiö, se tapahtuu vain siirtyessä tiheämästä vähemmän tiheään tiheä väliaine, mutta ei päinvastoin.

Täysi heijastus luonnossa ja tekniikassa

Ehkä yleisin ilmiö luonnossa, joka on mahdotonta ilman täydellistä heijastusta, on sateenkaari. Sateenkaaren värit ovat seurausta hajoamisesta valkoinen valo sadepisaroissa. Kuitenkin, kun säteet kulkevat näiden pisaroiden sisällä, ne kokevat joko yhden tai kaksinkertaisen sisäisen heijastuksen. Tästä syystä sateenkaaret näyttävät aina kaksinkertaisilta.

Sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiötä käytetään valokuitutekniikassa. Optisten kuitujen ansiosta on mahdollista siirtää sähkömagneettisia aaltoja pitkiä matkoja ilman häviötä.

2. Valon heijastus ja taittuminen. Täydellinen sisäinen heijastus. Kuituoptiikka, sen sovellus lääketieteessä.

J. Maxwellin kehittämästä sähkömagneettisen kentän teoriasta seurasi: sähkömagneettiset aallot etenevät valon nopeudella - 300 000 km/s, että nämä aallot ovat poikittaisia, aivan kuten valoaallot. Maxwell ehdotti, että valo on sähkömagneettinen aalto. Tämä ennuste vahvistettiin myöhemmin kokeellisesti.

Kuten sähkömagneettiset aallot, valon eteneminen noudattaa samoja lakeja.

Heijastuksen laki. Tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma (α=β). Tuleva säde AO, heijastunut säde OB ja kohtisuora OS, palautettu tulopisteeseen, ovat samassa tasossa.

Taittumisen laki. Tuleva säde AO ja taittunut säde ovat samassa tasossa kohtisuoran CD:n kanssa, joka on piirretty säteen tulopisteeseen kahden väliaineen erotustasoon nähden. Tulokulman a ja taitekulman y sinien suhde on vakio näille kahdelle väliaineelle ja sitä kutsutaan toisen väliaineen taitekertoimeksi suhteessa ensimmäiseen: .

Valon heijastuksen lait otetaan huomioon, kun objektin kuvaa rakennetaan peileissä (tasainen, kovera ja kupera) ja ne näkyvät peiliheijastuksessa periskoopeissa, valonheittimissä, auton ajovaloissa ja monissa muissa teknisissä laitteissa ottaa huomioon konstruoitaessa kuvia kaikenlaisissa linsseissä, prismoissa ja niiden yhdistelmissä (mikroskooppi, teleskooppi) sekä optisissa instrumenteissa (kiikarit, spektrilaitteet, kamerat ja projektiolaitteet). Jos valonsäde seuraa optisesti vähemmän tiheästä väliaineesta (esim. ilmasta; n ilma = 1) optisesti tiheämpään väliaineeseen (esimerkiksi lasiin, jonka taitekerroin n st. = 1,5), niin niiden rajalla siellä on osittainen heijastus ja osittainen valon taittuminen.

Tästä seuraa, että eli taitekulman g sini on 1,5 kertaa pienempi kuin tulokulman a sini. Ja jospa

Jos valonsäde laukaistaan ​​optisesti tiheämästä lasista optisesti vähemmän tiheään ilmaan, taitekulma on päinvastoin suurempi kuin tulokulma, g > a. Käsitellylle säteen käänteiselle taittumislaki on:

siksi laula = 1.5sina; g>a

Tätä tilannetta havainnollistaa kuvan kaavio A.

Jos tulokulma a kasvatetaan tiettyyn raja-arvoon apr, niin taitekulma g >a saavuttaa suurimman arvon g = 90 0 . Taittunut säde liukuu pitkin kahden median välistä rajapintaa. Tulokulmilla a>a taittumisilmiötä ei tapahdu, ja osittaisen heijastuksen sijaan vaiherajalla, saattaa loppuun valon heijastus optisesti tiheämpään väliaineeseen tai täydellinen sisäinen heijastus . Tämä optinen ilmiö muodostaa perustan koko fyysiselle ja tekniselle suunnalle, jota kutsutaan kuituoptiikka.

