воскресенье, 28 февраля 2016 г.

18. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 18

Оптоволокно. 5-ый кусочек про 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
4 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/17-17.html

Из первой части остался неразобранным только один вопросик:
5. Как влияет мощность света?

Мощная вспышка всех пугает


Поглядим, пощупаем, как говорится...

Приступаем к копанию в относящихся к теме материалах и временно отключаем сопротивление мозгов. Потому что на начальной стадии ознакомления с новым вопросом важно не отсекать даже самые мелкие нюансы, а ум невероятно любит цензуру и может легко признать глупостью замороченное ценное уточнение (лишь бы не обдумывать его потом).

Пускай не всё в информации является истинным, зато каждый изгиб чужой мысли может подсказать направление для вашего собственного внимания.

Итак, смотрим на всю информацию глазами первооткрывателя и пытаемся совместить даже несовместимое. Вот такие игры разума без правил сейчас получаются у нас.





Снова обратимся к премудростям фотографов. Мастера ловли мгновений жизни сильно зависят от света и поэтому много над ним экспериментируют.
Для  начала посмотрим на простую картинку, объясняющую так называемый "закон квадратов":


А теперь смотрим на картинку, объясняющую работу фито-лампы (подсветка для растений):

С первого взгляда через каждый метр плотность светового потока уменьшается вдвое,
но это не совсем так

Что мы видим? Красивая пирамидка.
На расстоянии 1м от лампы мощность (уровень излучения) стала вдвое меньше (если сфокусировать луч на площади в 0,31 м2).
А на расстоянии 2м от лампы мощность еще упала в 2 раза (если сфокусироваться на 1,1 м2).

Смотрим внимательно на картинку. Сколько же "µмолей" на 1 квадратный метр поверхности получают растения на удалении от лампы в 1м и 2м.  Это 40 и 10,45 соответственно.
Из-за этих цифр кажется, что поток света ослабевает на расстоянии от лампы, и свет как бы исчезает. Но в действительности это не так. Как говорится - обман зрения. Просто площадь пятна света увеличилась.

Теперь включаем ум и продолжаем рассуждать.
Смотрим на картинку - на расстоянии 1м от лампы мы вроде бы используем весь падающий свет (на площади 0,31 м2), а на расстоянии 2м от лампы в расчет как бы берется уже только часть этого света - только 1 м2 (из пятна в 1,1 м2).

Наше подсознание считывает всё нюансы полностью.

Еще раз внимательно проследим, как с помощью картинки подменяется смысл в подсознании:
На 1 уровне (1м от лампы) площадь измерения меньше 1 м2 (0,31 м2).
Как же измерить плотность света на 1 м2? А поступают просто - измеряют, предположим, мощность света на 1 квадратном сантиметре в этом месте и "растягивают" полученное значение на 1 м2 (экстраполируют).
На втором уровне (2м от лампы) делают то же самое.
Вроде бы логично и правильно. Однако, что-то здесь не так. Вам не кажется?

Будем разбираться в своих сомнениях.

Попробуем "копать" с цифрами в руках и начнем с того, что общее количество света на 1м и на 2м от лампы должно быть одинаковое. Свет ведь не пропадает на этом расстоянии в никуда.

Исходя из указанных на картинке значений и единиц измерения считаем общее количество света (плотность) на двух уровнях "пирамидки":
1 метр от лампы:    40 х 0,31м = 12,4 µмолей в секунду
2 метра от лампы:  10,45 х 1,1м = 11,495 µмолей в секунду

Примерно одинаково. А должно быть совсем одинаково.

"µмоли" - это мощность излучения лампы (плотность потока). Кстати, здесь "закон квадратов" тоже работает - на расстоянии 2 метров мощность упала в 4 раза. Однако, вы обратили внимание, что на рисунке для фито-лампы уже появился угол в 30 градусов? Это важное уточнение.

Даже несмотря на разницу полученных значений общего количества света для 1м и 2м от лампы, мы всё же видим, что общая мощность излученного света примерно одинакова на 1м и на 2м, только при 2м от лампы мощность рассеяна на большей площади.

