вторник, 16 февраля 2016 г.

16. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 16

Продолжаю часть про ширину полосы пропускания.
Предыдущие кусочки этой части:
1 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/14-14.html
2 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/15-15.html

Теперь подоспел следующий вопрос - При чем здесь частота и длина волны?

Имеется в виду связь с шириной полосы пропускания. И не думайте, что мы топчемся на месте. Просто внимательно рассматриваем "слона"со всех сторон.

Длина волны и частота, как мы уже знаем связаны напрямую.

Поищем же теперь зависимость полосы пропускания от длины волны и частоты.
Как было разобрано ранее, полоса пропускания - это диапазон частот, то есть можно сказать, что это и диапазон длин волн тоже.

Переходим на образы.

Предположим, что у нас имеются спортсмены разной комплекции - адепты спорта наперегонки, бегуны и ходоки. Взглянув на них, мы вдруг узнаем, что каждый из "спортсменов" разного роста и толщины, к тому же каждый приспособился к определенной любимой "дорожке". 
А нам, предположим, поставлена задача сделать максимально удобную соревновательную "дорожку" для максимально широкого круга участников забега.

Вот такая же примерно по смыслу задача ставится и для световедущей жилы (как бы "дорожки" в волокне). Чтобы все "спортсмены", то есть волны разной длины прошли свой путь без запинки и с задоринкой, донеся всё, что прихватили с собой без потерь. И чтобы не подрались между собой, и ни при каких условиях ничего не отняли друг у друга.

Универсальная дорожка для лучших показателей всех участников

Не устали от образов? Может перейти на язык формул и определений?



Надо сказать, каждый незнайка пугается строгости официальных определений и формул. А мы посмотрим на механизм восприятия формул и определений незнайками. Например, есть вот такая страшная формулировка:
Зависимость ширины пропускания от длины волны называют спектром пропускания.

Любое не до конца понимаемое определение выглядит сжатым, без расширяющих понимание уточнений. А подсознание стремится декодировать и расширить любое сжатое определение, превращая неживое в нечто образное и живое. Словесная формула как бы разархивируется в уме в нечто понятное на бытовом уровне.

Продвинутый незнайка, вероятно, на слово спектр отреагирует мыслью о чем-то цветном, и нарисует себе в голове, например, цветные ворота, цветные стеклышки, цветные лучи и тому подобное - всё в цвете. А также ему может привидеться "чудесный прибор" фантастической формы, умеющий определять спектр пропускания. Или этот прибор вдруг представится ему в виде знакомого образа ворот с проверкой пропусков у оттенков света и пропусканием сквозь ворота только определенных цветов.
И последнее представление будет правильнее в принципе, хотя и проще по виду. Хороший образ дает более глубокое понимание.

"Спектр пропускания" в уме незнайки

Вернемся из сказочного состояния.
В реальности  у нас имеется стеклянное волокно. И для него есть настоящий график зависимости затухания от длины волны:


График зависимости затухания от длины волны

Из кривой рассеивания на графике логически понятно, что длинная волна легче пробегает свой путь в "стеклянной атмосфере" нашего волокна, чем более короткая волна. Образно говоря, у длинной волны меньше теряется "веса", то есть она как бы меньше потеет при пробеге, меньше затрачивая сил. Можно представить, что у самой длинной волны путь короче, потому что она самая прямая

Если и дальше рассуждать образами, можно подумать о змеях и додуматься до того, что змейка с каждым лишним изгибом тела более медленно ввинчивается в пространство, а более прямолинейная змея, малоизгибающаяся телом, окажется побыстрее. 

Ассоциация змеи с синусоидой - что-то в этом есть!
  

Не зацикливаемся на змеях. Рассуждать надо легко и непринужденно, переводя внимание с одного образа на другой.
Теперь вопрос - а за счет чего "спиральки света" движутся? Неужели луч как бы ввинчивается в пространство за счет своего верчения вокруг оси? На ум приходят штопоры и усилия по их вкручиванию во что-то подходящее:



Каждому штопору надо сделать разное количество оборотов
для ввинчивания на одинаковую глубину ( путь )


Как вам нравится образное мышление? Продолжим задавать неудобные вопросы?

А почему лучи летят в пространстве с огромной скоростью? Что их толкает? Может, они и правда просто вкручиваются в среду? В таком случае, длинна волны или количество витков пружинки штопора, конечно, имеют значение. Но я пока не могу ясно объяснить на образах, почему длинная волна лучше проходит стекло, чем более короткая длина волны. Копаю дальше.