Lääketieteessä valokuitua on käytetty endoskoopeissa - laitteissa sisäisten onteloiden (esimerkiksi mahalaukun) tutkimiseen. Tutkittavaan onteloon työnnetään valoohjain, joka on nippu suuresta määrästä ohuita lasikuituja, jotka on sijoitettu yhteiseen suojakuoreen. Joitakin kuituja käytetään ontelon valaistuksen järjestämiseen potilaan kehon ulkopuolella sijaitsevasta valonlähteestä. Valonohjainta voidaan käyttää myös lasersäteilyn välittämiseen sisäonteloon hoitotarkoituksiin.

Täydellistä sisäistä heijastusta esiintyy myös joissakin verkkokalvon rakenteissa.

3. Silmän optinen järjestelmä. Näkövammat, niiden korjausmenetelmät .

Silmän optinen järjestelmä tarjoaa pienennetyn todellisen käänteisen (käänteisen) kuvan verkkokalvolla. Jos silmän valoa taittava järjestelmä katsotaan yhdeksi linssiksi, niin tämän järjestelmän optinen kokonaisteho saadaan seuraavien neljän termin algebrallisena summana:

a) Sarveiskalvo: D = +42,5 dioptria

b) Etukammio: D +2 - +4 diopteria

c) Linssi: D  const; +19 - +33 dioptria

d) Lasimainen runko -5 - -6 diopteria.

Koska linssin optinen teho vaihtelee, silmän optinen kokonaisteho vaihtelee välillä 49-73 dioptria.

Pelkistetty silmä, kuten yksittäinen linssi, on toiselta puolelta ilmaa päin (absoluuttinen taitekerroin nair = 1), ja toinen on kosketuksessa nesteen kanssa, nf = 1,336. Joten vasen ja oikea polttoväli eivät ole samat; jos etuosa polttoväli keskimäärin F1 = 17 mm, sitten taka - F2 = 23 mm. Järjestelmän optinen keskus on syvällä silmässä 7,5 mm:n etäisyydellä sarveiskalvon ulkopinnasta.

Tämän järjestelmän tärkeimmällä taittoelementillä - sarveiskalvolla - ei ole pallomaisia, vaan monimutkaisempia taitepintojen muotoja, ja tämä on hyvä isku pallomaiseen aberraatioon.

Linssin optinen teho muuttuu, kun cirial-lihakset supistuvat tai rentoutuvat; Tällä saavutetaan silmän mukautuminen - sen sopeutuminen kuvan tarkentamiseen verkkokalvolle sekä kaukaisia ​​että lähellä olevia kohteita katseltaessa. Näiden lihasten välttämätön jännitys antaa tietoa etäisyydestä kyseiseen esineeseen, vaikka katsoisimme sitä yhdellä silmällä. Silmään tulevan valon kokonaismäärää säätelee iiris. Se voi olla erivärinen, ja siksi ihmiset voivat olla sinisilmäisiä, ruskeasilmäisiä jne. Sitä ohjaa lihaspari. On lihas, joka supistaa pupilleja (pyöreä lihas), ja on lihas, joka laajentaa sitä (säteittäinen lihas).

Tarkastellaan seuraavaksi verkkokalvon rakenteellisia piirteitä. Sen tarkoituksena on muuntaa sen pinnalta saatu optinen kuva aivoihin tuleviksi sähköisten hermoimpulssien virroiksi. Nämä muunnokset suoritetaan kahden tyyppisillä fotoreseptorisoluilla, joita muodon ominaisuuksien vuoksi kutsutaan kartioksi ja sauvoiksi.

