Światłowów

Światłowód - przezroczyste włókno (szklane lub wykonane z tworzyw sztucznych), w którym odbywa się propagacja światła.

Aby wyeliminować - lub, przynajmniej, znacząco ograniczyć - wypromieniowanie światła przez boczne powierzchnie światłowodu, stosuje się odpowiednio dobrany poprzeczny gradient współczynnika załamania światła. W najprostszym przypadku, gradient ten realizowany jest skokowo - wewnątrz światłowodu współczynnik załamania ma wartość wyższą, niż na zewnątrz; utrzymanie promieni światła w obrębie takiego światłowodu zachodzi na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia. W przypadku, gdy współczynnik załamania maleje z odległością od osi światłowodu w sposób ciągły, mówimy o światłowodach gradientowych.

Zasada działania

W zrozumieniu zasady działania światłowodu skokowego (a zatem sposobu utrzymania światła w jego wnętrzu), pomocne mogą być przedstawione tu rysunki, na których promienie światła biegną prostoliniowo, odbijając się od ścianek światłowodu. Światłowód gradientowy działa podobnie, lecz promienie - zamiast po odcinkach prostoliniowych, poruszają się po krzywoliniowych trajektoriach, utrzymywanych wewnątrz światłowodu przez ciągły gradient współczynnika załamania.

Takie wyobrażenie działania światłowodu jest jednak uproszczone i naiwne - tym bardziej, im mniejsze rozmiary poprzeczne ma rozważany światłowód. W rzeczywistości, istotną rolę w działaniu światłowodu odgrywa dyfrakcja. Zamiast promieni światła (będących podstawą przybliżonej optyki geometrycznej) należy rozważać światło jako falę. Przybliżenie optyki geometrycznej jest sensowne jedynie dla światłowodów o dużych rozmiarach poprzecznych, traci natomiast sens, gdy rozmiar poprzeczny światłowodu staje się porównywalny z długością fali światła. Zjawiska falowe mają szczególnie duże znaczenie w przypadku światłowodów jednomodowych, w których ściśle dobiera się długość fali transmitowanego światła do kształtu i rozmiarów poprzecznych światłowodu.

Światłowód jest szczególnym przypadkiem falowodu transmitującego fale elektromagnetyczne o częstotliwościach optycznych. W związku z tym, synonimem określenia "światłowód" jest "falowód optyczny".

Falowa i Cząsteczkowa natura światła

W oddziaływaniach z materią światło pokazuje dwoistą naturę:
- falową;
- korpuskularną (cząsteczkową).

Falowa natura światła przejawia się w takich zjawiskach jak:
- dyfrakcja (ugięcie kierunku rozchodzenia się światła) na krawędziach i otworach;
- interferencja (nakładanie się różnych fal o tej samej długości);
- polaryzacja – wyróżnianie kierunku drgań wektora natężenia pola elektrycznego;
- załamanie światła na granicy dwóch ośrodków przezroczystych;
- odbicie światła na granicy dwóch ośrodków optycznych.

Załamanie światła i odbicie światła można wytłumaczyć także przy przyjęciu cząsteczkowej natury światła (tak zrobił Newton).

Istnieją także zjawiska, których nie można wytłumaczyć korzystając z falowej teorii światła.

Te zjawiska to:
- efekt fotoelektryczny;
- emisja światła przez pojedyncze atomy i cząsteczki;
- absorpcja światła przez atomy i cząsteczki;
- zjawisko Comptona (odbicia fotonów promieni Rentgena na elektronach).

Historycznie szczególnie ważne okazało się zjawisko fotoelektryczne. Polega ono na tym, że światło wybija z powierzchni czystych metali elektrony.

Zaobserwowano doświadczalnie właściwości zjawiska:
- istnienie granicznej długości fali świetlnej, przy której zjawisko zachodzi;
- niezależność zjawiska od natężenia światła;
- dla światła o długości wywołującej zjawisko ilość wybitych elektronów zależy od natężenia światła.

Stwierdzone eksperymentalnie cechy zjawiska nie dały się wytłumaczyć za pomocą teorii falowej światła. Wyjaśnienie zjawiska wymagało przyjęcia koncepcji kwantowej natury światła.