На этом этапе рассуждений у вас уже должно совсем исчезнуть впечатление, создавшееся от первой картинки для фотографов, что свет стремительно исчезает с увеличением расстояния от лампы. Образ в подсознании восстановлен.

По уточненной нами логике, для более узкого луча света показатели в "законе квадратов" уже не будут работать, ведь световое пятно при узком луче будет меньше на расстоянии 1м и 2м, чем ранее при широком луче. Свет будет меньше рассеиваться по площади.
Посмотрите на такую картинку:


Закон квадратов в зависимости от расстояния не работает?
Вы всё еще не понимаете смысла рассуждений?
Теперь вспомним про страшный школьный тангенс:


У нас в картинке про фито-лампу имеется угол света в 30 градусов. И мы можем сами посчитать расстояние от лампы, на котором мощность света будет падать ровно в два раза.

В нашем распоряжении имеется:

30° - это угол луча света. Но для расчета через треугольник используем половину угла, то есть 15°.

tg 15° = 0,2679491924 (по таблице Брадиса). Школьная программа.

Площадь светового пятна = 0,31 м2 (из картинки для фито-лампы - при таком пятне мощность упала у них в два раза).

Высчитываем радиус пятна света из формулы площади круга: S=πR².
R =  √(S/π)
R =  √(0,31/3,14) = 0,3142 м (это у нас ВС на картинке про тангенс)

Из формулы тангенса (смотрим картинку выше):
0,2679491924 = 0,3142 : АВ
Отсюда:
АВ = 0,3142 : 0,2679491924 = 1,17 м (отличается от заявленного 1м).

Мы получили расстояние (АВ) от лампы, на котором мощность падает ровно в два раза при том, что мы используем свет, выходящий углом в 30° (кстати, угол - это здесь по смыслу апертура, см. - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/11-11.html).

По такой же схеме считаем для второй точки, где мощность света упала еще вдвое.
АВ для новой точки = 2,2 м (от лампы).

В итоге у нас получается, что на расстоянии 1,17 м плотность потока падает в два раза. И в четыре раза на расстоянии 2,2 м.

А вот если мы увеличим угол луча света вдвое до 60°, то получим:
АВ = 0,544м для первого падения мощности (плотности) в 2 раза и
АВ = 1,025м для еще одного падения мощности в 2 раза (всего в 4 раза).

Как видим, угол выхода света из лампы имеет огромное значение.

Промежуточное замечание - если вы помните из предыдущих частей, я настаивал на том, что необходимо очень тщательно следить за образами, которые у вас откладываются в голове в процессе освоения нового материала. Это надо для того, чтобы не потерять связующую нить между образами в вашей памяти.

Подсознание не может само вставлять из памяти вместо дефектного образа нормальный.

В случае ошибки для коррекции неправильного образа надо напрягать ум и усилием Воли переписывать образ в памяти.

Когда думается быстро, подсознание, словно компьютер, оперирует правильными образами и спотыкается на неправильном образе, зависает или проскакивает не в ту область памяти, которую надо сейчас использовать для понимания процессов. От этого человек не может сосредоточиться.

В принципе много думающий человек просто шлифует свой банк образов, выкидывая дефектные и записывая новые.

Внимательное рассмотрение только этих двух картинок выше уже позволяет понять, что полученный от них образ в голове вполне может исказить истинное понимание жизни света. Ведь от их просмотра появляется впечатление, что свет может исчезать в никуда даже от короткого пройденного расстояния, а это не так. На самом деле свет живет не в зависимости от расстояния и не теряет мощности от пройденного пути, как будто устает или обладает свойствами брошенной горсти муки, или будто свет - это пар из утюга. Смешно так думать.

Свет - это частота и может исчезать от самоуничтожения (наложение волн в противофазе) или свет смешивается с другими частотами. Это выглядит как поглощение (еще одна интересная тема).

Теперь, после небольшой прогулки по расчетам, вернемся к образному мышлению.

Мощность света в волоконной оптике.

