TÁVKÖZLÉSI ISMERETEK FÉNYVEZETŐS GYAKORLAT Szakirodalomból szerkesztette: Varga József 1
2. A FÉNY A külvilágról elsősorban úgy veszünk tudomást, hogy látjuk a környező tárgyakat, azok mozgását, a természet sok folyamatát. Szemünk a tárgyakról érkező fény hatására tájékoztat a világban lefolyó jelenségekről. A fény szemünkben idegingert, a fényképező lemezen, filmen kémiai reakciót vált ki. Azok a testek, amelyeket hosszasan megvilágítunk, felmelegednek. Fényforrásaink működéséhez melegítenünk, elektromos árammal izzítanunk kell a fényt kibocsátó testet, vagy más módon kell energiát közölnünk vele. A fényforrás a fény kibocsátása közben energiát veszít. A fénysugárzás az energiaközlés egyik módja, fénysugárzással energia terjed tova. A fény emberi szemmel érzékelhető elektromágneses sugárzás. Tágabb értelemben beleérthető az ennél nagyobb (infravörös) és kisebb hullámhosszú (ultraibolya) sugárzás is. A fény tulajdonságait meghatározó három fő szempont: intenzitás vagy amplitúdó, amelyet az ember fényerőként, fényességként érzékel, frekvencia (és ezzel összefüggésben a hullámhossz), amelyet az ember színként érzékel, polarizáció, azaz az elektromágneses rezgés iránya, ezt az átlagember normál körülmények között nem érzékeli, de például bizonyos rovarok igen. 2
A hullám-részecske kettősség alapján a fény hullám - és részecske tulajdonságokkal is jellemezhető. A részecskéket a kvantummechanika a fény kvantumainak, fotonoknak nevezi. A fotonok olyan részecskék, amelyek nyugalmi tömege zérus, üres térben pedig fénysebességgel mozognak. A fizikában fotonnak nevezzük a kvantált elektromágneses mező gerjesztésének kvantumát (legkisebb egységét).a modern fizika területén a foton az elektromágneses jelenségekért felelős elemi részecske. Az elektromágneses kölcsönhatás közvetítője és a fény és a többi elektromágneses hullám minden formájáért ez a részecske felelős. A fotonnak nulla az invariáns (nyugalmi) tömege és a c sebessége állandó, az üres térbeli fénysebesség. Anyag jelenlétében viszont lelassulhat, vagy el is nyelődhet a frekvenciájával arányos energiát és lendületet közvetítve. Mint minden kvantum, a fotonnak is vannak hullám- és részecsketulajdonságai; teljesül rá a hullám-részecske kettősség. 3
A fény sebessége vákumban v=300 000 km/s A fehér fény prizma segítségével összetevőire bontható, színképe (spektruma) kiszélesedik, színszóródás (diszperzió) jön létre. A spektrum színeiből a fehér fény visszaállítható. A fehér fény összetett fény, színképében igen sok szín és színárnyalat van, ezek közül hat főszínt különböztetünk meg. A színkép színei tovább nem bonthatók, homogén színek. Főszínek: vörös (760nm), narancs (656nm), sárga (590nm), zöld (527nm), kék (430nm), ibolya (397nm) 4
2.1 Fényvisszaverődés Ha a fénysugár valamely test felületére esik, akkor a felületről a fényenergia egy része visszaverődik, másik része elnyelődik. A fénysugarak sima, csiszolt felületről (tükörről) egyetlen meghatározott irányban verődnek vissza, ez a tükrös visszaverődés. A tükrös fényvisszaverődés törvényei: 1. A beeső fénysugár, a visszavert fénysugár és a beesési merőleges egy síkban van. 2. A visszaverődési szög egyenlő a beesési szöggel (α2=α1). A két törvényből következik: a. a merőlegesen beeső fénysugár önmagában verődik vissza (α1=α2=0 ). b. a párhuzamosan beeső fénysugarak párhuzamosan verődnek vissza. c. a fénysugár útja megfordítható. Érdes felületen a fény minden irányban szétszóródik, ez a szétszórt (diffúz) visszaverődés. Ebben az estben a beesési merőleges iránya minden pontban más és más, ezért az ilyen felület a párhuzamos fénysugarakat nem párhuzamosan hanem minden irányban szétszórva veri vissza. 5
Beesési merőleges beeső fénysugár visszavert fénysugár 1. közeg (ritkább); medium1 2. közeg (sűrűbb) ; medium2 6
2.2 Fénytörés beeső fénysugár beesési merőleges 1. visszavert fénysugár 2. megtört fénysugár (β=90 ) 3. megtört fénysugár 7
