Din punctul de vedere al opticii, pentru a obtine informatii despre un obiect trebuie indeplinite cel putin trei conditii si anume: (a) obiectul sa fie luminos, adica sa emita lumina direct sau indirect, (b) lumina care provine de la obiect sa fie transmisa catre locul unde se face detectia fara pierderi prea mari si (c) cantitatea de lumina care ajunge la locul de detectie sa fie suficient de mare. Observam ca mediul prin care se transmite informatia optica este de importanta esentiala pentru ca semnalul optic transmis sa nu fie "mutilat" sau distorsionat.
Chiar si in cazurile cand ne intereseaza doar simpla observare a obiectelor, dispozitivele si aparatele optice clasice sau devin prea complicate sau nu pot rezolva o anumita problema de rezolvare. Sa luam doar un singur exemplu: cei care lucreaza in domeniul medical sunt interesati sa dispuna de metode rapide si sigure de explorare a anumitor parti interne sau organe interne ale organismului uman. Metodele clasice, bazate pe folosirea lampilor cu incandescenta, nu numai ca sunt greoaie si implica iluminari mici, dar prezinta si riscuri datorita folosirii conexiunilor electrice. Toate aceste dificultati sunt eliminate daca iluminarea se face din afara prin intermediul unei fibre optice subtiri.
Insa fibrele optice sunt deja folosite pe scara larga in tehnica comunicatiilor sau de transmitere a imaginilor. Aceasta posibilitate este faciliata de natura electromagnetica a luminii, frecventa undelor luminoase fiind mult mai mare decat cea a undelor radio. Antr-un context mai general fibrele optice reprezinta un domeniu al opticii integrate, iar progresele care vor fi obtinute in cadrul opticii integrate vor depinde foarte mult de progresele ce se vor realiza in domeniul fibrelor optice.
Ca domeniu al opticii, care a aparut exclusiv din necesitati practice dintre cele mai diverse, fibrele optice au cunoscut o dezvoltare rapida dupa anul 1950 ca rezultat al obtinerii primelor fibre optice cu performante ridicate. Principiul de functionare al fibrelor optice este asemanator, din multe puncte de vedere, cu principiul de transmitere a luminii printr-o bagheta de sticla transparenta. Teoretic, lumina poate fi transmisa printr-o astfel de bacheta de sticla optica, daca indicele de refractie al sticlei este mai mare decat indicele de refractiei al aerului. Din punct de vedere practic insa, neomogenitatile de compozitie si de prelucrare, precum si impuritatile de pe suprafata materialului implica piederi foarte mari de lumina de-a lungul parcursului luminii. Pe de alta parte, natura electromagnetica a radiatiei luminoase arata ca pot aparea pierderi de lumina si fenomene parazite care limiteaza drastic posibilitatile de folosire practica a fibrelor optice.
Indiferent de domeniile in care se folosesc, fibrele optice sunt ghiduri de lumina folosite pentru transmiterea informatiilor cu piederi mici de energie dintr-un loc in alt loc. Vom analiza transmiterea radiatiei luminoase prin fibrele optice din punctul de vedere al opticii geometrice si din punctul de vedere al opticii ondulatorii.
FIBRA OPTICA SIMPLA
Prin fibra optica simpla intelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, cu sectiunea transversala circular simetrica si indicele de refractie constant sau radial variabil, separat de un alt material cu indicele de refractie constant si mai mic, pentru ca la suprafata de separare sa se produca reflexia totala a radiatiei luminoase, fara pierderi. Dupa mudul de variatie radiala a indicelui de refractie al materialului transparent, denumit miezul fibrei optice, distingem mai multe tipuri de fibre optice reprezentate in figura 8.1. Invelisul fibrei optice are si rolul de aproteja de impuritati suprafata de separare dintre miez si invelis, la care se produce fenomenul de reflexie totala. Tehnologia de obtinere a fibrelor optice este prezentata de Tader si Spulber (1985).