Kartiovaloreseptorit päiväsaikaan. Tarjoaa värinäön. Sauvat ovat hämäränäön reseptoreita. Jokainen ihmissilmä sisältää noin 125 * 106 sauvaa ja 5 * 106 kartiota, yhteensä 130 * 106 valoreseptoria. Kartiot ja sauvat jakautuvat erittäin epätasaisesti verkkokalvon poikki: vain tangot sijaitsevat reunalla, mitä lähempänä makulan aluetta, sitä enemmän kartioita on; makulassa vain kartiot sijaitsevat ja niiden tiheys (lukumäärä pinta-alayksikköä kohti) on erittäin korkea, joten täällä näitä soluja "valmistetaan" jopa pienikokoisena versiona - ne ovat pienempiä kuin muilla verkkokalvon alueilla.

Verkkokalvon makulan alue on alue paras visio. Tässä tarkennamme kohteen kuvaa, jos haluamme tarkastella tätä kohdetta erityisen huolellisesti.

Käpyjen ”pakkausten” tiheys makulassa määrää näkökykymme. Tämä tiheys on keskimäärin sellainen, että kolme kartiota mahtuu 5 mikronin pituiseen segmenttiin. Jotta silmä voisi erottaa kohteen kaksi pistettä, on välttämätöntä, että kahden valaistun kartion välissä on yksi valottamaton.

Taittuminen Valon (taittuminen) silmässä on normaalia, jos silmän optisen järjestelmän antama kuva kohteesta putoaa valoreseptoreiden ulompiin segmentteihin ja linssin kaarevuutta säätelevät lihakset ovat rentoutuneet. Tätä (normaalia) taittumaa kutsutaan emmetropia.

Poikkeama emmetropiasta - ametropia - löytyy kahdessa lajikkeessa. Likinäköisyys (likinäköisyys) - kuva ei kohdistu verkkokalvoon, vaan sen eteen, eli valon taittuminen silmässä tapahtuu "liian hyvin". Tämä redundanssi voidaan poistaa toisistaan ​​poikkeavilla silmälasilinsseillä (negatiivinen optinen teho).

Hypermetropia (kaukonäköisyys) on eräänlainen ametropia, jossa kuva muodostuu verkkokalvon taakse. Jotta kuva palautettaisiin verkkokalvolle, sinun on "aputtava" silmää konvergoivalla silmälasilinssillä (optinen teho on positiivinen). Toisin sanoen, jos silmän optinen teho on riittämätön, sitä voidaan lisätä lisätermillä - keräävän silmälasilinssin optisella teholla.

Piilolinssien ilmestyminen klassisten silmälasien sijaan nähtiin alun perin melkein vallankumouksena.

Piilolinssin ominaisuuksista puhuttaessa on otettava huomioon, että suhteellinen taitekerroin piilolinssin ensimmäisellä (sädettä pitkin) pinnalla on itse asiassa yhtä suuri kuin linssimateriaalin absoluuttinen taitekerroin. toinen pinta se on yhtä suuri kuin sarveiskalvon ja linssin absoluuttisten taitekertoimien suhde.

Keksintöä esitettäessä ennemmin tai myöhemmin havaitaan sekä edut että haitat. Klassisia laseja ja piilolinssejä nykyisessä muodossaan voidaan verrata seuraavasti:

Klassiset lasit on helppo pukea ja riisua, mutta ne eivät ole mukavia käyttää;

Piilolinssit ovat mukavia käyttää, mutta ne eivät ole helppoja pukea ja ottaa pois.

Näön laserkorjaus on mikrokirurgia sarveiskalvon ulkopinnalle. Muistakaamme, että sarveiskalvo on silmän optisen järjestelmän tärkein valoa taittava elementti. Näönkorjaus saadaan aikaan muuttamalla sarveiskalvon ulkopinnan kaarevuutta. Jos esimerkiksi teet pinnasta litteämmän (eli lisäät kaarevuussädettä R), kaavan (4) mukaan tämän pinnan optinen teho D pienenee.

Vakavia näköongelmia ilmenee, kun verkkokalvo irtoaa. Näissä tapauksissa menetelmä verkkokalvon kiinnittämiseksi luonnon tarjoamaan paikkaan fokusoidulla lasersäteellä on löytänyt käyttöä. Tämä kiinnitystapa on samanlainen kuin metallien pistehitsaus tekniikassa. Tarkennettu säde luo pienen kohonneen lämpötilan vyöhykkeen, jossa biologiset kudokset "hitsataan" (kirjaimellisesti ja kuvaannollisesti).

