Основы волоконной оптики
Хотя подобные приборы появились лишь в самое последнее время, мысль о передаче изображения по связке тонких волокон, которые можно изгибать и скручивать, не очень нова. Первые практические шаги в волоконной оптике были сделаны лет 20 назад Гопкинсом в Лондоне и ван Хеелом в Голландии. С тех пор оптическая промышленность вплотную занималась этой проблемой, и в настоящее время волоконные оптические системы появились в продаже.
Давно было известно, что свет можно пропускать через изогнутый стеклянный стержень, используя явление полного внутреннего отражения. Когда луч света выходит из стекла в воздух под углом к поверхности стекла, то угол преломления оказывается больше угла падения луча внутри стекла. По мере увеличения угла падения луча на границу раздела стекло — воздух наступает момент, когда угол преломления будет настолько велик, что выходящий луч будет касаться поверхности стекла. Если угол падения луча в стекле увеличить еще, то луч вообще не выйдет из стекла: поверхность стекла будет вести себя как идеальное зеркало, и поэтому луч возвращается обратно в стекло. Это явление и называется полным внутренним отражением. Угол, при котором наступает полное отражение, определяется показателем преломления стекла.
Реальная отражательная способность поверхности очень сильно зависит от ее чистоты, в особенности от того, насколько она свободна от пленки жира. Если поверхность чистая, то отражательная способность удивительно высока и достигает почти 100%. На протяжении многих лет этот факт используется в оптических приборах. Прямоугольные стеклянные призмы являются идеальным средством для поворота пучка света на 90°, потери света происходят только при входе и выходе луча, а на внутренней отражающей поверхности они равны нулю.
Если взять длинный тонкий стеклянный стержень и отполировать его концы, чтобы свет свободно мог входить и выходить, и если стержень достаточно 'тонок, то при его сгибании мы обнаружим, что свет, вошедший в один конец стержня, упадет на изогнутую внутреннюю поверхность под таким углом, что он испытает полное внутреннее отражение. Продвигаясь дальше внутри стержня, свет опять упадет на противоположную сторону под углом, опятьтаки соответствующим полному внутреннему отражению. Таким образом луч будет описывать зигзагообразную траекторию, пока не выйдет через другой отполированный конец стержня. При всех отражениях на стенках никакой потери света не происходит; свет ослабляется лишь изза поглощения в стекле.
Чем тоньше стержень, тем чаще будет луч «перескакивать» из стороны в сторону. Если стержень достаточно тонок, то несущественно, как мы сгибаем и скручиваем его: вошедший в него свет обязательно выйдет из другого конца, как вода из брандспойта. Все происходит так, как если бы этот пучок световых лучей шел по трубопроводу, образуемому скрученным или изогнутым стержнем. Очевидно, этот принцип должен быть верным и для стержня, настолько тонкого, чтобы его можно было е полным правом называть стеклянным волокном.
Вычисления показывают, что в изогнутом стеклянном волокне толщиной 1/200 см и длиной около 30 см будет происходить 4000 последовательных отражений. И тем не менее внутреннее отражение в понастоящему чистом стекле настолько хорошо, что, несмотря на значительное число отражений, через такой «световод» пройдет около 97% всего света. Конечно, поверхность не может быть идеально чистой и всегда будет некоторое поглощение, поэтому нельзя надеяться на достижение этого теоретического идеала. Тем не менее вычисления показывают, что при подходящих условиях количество прошедшего через волокно света удивительно велико.
Структура волокон
Затворы Керра