CONSIDERATII DE OPTICA GEOMETRICA
Propagarea radiatiei luminoase prin fibra optica poate fi analizata din punctul de vedere al opticii geometrice atunci cand diametrul miezului fibrei optice este mare comparativ cu lungimea de unda a radiatiei luminoase (efectele de difractie se neglijeaza). Daca diametrul miezului fibrei optice este de acelasi ordin de marime cu lungimea de unda a radiatiei luminoase, analiza trebuie facuta in cadrul opticii ondulatorii. In aceasta sectiune vom considera ca sunt implinite conditiile de aplicabilitate a opticii geometrice.
In limbajul opticii geometrice, radiatia luminoasa incidenta la limita de separare dintre miezul fibrei (cu indicele de refractie n1 ) si invelisul protector (cu indicele de refractie n2, n1 > n2) va fi reflectata total si deci se va propaga fara pierderi de-a lungul fibrei optice, daca unghiul de incidenta θ este mai mare sau egal cu unghiul limita l (0>l), unde unghiul limita este dat de relatia
sin l=n2/n1=1/n21 (8.1)
Fie o fibra optica cilindrica cu sectiunea transversala, circulara de raza R0 si cu indicele de refractie n1=constant, inconjurata de un mediu protector cu indicele de refractie n2=constant si fie SI o raza de lumina, care intersecteaza axa de simetrie a fibrei, incidenta pe suprafata plana a fibrei optice, perpendiculara pe axa de simetrie, sub unghiul de incidenta i, asa cum se arata in figura 8.2. Dupa ce sufera refractia la suprafata plana sub unghiul de refractie r, dat de relatia
r=arc sin (n0/n1 sin i), (8.2)
unde n0 este indicele de refractie al mediului din care lumina patrunde in fibra, raza de lumina ajunge la suprafata de separare dintre miezul fibrei si mediul protector sub unghiul de incidenta θ dat de relatia
θ=π/2-r. (8.3)
Conform relatiilor (8.1)- (8.3), conditia de reflexie totala in punctul I' este data de relatia
sin θ=cos r=(1-sin²r)¬¬½=(1-n²0 /n²1 sin²i)½>n2/n1, (8.4a)
sau
(n1¬¬²-n2²)½≡sin imax>sin i. (8.4b)
Aceasta inseamna ca orice raza de lumina, incidenta pe suprafata plana a fibrei optice sub unghiul de incidenta i mai mic decat unghiul imax, dat de relatia (8.4b), va fi trapata in fibra optica (raza trapata). Unghiul de refractie maxim pentru o raza trapata este dat de relatia
sin rmax= n0 sin imax= (1- n2²)½ . (8.4c)
n1 n1²
Apertura numerica (A.N.) a fibrei optice este
A.N.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½ .
Fig 8.3. Distanta de la axa de simetrie la drumurile succesive parcurse de raza in interiorul fibrei optice este o marime constanta, notata cu dc . De asemenea si unghiul de incidenta θ din interiorul fibrei ramane constant, fiind dat de relatia
cos θ= sin r cosγ= n0 sin i cos γ
n1
unde sin γ= dc/R0. In functie de unghiul de incidenta la intrare,i, conditia de trapare a razei de lumina se scrie n0 sin i< A.N. sec γ. Razele incidente care nu intersecteaza axa de simetrie a fibrei optice determina o apertura numerica virtuala (A.N.V.) care se poate calcula folosind relatia
A.N.V.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½ sec γ .
Intrucat nu toate razele de acest fel sunt trapate de fibra optica, chiar daca se indeplineste conditia i < imax, apertura numerica efectiva (A.N.E.) se calculeaza cu ajutorul relatiei
(A.N.E.)²= n0²- 2 {[(n0²-n1¬¬²+n2²)]½+[n0²-2(n1²-n2²)]arccos[(n1²-n2²)½/n0]} ,
