Całkowite wewnętrzne odbicie

Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal (najbardziej znane dla światła) występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu. Zjawisko to jest wykorzystywane w pryzmatach oraz światłowodach. Jest także przyczyną powstawania refleksów w oszlifowanym diamencie.

Światłowód

Światłowód - przezroczyste włókno (szklane lub wykonane z tworzyw sztucznych), w którym odbywa się propagacja światła.

Aby wyeliminować - lub, przynajmniej, znacząco ograniczyć - wypromieniowanie światła przez boczne powierzchnie światłowodu, stosuje się odpowiednio dobrany poprzeczny gradient współczynnika załamania światła. W najprostszym przypadku, gradient ten realizowany jest skokowo - wewnątrz światłowodu współczynnik załamania ma wartość wyższą, niż na zewnątrz; utrzymanie promieni światła w obrębie takiego światłowodu zachodzi na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia. W przypadku, gdy współczynnik załamania maleje z odległością od osi światłowodu w sposób ciągły, mówimy o światłowodach gradientowych.

Zasada działania

W zrozumieniu zasady działania światłowodu skokowego (a zatem sposobu utrzymania światła w jego wnętrzu), pomocne mogą być przedstawione tu rysunki, na których promienie światła biegną prostoliniowo, odbijając się od ścianek światłowodu. Światłowód gradientowy działa podobnie, lecz promienie - zamiast po odcinkach prostoliniowych, poruszają się po krzywoliniowych trajektoriach, utrzymywanych wewnątrz światłowodu przez ciągły gradient współczynnika załamania.
Takie wyobrażenie działania światłowodu jest jednak uproszczone i naiwne - tym bardziej, im mniejsze rozmiary poprzeczne ma rozważany światłowód. W rzeczywistości, istotną rolę w działaniu światłowodu odgrywa dyfrakcja. Zamiast promieni światła (będących podstawą przybliżonej optyki geometrycznej) należy rozważać światło jako falę. Przybliżenie optyki geometrycznej jest sensowne jedynie dla światłowodów o dużych rozmiarach poprzecznych, traci natomiast sens, gdy rozmiar poprzeczny światłowodu staje się porównywalny z długością fali światła. Zjawiska falowe mają szczególnie duże znaczenie w przypadku światłowodów jednomodowych, w których ściśle dobiera się długość fali transmitowanego światła do kształtu i rozmiarów poprzecznych światłowodu.
Światłowód jest szczególnym przypadkiem falowodu transmitującego fale elektromagnetyczne o częstotliwościach optycznych. W związku z tym, synonimem określenia "światłowód" jest "falowód optyczny".

Załamanie światłe po rzejściu przez szklankę wody

Światło po przejściu przez szklankę wody zostaje załamane a obraz słomki w pojemniku zostaje przesunięty

Pojęcia

Załamanie światła - fizyce to zmiana kierunku rozchodzenia się fali (refrakcja fali) związana ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka. Inna prędkość powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje stała.

Polaryzacja światła – własność fali poprzecznej (np. światła). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie wielu fal drgających w różnych kierunkach.
W naturze większość źródeł promieniowania elektromagnetycznego wytwarza fale niespolaryzowane. Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących się w ośrodkach, w których drgania ośrodka mogą odbywać się w dowolnych kierunkach prostopadłych do rozchodzenia się fali. Ośrodkami takimi są trójwymiarowa przestrzeń lub struna.

Rozpraszanie światła (fal elektromagnetycznych)- zjawisko oddziaływania światła z materią w wyniku którego następuje zmiana kierunku rozchodzenia się światła, z wyjątkiem zjawisk opisanych przez odbicie i załamanie światła. Wywołuje złudzenie świecenia ośrodka.
+Rozróżnia się rozpraszanie światła:
sprężyste – podczas rozpraszania nie następuje zmiana energii (częstotliwości) światła,
niesprężyste – podczas rozpraszania zmienia się energia (częstotliwość) światła.

Odbicie — zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła.

Światło białe i wielo barwne

Pryzmat – bryła z materiału przezroczystego o co najmniej dwóch ścianach płaskich nachylonych do siebie pod kątem (tzn. kątem łamiącym pryzmatu).

Używany w optyce do zmiany kierunku biegu fal świetlnych, a poprzez to, że zmiana kierunku zależy od długości fali, jest używany do analizy widmowej światła. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia pozwala użyć pryzmatu jako idealnego elementu odbijającego światło. Pryzmaty wykorzystywane są w produkcji wielu urządzeń optycznych, np.: lornetek, peryskopów.

Dający najszerszą tęczę pryzmat wykonany ze szkła kwarcowego ma kąt między ścianami wynoszący 62°, ze szkła crown ZN – 78°, a ze szkła flint – ok. 82°-86°

Falowa natura światła

Fizycznie zjawisko rozpraszania związane jest z falową naturą światła, które oddziałując z materią powoduje jej drgania i wypromieniowanie (wtórnych) fal elektromagnetycznych. Te wtórne fale nazywane są promieniowaniem rozproszonym (rozpraszaniem). Wiele zjawisk fizycznych związane jest z rozpraszaniem światła mimo że zazwyczaj nie używamy tej terminologii w potocznej mowie. Np. odbicie od porowatych powierzchni (odbicie dyfuzyjne), dyfrakcja, a nawet odbicie i załamanie światła można tłumaczyć jego rozpraszaniem (Zasada Huygensa). Ze zjawiskiem rozpraszania światła związane są też zjawiska dyspersji, interferencji i dyfrakcji.

Dyfrakcja i Interferencja światła

Używając silnych punktowych źródeł światła możemy zaobserwować dyfrakcję fal świetlnych przechodzących przez niewielkie otwory. Otwory te mają zawsze wielokrotnie większe rozmiary niż wynosi długość fali świetlnej. Obraz dyfrakcyjny możemy zaobserwować patrząc przez prawie przymknięte powieki na silne, niewielkie źródło światła. Wokół źródła widzimy wówczas świetliste smugi, których układ zmienia się przy poruszaniu powiekami. Dyfrakcja światła (ugięcie światła)polega na odchyleniu od prostoliniowego rozchodzenia się światła w pobliżu ciał nie przezroczystych.Na ekranie umieszczonym za przeszkodą uginającą światło obserwuje się - zamiast ostrej granicy światła i cienia - układ prążków dyfrakcyjnych (linie jednakowego natężenia oświetlenia) w postaci ciemnych i jasnych prążków.Dyfrakcja światła jest wynikiem falowej naturyświatła. Kształt otrzymanych obrazów dyfrakcyjnychoraz rozkład maksimów i minimów oświetlenia można wyjaśnić na podstawie zasady Huyghensa i zjawiska interferencji. Zasada Huyghensa opiera się na założeniu, że każdy punkt ośrodka, do którego dochodzi czoło fali, staje się źródłem wtórnych fal elementarnych.Falę świetlną rozchodzącą się za płaszczyzną przeszkody traktujemy jako superpozycję kulistychfal wtórnych, wysyłanych przez różne punktypłaszczyzny przeszkody. Fale wtórne są pobudzaneprzez różne ciągi falowe, z których składa się falapierwotna. Fale wtórne pobudzone przez jeden określony ciąg falowy są ze sobą spójne i mogą interferować. Jeżeli źródło światła możemy przyjąć jako punktowe, interferują tak samo.Dla źródeł rozciągłych fale wtórne pobudzane przezciągi falowe wysyłane przez różne punkty źródła niedają identycznych obrazów interferencyjnych.Obserwujemy wówczas pewne rozmycie cienia przeszkody.