WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 29 |

Перемещение фронта светового пучка в световодах осуществляется за счет отражения световых лучей от зеркальных поверхностей или же от границы двух сред. Вспомним экспериментальные законы отражения и преломления света из геометрической оптики.

2.2 Законы отражения и преломления света 2.2.1 Законы отражения Первый закон отражения гласит: “Луч падающий, перпендикуляр к границе двух сред в точке падения и луч отраженный лежат в одной плоскости”. Иными словами говоря, смысл этого закона в том, чтобы третья из перечисленных прямых попала в плоскость, положение которой определяют первые две.

“Угол падения равен углу отражения”, - такова формулировка второго закона отражения. Исходя из содержания этого закона можно заключить, что изменяя произвольно угол падения получаем такое же изменение угла отражения.

Различают два вида отражения светового пучка от поверхности, на которую он падает – диффузное и зеркальное.

Зеркальное отражение происходит тогда, когда неровности поверхности тела и неоднородности его внутреннего строения не превосходят длину световой волны. В ином случае отражение – диффузное. При зеркальном отражении падающий на поверхность параллельный пучок лучей света, подчиняясь законам отражения, отходит от нее так же параллельным пучком.

При диффузном отражении падающий на поверхность параллельный пучок лучей света рассеивается. Количество световой энергии у отраженного пучка меньше, чем у падающего. Это связано с тем, что не вся световая энергия пучка, падающего на поверхность (границу раздела двух сред), отражается от нее. В процессе отражения часть световой энергии проникает через границу раздела во вторую среду, перемещаясь в ней и частично поглощается.

Количественно энергия отраженного пучка зависит от оптических свойств граничащих сред и угла падения пучка. Так, например, при падении света на границу сред “воздух - стекло” с углом равным 0о доля отраженной энергии составляет 4,7 %, а прошедшей энергии 95,3 %, а с углом равным 89о эти доли соответственно равны 91 % и 9 %.

2.2.2 Законы преломления Установлено, что на границе двух сред (например, “воздух - стекло”) кроме отражения света происходит и его преломление. Суть преломления светового луча состоит в том, что он частично переходит из одной среды во вторую изменяя свое первоначальное направление. Вспомним законы преломления.

Первый закон: “Луч падающий, перпендикуляр к границе двух сред в точке падения и преломленный луч лежат в одной плоскости”.

Этот закон аналогичен первому закону отражения. По этому закону третий (преломленный) луч должен лежать в плоскости падения, положение которой определяется падающим лучом и перпендикуляром к границе двух сред в точке падения.

Второй закон преломления: “Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данной пары сред”.

Показатель преломления – величина постоянная. Он не зависит от угла падения и определяется оптическими свойствами граничащих сред. Иначе говоря, этот показатель не изменяется при произвольном изменении угла падения и соответственном изменении угла преломления. Если угол падения светового луча на раздел сред 1 и 2 равен, а угол преломления во второй среде (см. рисунок 2.1.а), то показатель преломления второй среды относительно первой математически запишется (закон преломления Снелля):

sin n2 отн = = n21, sin nПоказатели преломления первой среды относительно второй и второй среды относительно первой – обратные величины. Абсолютный показатель преломления n показывает во сколько раз скорость света в вакууме с больше, чем в рассматриваемой среде v c n =, v Показатель преломления воздуха относительно вакуума n= 1,0003. Поэтому на практике часто используют показатель преломления относительно воздуха. Среду с большим показателем преломления называют оптически более плотной, а с меньшим – оптически менее плотной или если угол падения меньше угла преломления, то вторая среда называется оптически менее плотной и наоборот.

2.2.3 Полное внутреннее отражение Вам известно (ранее в некоторой мере мы затронули этот вопрос), что при падении света на границу раздела двух сред часть его энергии отражается, а другая часть проникает через границу раздела во вторую среду. При рассмотрении примера перехода света из оптически менее плотной среды (воздуха) в среду оптически более плотную (стекло) было показано, что доля отраженной энергии зависит от угла падения: доля отраженной энергии сильно возрастает с увеличением угла падения. Оказалось, что даже при углах падения, близких к 900 (например,890), когда световой луч практически скользит по поверхности раздела сред, все же часть световой энергии переходит с менее оптически плотной в более оптически плотную среду.

Интересное явление возникает когда луч света переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную. Опыт показывает, что в этом случае угол преломления больше, чем угол падения и преломленный луч с увеличением угла падения больше отклоняется от нормали к границе сред в точке его падения.

