понедельник, 22 февраля 2016 г.

17. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 17

Оптоволокно. Продолжаем рассматривать полосу пропускания и ее ширину.

Предыдущие кусочки этой части:

1 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/14-14.html
2 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/15-15.html
3 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/16-16.html

Мы еще не закончили рассматривать вопросики, заданные самим себе в 1-ом кусочке части про полосу пропускания. Берем следующий из них:

4. Как влияют свойства стекла? То есть можно ли подобрать стекло получше для увеличения ширины пропускания? 

Для начала один волшебный факт:

Теплопроводность кварцевого стекла на один-два порядка меньше теплопроводности кристаллического кварца. У кварцевого стекла при повышении температуры теплопроводность увеличивается, а у кристалла – уменьшается. Прикольно для вещества одного химического состава.

Удельный вес кварцевого стекла (г/см3) - 2,2
Удельный вес горного хрусталя - 2,65

А теперь переходим к нашему вопросу.
Исходя из термина "окно прозрачности" можно представить себе окно в стене, через которое проникает свет. Или можно представить себе более сложный образ - объектив фотоаппарата, в котором применяются стекла с разной степенью прозрачности.



Естественно, что более прозрачное стекло лучше для прохождения света. 
Наверное, вы слышали, что объективы кино- и фото-аппаратуры имеют очень даже разную стоимость из-за разных параметров. И одно из главных качеств объектива - это "светосила". Другими словами, светосила - это способность пропускать больше света на матрицу. Логично, что "прозрачность" очень важна для фотографии и кино - кадры будут четче и яснее. 

А что же влияет на прозрачность?
Есть ли жизнь в стекле и как с ней "договориться"?

Не вдаваясь в сложные формулировки, можно сказать, что свет особенно не любит переходов из одной среды в другую.

При каждом переходе между средами обитания свет хотя бы чуть-чуть, но ломает свою структуру и меняет направление движения, расслаивается. К слову, подозреваю, что любая частота (человек тоже набор частот) также не любит резкой смены обстановки.

Интересно, как с негативными эффектами переходов света из среды в среду борются при производстве объективов - наносят на объективы пленки, "смягчающие" проход света в стекло линзы. Это называют - "просветляющее покрытие".

Просветляющее покрытие уменьшает отражение света от линзы
Заметьте, что просветляющее покрытие многослойное.

В этом месте рекомендую посмотреть ролик про интерференцию. Фильм сделан качественно еще в СССР и поэтому вполне понятен.

Интерференция света - 1977


Если ролик не открывается, вот другая ссылка - https://youtu.be/tzlNh4SMeJk


Не забывайте, что любую информацию надо рассматривать критически.

Из фильма вы должны понять, что волны могут складываться и при этом они будут усиливаться или уменьшаться. Всё зависит от фазы волны или по простому - всё зависит от направления движения, как в жизни, то есть в одном случае кто-то идет с вами по пути и увеличивает возможности, а в другом случае прет вам в лоб и гасит все движения.
И такое понимание нам еще пригодится.

Теперь расшифрую смысл "просветления" линз

Если вы будет искать ясное объяснение механизма просветления линз в книжках и в интернете, то столкнетесь с непониманием этого механизма авторами статей или с неполным объяснением, что тоже плохо. Ниже характерный пример такого объяснения просветления на картинке:

Туманные намеки, а не объяснение
 

А смысл вполне прост - представьте себе густой поток пассажиров в час пик, движущийся к турникетам. А навстречу им от турникетов движется поток забывших купить билетики. В итоге движение к турникетам будет испытывать противодействие.


То же самое и с линзами - отраженный свет от поверхности линз бьет обратно по входящему в линзу свету - частично рассеивает его и гасит.

Чтобы такое явление уменьшить, отраженный от поверхности линзы свет технически гасят (об этом говорят при упоминании интерференции с помощью пленок). Тогда входящий свет не испытывает противодействия и проходит более хорошо в линзу - яркость картинки усиливается.


 
Отраженный свет от поверхностей "А" и отраженный свет от поверхности "Б" взаимогасятся -
это рассмотрено в ролике про интерференцию.
Тем самым входящий "СВЕТ" уже не гасится отраженным светом и проходит в стекло лучше 


Хватит пока про вход света в линзы. Нас интересует движение света в стекле.

Представьте себе путь света в линзе и путь света в волокне. Невероятная разница по длине пути.
Говорят, при прохождении света сквозь непросветленную (без пленки) линзу световой поток ослабляется на 1 % на каждый сантиметр толщины стекла. То есть при 100 см толщины такой же линзы свет практически потеряется полностью. А волокно ведь имеет километры как бы "толщины" стекла.

Пробуем разобраться и включаем образное видение процессов - представим массовый забег из нескольких тысяч участников по широкому шоссе. А также представим забег десятка спортсменов по дорожке стадиона.


