Николай Глухов - Беседы о физике и технике

НЕЛЬЗЯ НЕ ОБРАТИТЬ ВНИМАНИЕ НА ОЧЕНЬ ИНТЕНСИВНОЕ РАЗВИТИЕ ЭТОЙ ОБЛАСТИ НАУКИ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ.

Первая радиостанция, созданная А. С. Поповым, связала Кронштадт с островом Гогланд в 1900 г. И с тех пор каждое десятилетие порождало новую ветвь на могучем древе науки.

Десятые годы нашего века — радио учиться говорить. Двадцатые — дальние передачи, освоение ультракоротких радиоволн. Тридцатые — освоение телевидения. Сороковые — использование радиоволн в радиолокации. Пятидесятые — широкое внедрение радиоволн в промышленность, быт, сельское хозяйство. Шестидесятые — освоение квантовых генераторов.

Что принесут ближайшие десятилетия? Судить об этом не так-то просто, но можно с уверенностью сказать: электромагнитные процессы будут активными участниками в реализации творческой мысли человека.

Пытались ли вы быстро связаться по телефону с нужным вам человеком в другом городе? Проявив терпение и выдержку, вы, безусловно, своего добьетесь и разговор состоится, но сплошь и рядом быстро сделать это вам вряд ли удастся.

Перегрузка существующих электрических линий связи ограничивает как количество одновременных разговоров, так и их качество. А если вы хотели бы не только поговорить, но и увидеть близкого вам человека?

РАЗГОВОР ПОЙДЕТ О СПОСОБАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ?

Передача информации и широкий обмен ею — одно из непременных условий жизни и деятельности современного человеческого общества.

Еще в XVIII в. для передачи сообщений использовали оптический телеграф, основанный на применении зеркал. Затем появились телеграф, телефон, радио, телевидение, сделав возможной связь, т. е. передачу информации, на любых расстояниях.

Не потеряли своего значения и даже, наоборот, получили развитие оптические каналы передачи информации, использующие направляющие системы: линзовые, зеркальные, диэлектрические.

В оптическом диапазоне в отличие от радиодиапазона: а) можно реализовать на одной несущей волне множество каналов связи; б) весьма затруднен перехват информации, передаваемой лучом; в) заметно уменьшается потребление энергии на питание приемопередающих устройств, уменьшаются их вес и габариты; г) увеличивается точность (например, для локационных измерений при дальности в 20 км точность составляет до 10 -8).

Говоря о передаче информации в оптическом диапазоне, следует иметь в виду, что наличие модуляторов и приемников излучения является непременным условием осуществления не только этого, но и любого канала передачи информации.

С изобретением лазеров — оптических квантовых генераторов — появилась новая возможность передачи практически неограниченных потоков информации. Однако уже первые опыты выявили, что поглощение оптического излучения в атмосфере из-за ее неоднородности, турбулентности и других особенностей, интенсивных осадков существенно ограничивает расстояние, на которое можно передавать информацию с помощью таких открытых систем. Мысль ученых обратилась к возможности создания так называемых закрытых оптических каналов связи — волноводов.

ЧТО ТАКОЕ СВЕТОВОД?

Для передачи оптических изображений применяют волноводы, выполненные в виде тонкой жилы или пучка волокон. Сначала это были волокна из стекла, а затем и из других прозрачных материалов.

Такие оптические волноводы получили название световодов . В 50-х годах нашего века родился новый раздел физики — волоконная оптика , получивший довольно широкое развитие в ряде областей науки и техники (медицина, машиностроение, связь и др.). Еще большие перспективы имеет в своем развитии волоконная оптика в ближайшем будущем.

При передаче информации по световоду задача заключается в том, чтобы удержать свет внутри диэлектрика и передать его на большие расстояния без существенных потерь.

ДАВАЙТЕ ВСПОМНИМ ЗАКОНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В ДИЭЛЕКТРИКАХ.

Особенности распространения света внутри диэлектрика могут быть продемонстрированы даже в школьных условиях на опыте, схема которого представлена на рис. 37.

Рис. 37. Луч света, направляемый через сосуд и попавший в струю воды, распространяется внутри струи, многократно испытывая полное отражение от ее поверхности

В этом опыте свет, испытывая полное отражение, распространяется внутри изогнутой струи воды. Напомним, что если луч света падает на границу двух прозрачных сред различной плотности, то он может испытывать преломление и отражение на этой границе (рис. 38, а ). Если же угол падения луча равен или превышает некоторый угол, названный предельным , свет не выходит за пределы первой среды. Он либо распространяется внутри второй среды вдоль поверхности раздела сред (α пад= α пр), либо целиком отражается (рис. 38, б ) от нее (α пад > α пр). Это явление известно нам как явление полного отражения света. Для стекла (крон), например, α пр~= 42°, для воды α пр~= 48°,5.

Рис. 38. Отражение и преломление света на границе двух прозрачных сред

РАЗВЕ СТЕКЛО — НЕ ИДЕАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВЕТОВОДА?

При использовании первых стеклянных световодов возникали серьезные трудности, связанные с недостаточной прозрачностью стекла.

Действительно, стоит посмотреть в торец обычного оконного стекла, чтобы убедиться в его непрозрачности, обусловленной примесями малых количеств железа и меди в стекле.

В состав даже самых чистых стекол, изготовляемых для астрономических и фотографических объектов, всегда входят заметные количества окрашиваемых примесей.

ИТАК, СВЕТ ПОПАЛ В ВОЛНОВОД…

Излучение, распространяющееся по волноводу, удобно представлять в виде совокупности парциальных волн, называемых модами .

Каждая мода удовлетворяет уравнениям электродинамики, полученным Максвеллом, и некоторым граничным условиям, связанным с геометрией и оптическими характеристиками волновода.

В волноводе полное число мод

N= 2π S/ λ 2

где S — площадь поперечного сечения волновода, а λ — длина волны излучения.

Как следует из приведенного соотношения, с уменьшением λ число мод быстро возрастает, а для уменьшения этого числа можно воспользоваться двумя путями. Во-первых, создать такие условия, чтобы значительная часть мод быстро затухала с расстоянием. Во-вторых, использовать волноводы с малой площадью поперечного сечения S. Такие одномодовые волноводы в оптическом диапазоне должны иметь диаметр порядка микрометров. Второй путь представляется наиболее привлекательным, так как практика как раз требует использования волноводов с малым поперечным сечением.