Teoria ta zakłada, że światło o określonej częstotliwości przenosi energię w ściśle określonych porcjach. Wartość energii w jednej porcji światła czyli kwant światła równa jest iloczynowi stałej i częstotliwości światła. Stała proporcjonalności nazywana jest stałą Plancka.

Drugi ważny element modelu zjawiska fotoelektrycznego to zasada zachowania energii. Zasada ta w tym przypadku stwierdza, że kwant energii (foton) wywołujący zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne rozdziela się na dwie części:
- stałą dla danego metalu wartość – tzw. praca wyjścia elektronu z powierzchni metalu;
- energię kinetyczną elektronu.

Równanie opisujące zasadę zachowania energii dla zjawiska fotoelektrycznego nazywane jest równaniem Milikena-Einsteina.
Równanie opisujące zasadę zachowania energii dla zjawiska fotoelektrycznego nazywane jest równaniem Milikena-Einsteina.

Proszę kliknąc na obrazki :P








Przykład :

Światło o określonej długości (300 nm) wywołuje efekt fotoelektryczny w metalu o pracy wyjścia W=2,16 eV (rubid). Jaką maksymalną prędkość mogą uzyskać fotoelektrony?
Światło o określonej długości (300nm) wywołuje efekt fotoelektryczny w metalu o pracy wyjścia W=2,16eV (rubid). Jaką maksymalną prędkość mogą uzyskać fotoelektrony?



Maksymalna prędkość fotoelektronów jest ogromna – 840 tysięcy metrów na sekundę czyli 840 kilometrów na sekundę.

Dyfrakcja światła
• Dyfrakcja to zjawisko polegające na zaburzeniu prostoliniowego rozchodzenia się promieni świetlnych.

Dyfrakcji ulega światło tylko na takich przeszkodach (szczelinach), których rozmiary są porównywalne z długością fali świetlnej.

d >> λ – dyfrakcja nie występuje,

d ≈ λ – dyfrakcja zachodzi.

dyfrakcja światła

• Dyfrakcja na dwóch szczelinach

Jeżeli na układ dwóch szczelin pada równoległa wiązka światła, to na szczelinach występuje dyfrakcja, co prowadzi do nakładania się wiązek (interferencji) i w konsekwencji na ekranie obserwuje się układ ciemnych i jasnych prążków, czyli minimów i maksimów interferencyjnych.



Maksima interferencyjne występują w miejscach, dla których spełniony jest warunek:





lub d·sinα = nλ (n = 0, 1, 2...)

Minima występują w miejscach, dla których spełniony jest warunek:





(n = 0, 1, 2...)

• Dyfrakcja na pojedynczej szczelinie

W wyniku dyfrakcji światła na brzegach szczeliny o szerokości d (d ≈ λ) na ekranie otrzymuje się również obraz dyfrakcyjny
z maksimum 0-go rzędu na wprost szczeliny. Położenie minimów (ciemnych prążków) określone jest wzorem:

d·sinα = nλ (n = 0, 1, 2...)

• Siatka dyfrakcyjna to układ równoległych i równo oddalonych od siebie szczelin, przepuszczających światło. Jeżeli na siatkę pada monochromatyczna fala świetlna, to na ekranie, po drugiej stronie siatki, otrzymujemy obraz dyfrakcyjny w postaci jasnych i ciemnych prążków. Prążki uzyskane przy użyciu siatki dyfrakcyjnej są znacznie wyraźniejsze niż prążki uzyskane przy dyfrakcji na dwóch szczelinach. Dzięki temu siatka umożliwia dokładny pomiar długości fali świetlnej.


Jasne prążki (maksima) powstają w miejscach, dla których spełniony jest warunek: Δr = nλ lub w innej postaci:

d·sinα = nλ (n = 0, 1, 2... – rząd widma)

gdzie: d – stała siatki (odległość między dwoma sąsiednimi szczelinami).

Ciemne prążki (minima) powstają w miejscach, dla których spełniony jest warunek:




lub w innej postaci:


(n = 0, 1, 2...)

Jeżeli na siatkę pada światło białe, to jasnymi prążkami stają się pełne widma światła białego (wąskie tęcze).