Ищу другие понятные образы из жизни. Теперь представим тонкий луч из мощного фонаря и сравним с лазерным лучом.


Даже глядя на картинку, не проводя собственный опыт, ясно понятно, что лазерный луч легче преодолевает расстояния.

Белый свет фонаря смешанный, с длинами волн от 380 до 700 нм (видимый нами диапазон). Такой свет быстро рассеивается.
В лазерной указке одна длина волны (например, 405 нм, 593 нм, 635 нм), но мощность узкого луча указки в разы выше, чем у такой же толщины части луча фонаря. В фонаре как бы множество указок, но со слабой мощностью.
Этот образ нам ничем не помог, но интересно было попробовать его применить здесь. Может потом пригодится. :)

Идем дальше, и теперь еще один подтверждающий факт о спиралях света.
Заголовок статьи гласит:

"Физики создали микроскопические кремниевые источники закрученного света" (ссылка)

Судя по заметке, лазерный (?) луч рассеивается в линзах так, что получается видимый пучок типа веника. При этом заметно закручивание света в спираль. По крайней мере так это выглядит на фото:

Скручивание света

Хотя ученые мутно намекают про искусственное закручивание движения неких фотонов, мне это видится по другому - луч лазера и так закручен по Природе, а ученые его просто рассеивают с помощью линз.

Кажется, из всего веера образов, выложенных в этой части, вам уже хочется, наконец-то, понять зависимость ширины пропускания от длины волны или частоты.

Выстраиваю свою гипотезу на ваших глазах: 

Вспомним про мой намек на то, что при увеличении частоты отдельного луча диаметр его спирали увеличивается. Еще раз напомню, что спираль - это объемное видение синусоиды.

При увеличении частоты диаметр спирали увеличивается

То есть при увеличении частоты спираль всё больше скручивается и расширяется. Грубо говоря, внешний вид "луча" меняется от почти прямой линии до туго скрученной пружинки.

Если выделять отдельные частоты цветом, мы получим набор вложенных друг в друга трубок или спиралей. Все они вертятся вдоль общей оси и в одну сторону, но с разной скоростью. Причем ближе к поверхности скорость вращения слоев, наверное, возрастает (пока это не продумал окончательно).
Диапазон частот от фиолетового до красного -
"каждый охотник желает знать, где сидит фазан" - белый свет в сумме

Мне эта конструкция на верхнем рисунке напоминает сложный бур. А по сути это графическое представление некоторой ширины полосы пропускания. Объемные синусоиды, пружинки частот от фиолетового до красного цвета нанизаны друг на друга.
На нижней картинке отдельная частота в виде простого бура.

Так выглядит простой бур

Еще предполагаю, что более успешное прохождение своего пути без потерь мощности будет у внутренних "трубок" (у более низких частот с более прямой линией синусоиды). Это еще обусловлено энергетической подпиткой (помощью) и защитой внутренних слоев внешними слоями (с более высокими частотами). Каждый внешний слой служит защитой и помощником для ближайшего внутреннего слоя. Сначала иссякает мощность наружного слоя.

Добавлю, что по собственному опыту все знают, как низкие звуки хорошо слышны за стеной, а высокие глохнут. Длинные волны звука проходят сквозь стену лучше. 

Теперь замечу, что зависимость прохождения света в волокне от частоты (длины волны) никак не объясняет хорошую проницаемость физических объектов очень высокими частотами (диапазон рентгеновского излучения). Это другой клубок, который распутывается не такой прямой логикой, как здесь.

На этом месте, пожалуй, можно остановиться. Зависимость полосы пропускания от частоты и длины волны уже достаточно заметна и образно подтверждается.

Посмотрите еще видео про магнит и металлические опилки. А потом задайтесь вопросом - что действительно двигает опилками? Неужели "магнитное поле"? А я в следующих частях обязательно расскажу о своем видении этих процессов.



Эх, это я еще не обращал внимания на резонанс. А ведь это интересная штучка.
Вспомните также про вихри и ураганы, смерчи и молнии. Об этом можно тоже поговорить.

А пока благодарю за внимание.

С уважением, Виктор Мирошкин.

P.S. - не забывайте ставить отметку о своем впечатлении - мне это важно.