5. Рассеяние света на макроскопических дефектах

К макроскопическим дефектам относят: поры, трещины, инородные включения, воздушные полости с размерами

Такие дефекты способны рассеять полностью электромагнитное излучение, распространяющиеся по стекловолокну. Например, дефект в виде воздушного пузыря диаметром 5 ÷ 10 мкм и толщиной 1 мкм в стекловолокне будет действовать, как типичная рассеивающая линза.

Из сказанного ясно, что стекловолокна должны проходить жест­кий контроль на полное отсутствие макроскопических дефектов.

6. Потери, связанные с изгибом стекловолокон

Различают микроизгибы (соизмеримые с диаметром сердцевины стекловолокна) и макроизгибы радиуса . В первом случае изгиб приводит к возникновению локального (сосредоточен­ного в микрообъёме) уплотнения и связанного с ним увели­чения абсолютного показателя преломления , что приводит к микрорефракции, т.е. дополнительному рассеянию света.

В случае макроизгибов (рис. 16.5), поверхность стекловолок­на сжимается, поверхность растягивается, внутренние поверхнос­ти ведут себя аналогично. В результате в верхней части волокна плотность , аналогично перераспределяется и показатель преломления, поскольку он пропорционален :

.

Следствием этого будет смещение сердцевины по направлению к по­верхности , что приведет к частичному переходу энергии свето­вой волны в оболочку.

Поскольку обратного пути света из оболочки в сердцевину не существует, эту часть энергии волны можно считать безвозвратно потерянной для передачи сигналов.

Рисунок 16.5

7. Потери за счет полного внутреннего отражения

Как известно, в режиме полного внутреннего отражения на границе "центр-оболочка", собственно-отражение происходит не в точке, а на конечном оптическом пути (ВСД), рис. 16.6. Проникновение волны через границу раздела в режиме полного внутреннего отра­жения приводит к двум эффектам:

1. Дополнительному набегу фазы на участке ВСД, который подроб­но анализируется в теории планарного волновода.

2. К переводу части энергии волны в оболочку (пунктирная стрел­ка на рис. 16.6), которая постепенно в оболочке затухает.

Рисунок 16.6

8. Термо-механические потери

Поскольку температурные коэффициенты линейного расширения центра, оболочки и (особенно) полимерного покрытия стекловолокна не являются одинаковыми, при нагревании (или охлаждении) стекловолоконного кабеля, в нем возникают дополнительные механические напряжения, приводящие к локальным изменениям плотности и абсолютного показателя преломления , т.е. к дополнитель­ному рассеянию света.

9. Закон бугера-ламберта, коэффициент поглощения, коэффициент пропускания и оптическая плотность

Анализ конкретного вида потерь, рассмотренных в 16.1 - 16.7, как правило, представляет довольно сложную и не всегда разрешимую задачу. С практической точки зрения, нас интересует суммарное, обусловленное всеми вышеизложенными причинами затухание сигнала.

К характеристике этого затухания можно отнести коэффици­ент поглощения, определяемый законом Бугера-Ламберта.

Пусть интенсивность электромагнитной волны на входе в стекловолокно (после прохождения границы раздела "воздух-стекло") равна , а интенсивность её на выходе из стекловолокна (до прохождения границы раздела "стекло-воздух") равна , (рис.16.7). Выберем внутри волокна малый элемент толщины . На входе в этот элемент интенсивность волны равна , а на выходе , где - убыль интенсивности за счет поглоще­ния и рассеяния. Очевидно, что ~ и ~ . Вводя коэффициент пропорциональности , получим

. (16.16)

Знак (-) в (16.16) подчеркивает убыль интенсивности.

Разделяя переменные в (16.16), и интегрируя, находим:

(16.17)

Формула (16.17) носит название закона Бугера-Ламберта. Здесь - длина стекловолокна, а величина носит название коэффициента поглощения. Выясним его физический смысл. Пусть , тогда

откуда

. (16.18)

Коэффициент поглощения есть величина, обратная той длине волок­ на на которой интенсивность волны убывает в =2,718282 раз. Отношение интенсивности волны на выходе из стекловолокна к её интенсивности на входе называется коэффициентом пропускания :

. (16.19)

Рисунок 16.7

Согласно (16.17) и (16.19)

. (16.20)

В оптике и спектроскопии широко применяется термин «оптическая плотность», которая определяется как

. (16.21)

Согласно (16.20) и (16.19)

Таким образом,

(16.22)