Волны, частицы и электромагнитный спектр

Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии, такой же как радиоволны, рентгеновские лучи и, наконец, электронные цифровые импульсы. Электромагнитные волны— это переменные магнитные и электрические поля, направленные перпендикулярно друг другу и направлению распространения. Световая волна является поперечной волной. Если электрическое и магнитное поля колеблются в плоскости, то в фиксированной точке пространства (Z) конец вектора напряженности электрического или магнитного поля с течением времени перемещается вдоль отрезка прямой линии. Такую волну называют линейно-поляризованной. Если вектор , оставаясь неизменным по величине, вращается с угловой частотой ω вокруг направления Z₀, то конец вектора описывает окружность. Волны такого типа называются волнами с круговой поляризацией. При произвольных значениях амплитудных и начальных фазовых составляющих вектора (E_х, Еу, и φ_х, φ_у) в фиксированной точке пространства Z конец этого вектора описывает эллипс. Волны такого типа принято называть волнами с эллиптической поляризацией (рис 2.1).

Рис. 2.1. Типы поляризаций:

а — линейная; б — круговая; в — эллиптическая

В физике все виды материи разделяются либо на волны, либо на частицы. Обычно свет представляется в виде волн, а электроны — в виде частиц. Однако современные физические исследования показали, что четкой границы между частицами и волнами не существует. Поведение как частицы, так и волны может быть и корпускулярным, и волновым.

Частицы света называются фотонами. Фотон представляет собой квант, или пакет излучения. Квант — это элементарная единица излучения. Нельзя наблюдать половину или 5,33 кванта. Количество энергии, переносимое фотоном, увеличивается с ростом частоты: большие частоты соответствуют большему количеству энергии. Длине волны фиолетового диапазона, имеющей большую частоту, соответствует большее количество энергии, чем волнам красного диапазона. Энергия, запасенная в одном фотоне,

E=hf, (2.1) где f — частота и h — постоянная Планка, равная 6,63х10^-34Дж∙с (джоуль секунда).

Из уравнения видно, что энергия фотона пропорциональна частоте (или длине волны).

Существует несколько уровней энергии для различных высокочастотных длин волн и, чем выше частота, тем большую энергию имеет квант.

Инфракрасный свет (10¹³ Гц) 6,63 х10^-20 Дж ∙ с

Видимый свет (10¹⁴ Гц) 6,63 х10^-19 Дж ∙ с

Ультрафиолетовый свет (10¹⁵ Гц) 6,63 х10^-18Дж ∙ с

Рентгеновские лучи (10¹⁸ Гц) 6,63 х10^-15 Дж ∙с

Фотон является странной частицей с нулевой массой покоя. Если он не движется, то не существует. В этом смысле фотон не является частицей, такой как камень или капля чернил. Он служит вместилищем энергии, но ведет себя как частица.

В волоконной оптике свет рассматривают и как частицу, и как волну. Обычно в зависимости от смысла используют либо одно, либо другое понятие. Например, многие характеристики оптического волокна основаны на длине волны, и свет рассматривается как волна. Однако испускание света источником или его поглощение детектором лучше описывается теорией частиц.

Фотоны, попадающие на детектор и поглощаемые им, выделяют энергию и обеспечивают электрический ток в цепи. Светоизлучающие диоды (СИД) работают на принципе передачи энергии от электронов к фотонам, энергия которых определяет длину волны излучаемого света. Таким образом, свет ведет себя различным способом при различных обстоятельствах. Поэтому, чтобы описать свет, необходимо использовать, в зависимости от обстоятельств, различные подходы (положения геометрической оптики, волновой оптики или квантовой оптики) [1].

В данной книге свет рассматривается, как электромагнитная волна или как электромагнитное излучение. Рассмотрим электромагнитный спектр, используемый в волоконных световодах. Электромагнитное излучение образует непрерывный частотный спектр, простирающийся от ультразвука к радиоволнам, микроволновому излучению, рентгеновским лучам и далее (рис. 2.2). Свет представляет собой электромагнитное излучение с большей частотой и более короткой длиной волны по сравнению с радиоволнами. Он распространяется в волне таким же образом, как и радиосигналы, рентгеновские лучи и т.д. Световое излучение занимает только маленькую часть электромагнитного спектра [2].

Рис. 2.2. Электромагнитный спектр

 

Видимый свет находится в пределах диапазона волн 390-760 нанометров (нм=10^-9 м), или 0,39-0,76 тысячных частей мм. Сравните это с радиоволнами, которые имеют длину волны от сотен до тысяч метров! Свет в общем использовании означает только видимый свет, но этот термин обычно расширяется и включает и ультрафиолетовое (коротковолновое), и инфракрасное излучение (длинноволновое). Фактически термин свет охватывает весь спектр излучения, который может управляться подобным способом (линзами, сетками, призмами и т.д.). Этот более широкий диапазон находится в пределах от 190 нм (ультрафиолетовый свет) до 2000 нм (инфракрасный свет).

В оптической связи с помощью волоконных световодов используется приграничный с инф-

Таблица 2.1. Диапазоны длин волн окон прозрачности
Окно прозрачности	Диапазон длин волн, нм
Первое	Около 850
Второе	1280 – 1325
Третье	1530 – 1565
Четвертое	1565 – 1620
Пятое	1350 - 1450

ракрасным диапазоном волны от 800 до 1600 нм. На данном этапе в волоконно-оптических системах передачи ВОСП в казанном диапазоне применяется пять окон прозрачности (табл. 2.1).

Высокие частоты света или малые длины волн представляют большой интерес с точки зрения коммуникационной технологии, так как более высокие частоты несущей волны означают большую скорость передачи информации. Технология волоконной оптики позволяет использовать потенциальную возможность света и обеспечивать высокую скорость передачи информации.