Вероятно, никто не будет спорить, что хаосная толпа  тысяч участников заметно труднее преодолеет то же расстояние, что и десятка спортсменов на дорожке стадиона?

Таким образом из приведенного образа бегунов становится понятно, что свет в волокне движется куда более прямолинейно, чем в линзе, где хаос световых лучей очень высок. Из-за хаоса направлений лучей общий свет в линзе теряет силу гораздо быстрее, чем в волокне.

Можно было бы с удовольствием и еще порассуждать о линзах и приемах в фотографии, но в этой части нам важнее свойства стекла, применяемого в волоконной оптике.

Расплавленное стекло

Кстати, стекло - это вполне пластичный материал и при определенном нагреве ведет себя как густая смола, а при остывании держит форму. Еще относительно недавно ученые считали, что стекло никогда не прекращает течь, и нам, думали они, только кажется, что стекло не меняет форму, а на самом деле стекло постоянно стекает вниз, но очень медленно. И поэтому оконные стекла, якобы, с годами становятся толще внизу.
Рассмотрим и этот вопрос. Возможно, что пригодится для понимания.

Жидкости.

По поведению расплавленного стела его можно отнести к жидкостям. И, как вода, стекло "замерзает", становясь "льдом".

Если ролик не открывается, вот другая ссылка - https://youtu.be/ucS58rMK5xc


На видео прозрачный лед.

Кстати, в наше время открываются всякие чудеса. Например про то, что во льду могут жить бактерии и черви.

"Замороженное" стекло - это среда обитания света. Свет будет в ней жить долго, если только не самоуничтожится (вспомним про интерференцию в ролике выше).

Вернемся к текучести стекла. 
По смыслу стекло - это такое же вещество, как и всё остальное в нашем Мире. И как гласит поговорка - нет ничего неизменного в этом Мире. Однако текучесть - это свойство менять форму под воздействием сил, в частности под воздействием силы тяжести. Таким образом, стекло будет течь только тогда, когда внутренние силы, удерживающие вещество стекла в равновесии, будут слабее внешних сил.
То есть стекло должно иметь внутреннюю пластичность, должно быть способно свободно перемещать свое вещество. А это возможно только при отсутствии прочных связей в веществе. То есть застывшее стекло не будет течь, потому что уже не имеет пластичности.



Теперь объясню смысл всего нагромождения материала в этом посте.

Тема здесь про влияние стекла на ширину полосы пропускания. 
Как вы уже догадываетесь, свет может жить в стекле довольно долго и без потерь. Его энергия теряется только при переходе из одной среды в другую. А также потери энергии света могут происходить при встрече с инородными включениями в стекле - при этом произойдет поглощение энергии света инородным веществом (об этом явлении отдельно надо говорить).
То есть все потери света фактически объясняются выходом части лучей наружу из волокна и поглощением энергии света отдельными компонентами стекла. Например, одну часть спектра любит "есть" кварц, другую германий, третью фосфор, еще что-то забирает кислород - это в теории.

А на практике получаются "окна прозрачности" - это те диапазоны частот, которые стекло не заинтересовали. То есть волны одной длины в волокне проходят, а другие нет или почти нет.

Вывод - для наилучшего прохождения наиболее широкого диапазона частот (длин волн) сквозь стекло оптоволокна необходимо искать определенный состав стекла, имея в виду поглощение энергии света веществами, то есть стоит очень хорошо разбираться в самом механизме поглощения света веществами, на уровне образов

А в конце этой части подумайте о том, что свет и стекло не интересны друг другу, поэтому проходят друг сквозь друга без взаимодействия. Мы почему-то думаем, что только свет проходит через стекло, а не наоборот.
Подумайте по другому и вспомните о сказках про прохождение людей сквозь стены, словно стены прозрачны. Может это стены проходят сквозь человека?

На этом полет своей фантазии пока заканчиваю. Продолжение будет.
Благодарю за внимание.
С уважением, Виктор Мирошкин.

P.S. - Говорят, что в Пенсильвании ученые сделали волокно с новой добавкой, которая расширила диапазон полосы пропускания. И цвет света даже стало передавать легче - это говорит о "не размытии" изначальной длины волны. Но пока об этом мало материала. Возможно, что это не утка.


Дополнитедьно:


Египетский морок (видео)
http://vimstory.blogspot.ru/2016/12/blog-post_24.html

Египетский морок-2
http://vimstory.blogspot.ru/2016/12/2.html

Уже только ленивый не знает, что потоп был недавно
http://vimstory.blogspot.ru/2017/04/blog-post_9.html

Сравнение церквей России с храмами Индии. Много общего. (+ книга)
http://vimstory.blogspot.ru/2017/04/blog-post_7.html

 ---