медицина (в том числе крио

среду менее плотную (воздух) с n2 (рисунок 2.1). При угле падения θ свето-

вой луч I частично отражается от поверхности раздела сред (луч II) и, частично переломившись, (луч III) переходит в менее плотную среду (рисунок

2.1(а))

Последующее увеличение (рисунок 2.1(б)) угла падения θ луча I до некоторого значения θк приводит к тому, что угол преломления β окажется ра-

вным π2 и луч III будет скользить по границе раздела сред. При дальнейшем

незначительном увеличении угла падения θ луча I (рисунок 2.1(в)) преломленный луч III полностью исчезнет и весь падающий луч I отразится (луч II). Это явление называется полным внутренним отражением. Наименьший угол θ, при котором наступает полное внутреннее отражение, называется пред-

ельным (критическим) углом (θк), которому соответствует угол преломления

β = π2 .

Рис 2.1 - Схема к объяснению полного внутреннего отражения све-

та и предельного (критического) угла

Для рассматриваемого случая угол падения, угол преломления и доля отраженной световой энергии с границы раздела соответственно принимают

следующие значения (n1 стекла равна 1,555):

0о, 0о, 4,7 %; 30о, 51о, 6,8 % ; 39о, 79о, 36 % ; 40о, 90о, 100 % ; 60о, - , 100 % ; 80о, - , 100 %

Откуда видно, что для стекла(n1=1,555), предельный угол θк ≈ 40о. Исходя из соотношения:

Sinθk = n2 ,

Sinβ n1

и условия, что предельному углу падения соответствует угол преломления

Таким образом, зная значения абсолютных показателей оптически более плотной среды n1 и оптически менее плотной среды n2 для заданного сочетания сред, по этой зависимости можно вычислить предельный угол полного внутреннего отражения θк.

В основе транспортировки светового луча по световоду лежит явление его полного внутреннего отражения от границы раздела с более оптически плотной к менее оптически плотной среде.

2.3 Световоды

Световоды позволяют производить направленную передачу световой энергии, исходящей от тепловых, люминесцентных и когерентных источников света. Естественные светила, лампы накаливания, ртутные и люминесцентные лампы испускают некогерентные световые потоки. Источниками когерентного света являются лазеры. В основном друг от друга они отличаются шириной спектра: широким непрерывным спектром обладают тепловые, достаточно узким – люминесцентные источники, практически монохроматический свет дают лазеры.

Из ряда конструкций рассмотрим трубчатые, щелевые и волоконные световоды.

2.3.1 Трубчатые световоды

Множество разнотипных электрических ламп, соединённых между собой разветвлёнными электрическими сетями, освещают промышленные и бытовые помещения.

Так, например, в средних машиностроительных заводах для освещения используется до 15 тысяч светильников. Эксплуатация их сопряжена с такими видами работ, как замена отработавших свой срок ламп, их регулярная чистка, уход за сетями. Если учесть, что в промышленных корпусах светильники располагаются на большой высоте над работающим оборудованием, то упомянутые работы осложняются тем, что они должны проводиться в труднодоступных местах. Сказанное затрудняет и удорожает эксплуатацию средств освещения различных помещений.

Освещение пожаро- и взрывоопасных помещений обычными лампами накаливания возможно при использовании соответствующей арматуры и узлов управления, что несомненно приводит к удорожанию их производства и увеличению эксплуатационных расходов.

В силу сказанного постановка вопроса об упрощении и удешевлении обслуживания систем освещения производственных помещений, сокращения протяжённости электрических сетей является вполне закономерной.

Перспективными считаются устройства, позволяющие транспортировку и пространственное перераспределение света, излучаемого мощными компактными источниками, сосредоточенными в заданных местах, для равномерного и не слепящего глаз освещения определённой площади помещения. Естественно, такое решение вопросов освещения возможно только при создании новых источников света, новых материалов и технологий.

В 1874г. русский учёный-электротехник В.Н. Чиколев предложил способ дробления света, испускаемого мощной вольтовой дугой между угольными электродами. Суть его заключается в транспортировке света по зеркальным трубам – световодам.

Свет от вольтовой дуги с помощью линзы параллельным пучком вводился из одного торца в трубу с зеркальной внутренней поверхностью и передавался по ней. Выход света из трубы к освещаемым поверхностям осуществлялся через патрубки со светопропускающими рассеивателями на концах. Распределение света, транспортируемого по центральной трубе по патрубкам, осуществлялось через систему наклонных зеркальных диафрагм. Эта идея нашла практическое применение в 1877г. при освещении взрывоопасных цехов Охотинского порохового завода близ Петербурга.

Таким образом, на упомянутом пороховом заводе впервые была практически осуществлена канализация света, т.е. его транспортировка по полым зеркальным трубам. Этот способ лежит и в основе волоконной оптики.