Рассмотрим случай, когда падающий световой луч переходит из среды оптически более плотной (например, стекло) с показателем преломления n1 в среду менее плотную (воздух) с n2 (рисунок 2.1). При угле падения световой луч I частично отражается от поверхности раздела сред (луч II) и, частично переломившись, (луч III) переходит в менее плотную среду (рисунок 2.1(а)) Последующее увеличение (рисунок 2.1(б)) угла падения луча I до некоторого значения к приводит к тому, что угол преломления окажется ра вным и луч III будет скользить по границе раздела сред. При дальнейшем незначительном увеличении угла падения луча I (рисунок 2.1(в)) преломленный луч III полностью исчезнет и весь падающий луч I отразится (луч II).

Это явление называется полным внутренним отражением. Наименьший угол, при котором наступает полное внутреннее отражение, называется предельным (критическим) углом (к), которому соответствует угол преломления =.

Рис 2.1 - Схема к объяснению полного внутреннего отражения света и предельного (критического) угла Для рассматриваемого случая угол падения, угол преломления и доля отраженной световой энергии с границы раздела соответственно принимают следующие значения (n1 стекла равна 1,555):

0о, 0о, 4,7 %; 30о, 51о, 6,8 % ; 39о, 79о, 36 % ; 40о, 90о, 100 % ; 60о, -, 100 % ;

80о, -, 100 % Откуда видно, что для стекла(n1=1,555), предельный угол к 40о.

Исходя из соотношения:

Sink n=, Sin nи условия, что предельному углу падения соответствует угол преломления Sink n2 n = можно записать: = или Sink =, 2 Sin n1 nТаким образом, зная значения абсолютных показателей оптически более плотной среды n1 и оптически менее плотной среды n2 для заданного сочетания сред, по этой зависимости можно вычислить предельный угол полного внутреннего отражения к.

В основе транспортировки светового луча по световоду лежит явление его полного внутреннего отражения от границы раздела с более оптически плотной к менее оптически плотной среде.

2.3 Световоды Световоды позволяют производить направленную передачу световой энергии, исходящей от тепловых, люминесцентных и когерентных источников света. Естественные светила, лампы накаливания, ртутные и люминесцентные лампы испускают некогерентные световые потоки. Источниками когерентного света являются лазеры. В основном друг от друга они отличаются шириной спектра: широким непрерывным спектром обладают тепловые, достаточно узким – люминесцентные источники, практически монохроматический свет дают лазеры.

Из ряда конструкций рассмотрим трубчатые, щелевые и волоконные световоды.

2.3.1 Трубчатые световоды Множество разнотипных электрических ламп, соединённых между собой разветвлёнными электрическими сетями, освещают промышленные и бытовые помещения.

Так, например, в средних машиностроительных заводах для освещения используется до 15 тысяч светильников. Эксплуатация их сопряжена с такими видами работ, как замена отработавших свой срок ламп, их регулярная чистка, уход за сетями. Если учесть, что в промышленных корпусах светильники располагаются на большой высоте над работающим оборудованием, то упомянутые работы осложняются тем, что они должны проводиться в труднодоступных местах. Сказанное затрудняет и удорожает эксплуатацию средств освещения различных помещений.

Освещение пожаро- и взрывоопасных помещений обычными лампами накаливания возможно при использовании соответствующей арматуры и узлов управления, что несомненно приводит к удорожанию их производства и увеличению эксплуатационных расходов.

В силу сказанного постановка вопроса об упрощении и удешевлении обслуживания систем освещения производственных помещений, сокращения протяжённости электрических сетей является вполне закономерной.

Перспективными считаются устройства, позволяющие транспортировку и пространственное перераспределение света, излучаемого мощными компактными источниками, сосредоточенными в заданных местах, для равномерного и не слепящего глаз освещения определённой площади помещения. Естественно, такое решение вопросов освещения возможно только при создании новых источников света, новых материалов и технологий.

В 1874г. русский учёный-электротехник В.Н. Чиколев предложил способ дробления света, испускаемого мощной вольтовой дугой между угольными электродами. Суть его заключается в транспортировке света по зеркальным трубам – световодам.

Свет от вольтовой дуги с помощью линзы параллельным пучком вводился из одного торца в трубу с зеркальной внутренней поверхностью и передавался по ней. Выход света из трубы к освещаемым поверхностям осуществлялся через патрубки со светопропускающими рассеивателями на концах.

Распределение света, транспортируемого по центральной трубе по патрубкам, осуществлялось через систему наклонных зеркальных диафрагм. Эта идея нашла практическое применение в 1877г. при освещении взрывоопасных цехов Охотинского порохового завода близ Петербурга.