Verkkokalvo on yksi rodopsiinin kahdesta pääkomponentista - se on A-vitamiinin aldehydi. Ottaen huomioon, että fotoreseptorien ulommat osat uusiutuvat jatkuvasti, A-vitamiinin täysi saanti elimistössä on A-vitamiinin ylläpitämisen edun mukaista. visuaalinen järjestelmä hyvässä kunnossa.

4 . Optinen mikroskooppi. Säteiden polku mikroskoopissa. Hyödyllinen mikroskoopin suurennus.

Mikroskooppi - laite, joka on suunniteltu ottamaan suurennettuja kuvia sekä mittaamaan kohteita tai rakenteellisia yksityiskohtia, jotka ovat näkymättömiä tai vaikeasti nähtävissä paljaalla silmällä. Se on kokoelma linssejä.

Valmistusteknologiaa ja mikroskooppien käytännön käyttöä kutsutaan mikroskoopiksi. Mikroskoopissa on mekaanisia ja optisia osia. Mekaanista osaa edustaa kolmijalka (joka koostuu alustasta ja putkenpitimestä) ja siihen kiinnitetty putki revolverilla linssien kiinnitystä ja vaihtoa varten. Mekaaninen osa sisältää myös: valmisteluvaiheen, lauhduttimen ja valosuodattimien kiinnityslaitteet, jalustaan ​​rakennetut mekanismit karkeaa (makromekanismi, makroruuvi) ja hienoa (mikromekanismi, mikroruuvi) liikettä varten. lavan tai putken pidike.

Optista osaa edustavat linssit, okulaarit ja valaistusjärjestelmä, joka puolestaan ​​koostuu kohdetason alla sijaitsevasta Abbe-kondensaattorista ja sisäänrakennetusta valaisimesta, jossa on pienjännitehehkulamppu ja muuntaja. Linssit ruuvataan revolveriin ja vastaava okulaari, jonka läpi kuvaa tarkkaillaan, asennetaan putken vastakkaiselle puolelle.

Mekaaninen osa sisältää kolmijalan, joka koostuu alustasta ja putken pidikkeestä. Jalusta toimii mikroskoopin tukena ja kantaa koko kolmijalan rakenteen. Mikroskoopin pohjassa on myös peilikanta tai sisäänrakennettu valaisin.

esinepöytä, jota käytetään valmisteiden sijoittamiseen ja niiden vaakasuoraan liikuttamiseen;

asennus ja pystysuorat valosuodattimet.

Hyödyllinen lisäys - tämä on näennäinen suurennus, jolla tarkkailijan silmä käyttää täysin mikroskoopin erotuskykyä, eli mikroskoopin erotuskyky on sama kuin silmän suurin hyötysuurennus, eli suurennus, jolla kohteen yksityiskohdat paljastuvat, määräytyy kaavan mukaan

jossa d1 on ihmissilmän suurin resoluutio, joka on 0,3 mm; d – optisen järjestelmän maksimiresoluutio.

(Kuituoptiikka) Käytännöllinen käyttö kokonaisheijastuksen ilmiö!

Valon kokonaisheijastuksen soveltaminen 1. Kun muodostuu sateenkaari 2. Suuntaa valoa kaarevaa polkua pitkin a) Kuituoptiset tietoliikennelinjat (FOCL) b) Kuituoptiset lamput c) Tutkimukseen sisäelimet ihminen (endoskoopit)

Sateenkaaren muodostumiskaavio 1) pallomainen pisara, 2) sisäinen heijastus, 3) ensisijainen sateenkaari, 4) taittuminen, 5) toissijainen sateenkaari, 6) tuleva valonsäde, 7) säteen reitti primäärisateenkaaren muodostumisen aikana, 8) säteen reitti toissijaisen sateenkaaren muodostumisen aikana 9) tarkkailija, 10-12) sateenkaaren muodostumisalue.