2.3.2 Щелевые световоды

Щелевые световоды являются разновидностью труб-световодов. В 60-х годах ХХ века идея В.Н. Чиколева была возрождена советским инженером Г.Б. Баухманом. Он решил усовершенствовать полые зеркальные трубы-световоды за счёт формирования продольных щелей в её стенке (см. рисунок 2.2). Такой световод называют щелевым, а щель – оптической.

Рис 2.2 - Щелевой световод

1 – источник света; 2 – канал световода; 3 – отражающий торец; 4 – зеркально отражающий слой; 5 – оптическая щель; 6 – прозрачное иллюминаторное стекло; 7 – зеркальная оптическая система.

Таким образом щелевой световод – труба различной формы сечения и значительной длины с внутренней зеркальной отражающей поверхностью за исключением зоны оптической щели, которая пропускает и рассеивает транспортируемый свет.

В щелевом световоде распространение света происходит согласно законов геометрической оптики. Лучи, введённого в трубу света, претерпевают определённое число отражений, распространяются вдоль канала пока не попадут в щель, пройдут через неё и рассеются в освещаемом пространстве. Длина световода ограничивается равномерностью распределения яркости света вдоль оптической щели и зависит от потерь, возникающих за счёт поглощения света при многократных отражениях от зеркальной поверхности канала.

Световой поток, истекающий от группы ламп, сосредоточенных в заданной точке, или одной мощной лампы через оптическую систему вводится в торец щелевого световода и, транспортируясь по нему, выходит в окружающее пространство через его оптическую щель. При значительной протяжённости щелевого световода свет может вводиться с обоих его торцов, у которых размещаются источники света.

Световоды могут быть изготовлены с жёсткой, полужёсткой и мягкой оболочками. Последние изготавливаются из двух типов тонкой и прочной плёнок толщиной от 30 до 40 мкм с удельным весом 50 г/м2. Конструктивно такая оболочка световода представляет собой цельный мягкий рукав, выполненный из двух типов плёнок: зеркально отражающей и светопропускающей.

Зеркально отражающая часть световода получается путём напыления тонкого слоя алюминия в вакууме на одну из сторон прозрачной плёнки. Светопропускающая часть (оптическая щель) изготавливается из плёнки с определёнными оптическими характеристиками. Затем эти плёнки соединяются между собой на специальной установке с помощью ультразвуковой или термохимической сварки. Полученный таким образом световод без каркаса натягивается на фланцы вводного и торцевого узлов устройства.

Такой световод длиной 18 метров и диаметром 0,65 сантиметра весит около 2 кг и сравнительно дёшев.

Считается, что полные годовые расходы на комплексные осветительные устройства со щелевыми световодами в 2-2,5 раза ниже, чем для других осветителей, дающих такую же освещённость.

2.3.2.1 Практика применения щелевых световодов

На рисунке 2.3 показано освещение зала станции Московского метрополитена “Серпуховская” щелевыми световодами. Из рисунка видно, что чередующие щелевые световоды подвешены к своду зала по его центру и сочленены с узлами кубической формы. Общая длина осветительного устройства 60 м.

Рисунок 2.3 – Освещение зала станции Московского метрополитена «Серпуховская» щелевыми световодами

Лампы освещения и пуско-регулирующая аппаратура установлены в четырёх из двенадцати кубов. Из рабочих кубов свет направляется по световодам в противоположные стороны. Световоды снабжены пятью оптическими щелями различной ширины для освещения потолка, стен и пола.

1 – концентратор солнечного света; 2 – вводное устройство; 3 – щелевой световод; 4 – зеркальный перераспределитель света; 5 – источники искусственного света

Рисунок 2.4 - Схема использования солнечного света для освещения помещения

Такое решение освещения зала метрополитена “Серпуховская” дало возможность снизить число световых точек в 30 раз по сравнению с обычным освещением, в 3 раза сократить протяжённость электрических сетей и значительно упростить обслуживание осветительной установки.

Трёхэтажный универмаг “Вишняки” в Москве также целиком освещён щелевыми световодами.

Весьма привлекательна идея передачи светового солнечного потока по щелевым световодам по помещениям в светлое время дня. На рисунке 2.4 дана схема использования солнечного света для освещения помещений. Концентратор солнечного света может быть установлен на крышах или стенах зданий. В этом случае освещённость помещений в дневное время будет зависеть от состояния погоды.

В связи с этим довольно заманчива идея создания комбинированного устройства на базе щелевых световодов, которые были бы независимы от погодных условий и могли бы автоматически переключаться от естественного освещения помещений на электрическое и наоборот.