A megtört fénysugárnak a beesési merőlegestől mért szöge a törési szög, függ a beesési szögtől, azaz nagyobb beesési szöghöz nagyobb törési szög tartozik. A fénytörés törvényei: 1. A beeső fénysugár, beesési merőleges és a megtört fénysugár egy síkban vannak. 2. A merőlegesen beeső fénysugár terjedési iránya nem változik. 3. Meghatározott közegek esetén a beesési szög(α) sinuszának és a törési szög (β) sinusának hányadosa állandó. sinα/sinβ= állandó; Az n2,1 arányossági tényező a két átlátszó közeg anyagi minőségére jellemző állandó, a második közegnek az elsőre vonatkoztatott törésmutatója. sinα/sinβ=n2,1 A törésmutató megmutatja, hogy a fény sebessége az adott közegben hányad része a fény vákumban mért sebességének. Optikailag sűrűbb közegnek nevezzük azt a közeget, amelynek abszolút törésmutatója nagyobb. Törésmutatók: levegő:1; üveg:3/2;víz: 4/3; gyémánt:5/2. 8
A közeg törésmutatója változik a hullámhossz függvényében. Egyetlen hullámhosszú és konstans amplitudójú fényhullám információt nem tud hordozni. Információ átvitelére csak modulált fény képes, az optikai távközlésben erre fényimpulzusokat alkalmazunk. Ezek rövid hullámcsoportok, amelyek különbözö hullámhosszú fényből állnak. A hullámcsoportok sebességét csoport sebességnek nevezzük. Az alábbi táblázat a törésmutató és a csoport törésmutató hullámhossz függőségét mutatja 100%-ig tiszta üveg esetén. 9
Példa Fénysebesség vákumban : 300 000 km/s Üveg törésmutatója:3/2 Fény sebessége üvegben: 200 000 km/s Víz törésmutatója: 4/3 Fény sebessége vízben : 225 000 km/s Gyémánt törésmutatója: 5/2 Fény sebessége gyémántban: 120 000 km/s Mértékegységek 10
Teljes fényvisszaverődés átlátszó műanyagban (Polimetál metakrilát, PMMA) 11
Teljes fényvisszaverődés 12
Core:mag; Cladding:héj (köpeny) A héj üveg-anyagának törésmutatója valamivel kisebb a mag anyagának törésmutatójánál. Numerikus apertúra (NA): az a legnagyobb θ szög, amelyen belül érkező fény még végighalad a fényvezető szál magjában. NA=sinθ; Értéke:0,2-0,5 Pl. n1=1.48; n2=1.46; =0.02; θ 14 A többmódusú fényvezető szál egy dielektromos hullámvezető, amelyben többféle terjedési módus létezhet. Módusok: 1. periodikus tér-eloszlások, amelyek felhasználhatók bármilyen megengedett téreloszlás felépítésére az optikai szálban. Módusok száma a szálban. Kb. 4000. A fény terjedése többmódusú, lépcsős törésmutatójú (indexű) fényvezető szálban 13
Módusok: 2. A fényvezető szálban a lehetséges un. fény utak száma. Módosok: 3. Azonos hullámhosszú és azonos sebességű fotonok csoportja. Pl. n1=1.46; n2=1.45; =0.010; θ 11,9 A fény terjedése többmódusú, folyamatosan változó törésmutatójú (gradiens indexű) fényvezető szálban 14
Pl. n1=1.46; n2=1.4597; =0.003; θ 6,5 Levágási hullámhossz: az a hullámhossz, amelynél kisebb hullámhossz esetén az egymódusú szál többmódusúként működik (λc). A fény terjedése egymódusú fényvezető szálban 15
Fényvezető száltípusok 16
A fényimpulzus változása a fényvezető szálban történő terjedése során 17
A fényvezető szál csillapítása a hullámhossz függvényében (1) 18
A fényvezető szál csillapítása a hullámhossz függvényében (2) 19
Raleygh szórás Fresnel visszaverődés 20
1. ablak, λ=850nm (820-880nm); 2. ablak (O sáv), λ=1310nm (1260-1360nm); E sáv (1360-1460nm); S sáv (1460-1530nm); 3. ablak (C sáv), (1530-1565nm); L sáv 1565-1625nm); U sáv (1625-1675nm) 21
Diszperzió: a fényvezető szálban terjedő fényimpulzus kiszélesedése (torzulása) bizonyos távolság megtétele után. A diszperzió lépcsős törésmutatójú szálban (1) 22
A diszperzió lépcsős törésmutatójú szálban (2) 23
A diszperzió fajtái Módus diszperzió: többmódusú fényvezető szálaknál Anyagi (kromatikus) diszperzió : a fényforrások nem egy hullámhosszon sugároznak, ezért a fényimpulzus kiszélesedik. Polarizáció módus diszperzió: csak egymódusú szálaknál jelentkezik. A fényvezető szál hajlítása, makrohajlítása ill. a fényvezető szál köralak hibája okozza: a fény elektromos és mágneses összetevőjének sebessége eltérő lesz 24
Fényvezető szálak diszperzió szerinti típusai 25