Valon ohjaamiseksi kaarevaa polkua pitkin käytetään optisia kuituja, jotka ovat ohuita (useita mikrometreistä millimetreihin) mielivaltaisesti kaarevia lankoja, jotka on valmistettu optisesti läpinäkyvästä materiaalista (lasi, kvartsi). Valonohjaimen päähän osuva valo voi kulkea sitä pitkin pitkiä matkoja sivupintojen sisäisen täydellisen heijastuksen vuoksi. Kuituoptisen viestinnän kaapelit valmistetaan optisista kuiduista.

Optinen kuitukaapeli

Optinen kuitukaapeli

Kuituoptisten linjojen edut Kuituoptisilla linjoilla on useita etuja langallisiin (kupariin) ja radioreleen tietoliikennejärjestelmiin verrattuna: Matala signaalin vaimennus mahdollistaa tiedon siirron paljon pidemmälle ilman vahvistimia. Korkea läpijuoksu optisen kuidun avulla voit siirtää tietoa suuri nopeus, jota muut viestintäjärjestelmät eivät voi saavuttaa. Optisen ympäristön korkea luotettavuus: optiset kuidut eivät hapetu, eivät kastu eivätkä heikennä sähkömagneettinen vaikutus. Tietoturva- tieto välitetään optisen kuidun kautta "pisteestä pisteeseen". Yhdistä kuituun ja lue lähetettyä tietoa vahingoittamatta sitä, se on mahdotonta. Korkea suoja kuitujen välisiltä vaikutuksilta. Yhden kuidun säteilyllä ei ole minkäänlaista vaikutusta viereisen kuidun signaaliin. Palo- ja räjähdysturvallisuus fysikaalisten ja kemiallisten parametrien mittauksessa Pienet mitat ja paino Valokuitulinjojen haitat Valokuidun suhteellinen hauraus. Jos kaapeli on voimakkaasti taipunut, kuidut voivat katketa ​​tai sameaa mikrohalkeamien vuoksi. Monimutkainen tekniikka sekä itse kuidun että kuituoptisen linkin komponenttien valmistukseen. Signaalin muuntamisen vaikeus Suhteellisen kallis optinen päätelaite Kuitu samenee ajan myötä ikääntymisen vuoksi.

Optinen kuituvalo

Endoskooppi (kreikan kielestä ένδον - sisällä ja kreikan kielestä σκοπέω - tarkastus) on ryhmä optisia laitteita eri tarkoituksiin. On lääketieteellisiä ja teknisiä endoskooppeja. Teknisiä endoskooppeja käytetään koneiden ja laitteiden vaikeapääsyisten onteloiden tarkastamiseen kunnossapidon ja suorituskyvyn arvioinnin yhteydessä (turbiinien siivet, polttomoottorin sylinterit, putkistojen kunnon arviointi jne.), lisäksi teknisiä endoskooppeja käytetään turvajärjestelmissä piiloonteloiden tarkastamiseen (mukaan lukien kaasusäiliöiden tarkastukset tullissa. Lääketieteellisiä endoskooppeja käytetään lääketieteessä ihmisen onttojen sisäelinten (ruokatorvi, mahalaukku, keuhkoputket, virtsaputki, virtsarakon, naisten lisääntymiselimet, munuaiset, kuuloelimet) sekä vatsan ja muiden kehon onteloiden.

Kiitos huomiostasi!)

Joitakin fysiikan lakeja on vaikea kuvitella ilman visuaalisia apuvälineitä. Tämä ei koske tavallista valoa, joka putoaa eri esineisiin. Siten kaksi väliainetta erottavalla rajalla tapahtuu muutos valonsäteiden suunnassa, jos tämä raja on paljon korkeampi, kun osa sen energiasta palaa ensimmäiseen väliaineeseen. Jos osa säteistä tunkeutuu toiseen väliaineeseen, ne taittuvat. Fysiikassa kahden eri väliaineen rajalle putoavaa energiaa kutsutaan sattumaksi, ja energiaa, joka palaa siitä ensimmäiseen väliaineeseen, kutsutaan heijastuneeksi. Näiden säteiden suhteellinen sijainti määrittää valon heijastuksen ja taittumisen lait.

