فیبر نوری و راهنمای نور

فیبر نوری و راهنمای نور نشان می‌دهد که چگونه رشته‌های شیشه‌ای به نازکی تار مو ترافیک اینترنت جهانی را با سرعت نور حمل می‌کنند. یک فیبر نوری سه‌بعدی نیمه‌شفاف هسته داخلی با شاخص بالا (n₁)، روکش خارجی با شاخص پایین‌تر (n₂)، مخروط پذیرش ورودی، و فوتودتکتور خروجی را نمایش می‌دهد. همانطور که دانش‌آموزان نشردهنده لیزر قرمز را می‌کشند یا زاویه پرتاب را تنظیم می‌کنند، یک پرتو لیزر پیوسته و جریانی از پالس‌های فوتون درخشان به چهره هسته شکست می‌یابند و با زاویه تابش θᵢ به دیواره هسته-روکش برخورد می‌کنند. تا زمانی که θᵢ بالاتر از زاویه بحرانی θc = arcsin(n₂/n₁) بماند، 100% نور به طور داخلی در طول موج‌بر منعکس می‌شود؛ کشیدن حلقه خم میانی خیلی محکم، زاویه تابش محلی را به زیر θc می‌آورد و پرتوهای نشت روکش را آشکار می‌کند.

• نشردهنده لیزر قرمز را در چهره ورودی به بالا و پایین بکشید و زاویه پرتاب دقیقی را پیدا کنید که در آن زاویه تابش هسته θᵢ به زیر زاویه بحرانی θc می‌افتد و پرتوهای نشت قرمز را فعال می‌کند.
• حلقه میانی طلایی را به سمت بالا بکشید تا فیبر نوری را خم کنید و ببینید چگونه یک خم محکم باعث می‌شود نوری که قبلاً به دام افتاده بود به بیرون به داخل روکش نشت کند.
• شاخص هسته n₁ را از 1.50 به 1.80 افزایش دهید در حالی که شاخص روکش n₂ را روی 1.38 نگه می‌دارید و تماشا کنید که مخروط پذیرش سبز با رشد روزنه عددی (NA) پهن‌تر می‌شود.
• شاخص روکش n₂ را به n₁ نزدیک‌تر کنید و مشاهده کنید که چگونه زاویه بحرانی θc به 90° نزدیک می‌شود، و نگه داشتن نور به دام افتاده را سخت‌تر می‌کند.
• روی نشردهنده لیزر یا حلقه خم کلیک کنید تا بین حالت‌های بازتاب داخلی کل بدون تلفات و نشت روکش جابه‌جا شوید.

1. 1زاویه بحرانی θc = arcsin(n₂ / n₁) را برای یک فصل مشترک بین یک هسته با شاخص بالا (n₁) و روکش با شاخص پایین (n₂) محاسبه کنید.
2. 2دو شرط فیزیکی مورد نیاز برای بازتاب داخلی کل را بیان کنید: نور باید از ضریب شکست بالاتر به پایین‌تر حرکت کند (n₁ از n₂ بیشتر است) و با θᵢ بیش از θc برخورد کند.
3. 3روزنه عددی NA = √(n₁² − n₂²) یک فیبر نوری را به حداکثر زاویه مخروط پذیرش آن ربط دهید.
4. 4توضیح دهید چرا خم‌های ماکروسکوپی در یک کابل فیبر نوری می‌تواند باعث تضعیف سیگنال (افت خمش) شود.

پرسش‌هایی که معلم‌ها می‌پرسند