Приведённые примеры дают основание полагать, что развитие устройств на базе щелевых световодов находится только на начальной стадии и впереди нас ожидает множество оригинальных решений. Щелевые световоды

– это весьма перспективное направление в области освещения разнотипных сооружений.

2.3.3 Волоконные световоды

2.3.3.1 Краткие сведения

Идея применения волоконных световодов для передачи света не нова и существует много лет. Создание лазеров инициировало дальнейшее бурное развитие волоконной оптики и вместе с ней волоконных световодов. Попытки передачи оптического излучения в атмосфере, как уже говорилось, оказались затруднёнными из-за её неустойчивости и неоднородного состава. Применение лазерного излучения для передачи информации через атмосферу по тем же причинам оказалось очень неэффективным. Использование лучевых волноводов, использующих различного типа линзы, ограничивалось дороговизной монтажа и прокладки таких типов каналов.

Для передачи добротной информации требовалась хорошая передающая среда. Для оптических систем связи наиболее перспективными оказались волоконные световоды, получившие своё название из-за их нитевидности. Волоконные световоды (рисунок 2.5) состоят из световедущей жилы (сердцевины) из чистого прозрачного стекла, имеющей диаметр от нескольких до десятков микрометров, светоотражающей оболочки диаметром порядка 100 микрометров из стекла с меньшим показателем преломления по сравнению с показателем преломления сердечника и внешней защитной оболочки, обеспечивающей эластичность и прочность.

Рис 2.5 - Строение волоконно-оптического световода

В таких структурах благодаря действию полного внутреннего отражения свет может распространяться на большие расстояния при условии малого затухания, зависящего от качества световода.

Возможность передачи оптического излучения по волоконному световоду в виде одного или многих типов колебаний определяется диаметром сердцевины, разностью показателей преломления сердечника и оболочки, длиной передаваемой световой волны. Соответственно, световоды разделяются на одномодовые и многомодовые.

Выбирая d1 достаточно малым, а ∆n = n1-n2 близким к нулю (n1/n2 достаточно близким к единице), можно добиться работы световода в одномодовом режиме. Однако малый диаметр жилы и малая разность показателей преломления жилы и оболочки затрудняют ввод излучения в световоды и их стыковку, что является недостатком обычных одномодовых световодов.

При относительно большой величине d1 и ∆n равном примерно 1 % световоды являются многомодовыми, в которых может распространяться большое количество различных типов колебаний (МОД).

Созданы и производятся световоды, у которых профиль распределения показателя преломления постепенно уменьшается от центра к периферии. Их называют градиентными световодами или световодами типа “Селфок”, “Градан”. На рисунке 2.6 показано изменение профиля показателя преломления по сечению круглого градиентного световода. Поперечные сечения некоторых типов круглых волоконных световодов и профили показателей их преломления даны на рисунке 2.7.

Рисунок 2.6 - Изменение профиля показателя преломления по сечению кругового градиентного световода

а- общий вид; б- профиль показателя преломления по сечению

Многослойные световоды имеют относительно большое сечение сердцевины, что позволяет облегчить изготовление, стыковку и их возбуждение. Разрабатываются стеклянные световоды на базе бескислородных стекол для инфракрасного диапазона длин волн оптического излучения (2—11 мкм). По предварительным оценкам потери в них должны быть в 10—20 раз ниже, чем в световодах, изготовленных из кварцевых Мыстёколрассмотрели. особенности строения единичных круглых волоконных световодов. В реальных же условиях волоконные световоды могут быть использованы в качестве передающей среды только в виде волоконно-оптических кабелей. Несложный волоконно-оптический кабель представляет собой некоторое число световодов, собранных в жгут и покрытых защитной оболочкой. Под словом жгут обычно понимают группу световодов, составляющих основу волоконно-оптического кабеля, работающих в параллель.

Рис 2.7 - Поперечное сечение некоторых типов круглых волоконных световодов и профили показателей их преломления

а- одномодовый; б- многомодовый с оболочкой; в- с параболическим распределением показателя преломления по сечению.

Конструкция (см. рисунок 2.8) волоконно-оптического кабеля состоит из защитной оболочки 1, волоконных световодов (жгутов) 2 и упрочняющих элементов 3. Разработаны технологии, позволяющие изготавливать волокон- но-оптические кабели с потерями, незначительно превышающими потери в исходных световодах (несколько дБ/км).

Рис 2.8 - Конструкция волоконно-оптического кабеля с центральным (а) и периферийным (б) расположением упрочняющих элементов

1 - защитная оболочка кабеля ; 2 - волоконные световоды ; 3 - упрочняющий элемент.

Передача изображений по световодам возможна только при использовании жгутов. В этом случае (см. рисунок 2.9) световые сигналы с одного торца жгута на противоположный передаются как совокупность элементов изображения, каждый из которых передаётся по своей световедущей жиле. Изо-