Ehdot

Tulevan säteen ja kahden väliaineen rajapintaan nähden kohtisuoran linjan välistä kulmaa, joka on palautettu valoenergiavirran tulopisteeseen, kutsutaan toiseksi tärkeäksi indikaattoriksi. Tämä on heijastuskulma. Se tapahtuu heijastuneen säteen ja kohtisuoran suoran välillä, joka on palautettu sen tulopisteeseen. Valo voi levitä suorassa linjassa vain homogeenisessa väliaineessa. Eri ympäristöt absorboivat ja heijastavat valoa eri tavalla. Heijastuskyky on suure, joka kuvaa aineen heijastavuutta. Se osoittaa, kuinka paljon valosäteilyn väliaineen pinnalle tuomaa energiaa on se, joka heijastuneen säteilyn kuljettaa sieltä pois. Tämä kerroin riippuu useista tekijöistä, joista tärkeimpiä ovat tulokulma ja säteilyn koostumus. Valon täydellinen heijastus tapahtuu, kun se putoaa esineille tai aineille, joilla on heijastava pinta. Tämä tapahtuu esimerkiksi, kun säteet osuvat ohueseen hopeakalvoon ja nestemäistä elohopeaa, levitetty lasille. Valon kokonaisheijastusta tapahtuu käytännössä melko usein.

lait

Eukleides muotoili valon heijastuksen ja taittumisen lait jo 300-luvulla. eKr e. Ne kaikki perustettiin kokeellisesti ja ne voidaan helposti vahvistaa puhtaasti Huygensin geometrisella periaatteella. Hänen mukaansa mikä tahansa piste väliaineessa, johon häiriö saavuttaa, on toisioaaltojen lähde.

Ensimmäinen valo: tuleva ja heijastava säde sekä rajapintaan nähden kohtisuora viiva, joka on rekonstruoitu valonsäteen tulopisteessä, sijaitsevat samassa tasossa. Tasoaalto osuu heijastavalle pinnalle, jonka aaltopinnat ovat raitoja.

Toinen laki sanoo, että valon heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma. Tämä tapahtuu, koska niillä on keskenään kohtisuorat sivut. Kolmioiden yhtäläisyyden periaatteiden perusteella seuraa, että tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma. Voidaan helposti todistaa, että ne sijaitsevat samassa tasossa säteen tulopisteen rajapintaan palautetun kohtisuoran linjan kanssa. Nämä tärkeimmät lait pätevät myös valon käänteiselle polulle. Energian palautuvuudesta johtuen heijastuneen reitillä etenevä säde heijastuu tulevan polun varrella.

Heijastavien kappaleiden ominaisuudet

Suurin osa esineistä heijastaa vain niihin kohdistuvaa valosäteilyä. Ne eivät kuitenkaan ole valonlähde. Hyvin valaistut kappaleet näkyvät selvästi kaikilta puolilta, koska niiden pinnalta tuleva säteily heijastuu ja siroaa eri suuntiin. Tätä ilmiötä kutsutaan diffuusiksi (hajaheijastukseksi). Se tapahtuu, kun valo osuu mihin tahansa karkeaan pintaan. Kehosta heijastuneen säteen polun määrittämiseksi sen tulokohdassa piirretään pintaa koskettava taso. Sitten siihen suhteutetaan säteiden tulokulmat ja heijastus.

Hajaheijastus

Vain valoenergian hajaheijastuksen (hajaheijastuksen) ansiosta voimme erottaa esineet, jotka eivät pysty säteilemään valoa. Mikä tahansa kappale on meille täysin näkymätön, jos säteiden sironta on nolla.