Представьте себе двигатель, который раскручивает пропеллер или винт. В воздухе трудно увидеть получающуюся спираль, зато можно увидеть под водой.
В коротком ролике от винта под водой виден след скручивания воды. Так же, примерно, как и скрученная вода, выглядит частота (крутящаяся синусоида), несущаяся с огромной скоростью в пространстве. Только синусоида вкручивается в пространство.


С увеличением частоты вращения лопастей винта толщина струи позади движка несомненно увеличится. То есть диаметр следа увеличится.

Так же и с синусоидой света. Если "поддать оборотов", диаметр пружинки синусоиды увеличится, то есть увеличится амплитуда синусоиды.



По смыслу образов, при наложении одной частоты на другую, получается так, что несколько пружинок-синусоид как бы вкладываются друг в друга в виде матрешки и разгоняют общие обороты, а уже от этого увеличивается их общий диаметр.
Теперь про оптоволокно.
Что будет, если мощность (плотность) света увеличивать? Неужели любой напор света удержится в тонкой нитке волокна?

По опыту с электричеством известно, что тонкий провод просто сгорит от большого "напора" электричества (тоже интересная тема для построения правильных образов).
То же самое будет и с оптоволокном - оно сгорит от попытки прогнать через него сверх большой поток энергии.

В этом месте предлагаю остановиться на вопросе упорядоченности отдельных частот в общем потоке света. Есть понятие "когерентность" - согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени. Посмотрим, что это такое.

Как вы думаете, в луче белого света все присутствующие частоты "летят" как попало или в общем каком-то строю? См. картинку ниже:


Мне больше верится в то, что все лучи имеют одно направление в "струе" света.
Причем все частоты имеют вид пружинок-синусоид и вложены одна в другую. Поэтому при направлении двух потоков света навстречу друг другу в стеклянной трубке будет происходить интерференция (складывание частот) и получится примерно такая картинка:


Я это не проверял.Только в теории.

А может белый свет от фонаря напоминает укладку частот в матрешку?
(См.подробнее про укладку частот в матрешку тут - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/16-16.html ).

"Матрешка". Каждая частота-синусоида вложена более высокую частоту-синусоиду
А теперь посмотрим на такой "всплеск" волны:

На схеме прослеживается зависимость цвета от величины гребня "всплеска" (температура). И действительно, цвет связан с температурой (на схеме цвета неправильные).
Представьте, что на схеме показано, как один из витков каждой "пружинки"- синусоиды вложен в другой. Получается как бы поперечный полусрез общей "струи" света (белого цвета). Замечу, что эта схема используется только как формула, а не как образ цветовой температуры.

А теперь для прикола посмотрим на вторую схему ниже - заметьте несоответствие раскраски волн на предыдущей схеме, и такое несоответствие собьет ваш образ по цветовой температуре, если вы его запомните. Видите, как важно иметь правильный образ в голове? Для понимания цветовой температуры запоминать надо нижний вариант расцветки.



После всего сказанного можно поговорить о зависимости мощности света и полосы пропускания.

Мощность света - это плотность потока света. Вполне логично представлять это водяной струей. Тогда можно предположить, что мощность струи света можно наращивать повышением давления в световом потоке. Так же как и повышением давления в трубопроводе можно получать мощную струю воды.

Пожарный катер


Итак, вывод.

Мы подобрали разные понятные образы. И на основе уже достаточно ясного образного представления о свете в волокне, как об упорядоченной, крутящейся "струе" в "трубопроводе", можно сказать, что "повышение давления" (наращивание мощности света) в волокне приведет к изменениям характеристик оптоволокна в лучшую или худшую сторону. Соответственно, это повлияет на полосу пропускания. Во всем нужна мера.

На этом про полосу пропускания заканчиваю.

Не считайте мои размышления истиной. Это всего лишь попытка придать вам способность мыслить образно при помощи конкретных знаний из волоконной оптики.

Продолжение про оптику и волокно, как говорится, в следующих выпусках нашей программы.
 
Можно обнять весь Мир, если уметь мыслить образно. 



Благодарю за внимание.
С уважением, Виктор Мирошкин