Таким образом, на упомянутом пороховом заводе впервые была практически осуществлена канализация света, т.е. его транспортировка по полым зеркальным трубам. Этот способ лежит и в основе волоконной оптики.

2.3.2 Щелевые световоды Щелевые световоды являются разновидностью труб-световодов. В 60-х годах ХХ века идея В.Н. Чиколева была возрождена советским инженером Г.Б. Баухманом. Он решил усовершенствовать полые зеркальные трубы-световоды за счёт формирования продольных щелей в её стенке (см. рисунок 2.2). Такой световод называют щелевым, а щель – оптической.

Рис 2.2 - Щелевой световод 1 – источник света; 2 – канал световода; 3 – отражающий торец; 4 – зеркально отражающий слой; 5 – оптическая щель; 6 – прозрачное иллюминаторное стекло; 7 – зеркальная оптическая система.

Таким образом щелевой световод – труба различной формы сечения и значительной длины с внутренней зеркальной отражающей поверхностью за исключением зоны оптической щели, которая пропускает и рассеивает транспортируемый свет.

В щелевом световоде распространение света происходит согласно законов геометрической оптики. Лучи, введённого в трубу света, претерпевают определённое число отражений, распространяются вдоль канала пока не попадут в щель, пройдут через неё и рассеются в освещаемом пространстве.

Длина световода ограничивается равномерностью распределения яркости света вдоль оптической щели и зависит от потерь, возникающих за счёт поглощения света при многократных отражениях от зеркальной поверхности канала.

Световой поток, истекающий от группы ламп, сосредоточенных в заданной точке, или одной мощной лампы через оптическую систему вводится в торец щелевого световода и, транспортируясь по нему, выходит в окружающее пространство через его оптическую щель. При значительной протяжённости щелевого световода свет может вводиться с обоих его торцов, у которых размещаются источники света.

Световоды могут быть изготовлены с жёсткой, полужёсткой и мягкой оболочками. Последние изготавливаются из двух типов тонкой и прочной плёнок толщиной от 30 до 40 мкм с удельным весом 50 г/м2. Конструктивно такая оболочка световода представляет собой цельный мягкий рукав, выполненный из двух типов плёнок: зеркально отражающей и светопропускающей.

Зеркально отражающая часть световода получается путём напыления тонкого слоя алюминия в вакууме на одну из сторон прозрачной плёнки.

Светопропускающая часть (оптическая щель) изготавливается из плёнки с определёнными оптическими характеристиками. Затем эти плёнки соединяются между собой на специальной установке с помощью ультразвуковой или термохимической сварки. Полученный таким образом световод без каркаса натягивается на фланцы вводного и торцевого узлов устройства.

Такой световод длиной 18 метров и диаметром 0,65 сантиметра весит около 2 кг и сравнительно дёшев.

Считается, что полные годовые расходы на комплексные осветительные устройства со щелевыми световодами в 2-2,5 раза ниже, чем для других осветителей, дающих такую же освещённость.

2.3.2.1 Практика применения щелевых световодов На рисунке 2.3 показано освещение зала станции Московского метрополитена “Серпуховская” щелевыми световодами. Из рисунка видно, что чередующие щелевые световоды подвешены к своду зала по его центру и сочленены с узлами кубической формы. Общая длина осветительного устройства 60 м.

Рисунок 2.3 – Освещение зала станции Московского метрополитена «Серпуховская» щелевыми световодами Лампы освещения и пуско-регулирующая аппаратура установлены в четырёх из двенадцати кубов. Из рабочих кубов свет направляется по световодам в противоположные стороны. Световоды снабжены пятью оптическими щелями различной ширины для освещения потолка, стен и пола.

1 – концентратор солнечного света; 2 – вводное устройство; 3 – щелевой световод; 4 – зеркальный перераспределитель света; 5 – источники искусственного света Рисунок 2.4 - Схема использования солнечного света для освещения помещения Такое решение освещения зала метрополитена “Серпуховская” дало возможность снизить число световых точек в 30 раз по сравнению с обычным освещением, в 3 раза сократить протяжённость электрических сетей и значительно упростить обслуживание осветительной установки.

Трёхэтажный универмаг “Вишняки” в Москве также целиком освещён щелевыми световодами.

Весьма привлекательна идея передачи светового солнечного потока по щелевым световодам по помещениям в светлое время дня. На рисунке 2.дана схема использования солнечного света для освещения помещений. Концентратор солнечного света может быть установлен на крышах или стенах зданий. В этом случае освещённость помещений в дневное время будет зависеть от состояния погоды.

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 29 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.