Valoenergian hajaheijastus ei aiheuta epämiellyttäviä tuntemuksia silmissä. Tämä johtuu siitä, että kaikki valo ei palaa alkuperäiseen väliaineeseen. Joten noin 85 % säteilystä heijastuu lumesta, 75 % valkoisesta paperista ja vain 0,5 % mustasta velouurista. Kun valo heijastuu erilaisilta karkeilta pinnoilta, säteet suuntautuvat satunnaisesti toisiinsa nähden. Riippuen siitä, missä määrin pinnat heijastavat valonsäteitä, niitä kutsutaan matteiksi tai peiliksi. Mutta silti nämä käsitteet ovat suhteellisia. Samat pinnat voivat olla peilattuja tai mattapintaisia ​​tulevan valon eri aallonpituuksilla. Pinta, joka hajottaa säteet tasaisesti eri suuntiin, katsotaan täysin mattapintaiseksi. Vaikka luonnossa tällaisia ​​esineitä ei käytännössä ole, lasittamaton posliini, lumi ja piirustuspaperi ovat niitä hyvin lähellä.

Peilin heijastus

Valosäteiden peiliheijastus eroaa muista tyypeistä siinä, että kun energiasäteet putoavat tasaiselle pinnalle tietyssä kulmassa, ne heijastuvat yhteen suuntaan. Tämä ilmiö on tuttu kaikille, jotka ovat koskaan käyttäneet peiliä valonsäteiden alla. Tässä tapauksessa se on heijastava pinta. Myös muut elimet kuuluvat tähän luokkaan. Kaikki optisesti sileät esineet voidaan luokitella peilipinnoiksi (heijastaviksi) pinnoiksi, jos niissä olevien epähomogeenisuuksien ja epäsäännöllisyyksien koko on alle 1 mikroni (ei ylitä valon aallonpituutta). Kaikkiin tällaisiin pintoihin sovelletaan valon heijastuksen lakeja.

Valon heijastus eri peilipinnoilta

Tekniikassa käytetään usein peilejä, joissa on kaareva heijastava pinta ( pallomaiset peilit). Tällaiset esineet ovat pallomaisen segmentin muotoisia kappaleita. Säteiden samansuuntaisuus, kun valo heijastuu tällaisilta pinnoilta, häiriintyy suuresti. Tällaisia ​​peilejä on kahdenlaisia:

Kovera - heijastaa valoa sisäpinta pallon segmentiksi, niitä kutsutaan keräämiseksi, koska rinnakkaiset säteet niistä heijastuneen valon jälkeinen valo kerätään yhteen pisteeseen;

Kupera - heijastaa valoa ulkopinnalta, kun taas yhdensuuntaiset säteet ovat hajallaan sivuille, minkä vuoksi kuperat peilit kutsutaan hajoamiseksi.

Vaihtoehdot valonsäteiden heijastamiseen

Melkein pinnan suuntaisesti tuleva säde koskettaa sitä vain vähän ja heijastuu sitten hyvin tylpässä kulmassa. Sitten se jatkaa hyvin matalaa lentorataa, lähinnä pintaa. Lähes pystysuoraan putoava säde heijastuu terävässä kulmassa. Tässä tapauksessa jo heijastuneen säteen suunta on lähellä tulevan säteen reittiä, mikä on täysin yhdenmukainen fysikaalisten lakien kanssa.

Valon taittuminen

Heijastus liittyy läheisesti muihin ilmiöihin geometrinen optiikka kuten taittuminen ja sisäinen kokonaisheijastus. Usein valo kulkee kahden median välisen rajan läpi. Valon taittuminen on optisen säteilyn suunnan muutosta. Se tapahtuu, kun se siirtyy ympäristöstä toiseen. Valon taittumisessa on kaksi mallia:

Väliaineen välisen rajan läpi kulkeva säde sijaitsee tasossa, joka kulkee kohtisuoran pintaan ja tulevaan säteeseen nähden;

Tulokulma ja taittumiskulma liittyvät toisiinsa.

Taittumiseen liittyy aina valon heijastus. Heijastuneiden ja taittuneiden säteiden energioiden summa on yhtä suuri kuin tulevan säteen energia. Niiden suhteellinen intensiteetti riippuu tulevasta säteestä ja tulokulmasta. Monien optisten instrumenttien suunnittelu perustuu valon taittumisen lakeihin.