Рассеивание света. Зеркальное отражение
Распространение света через сердцевину оптического волокна происходит на основе абсолютного внутреннего отражения. Грубые и неровные поверхности, даже на молекулярном уровне, могут вызвать световые лучи, которые должны быть отражены в случайных направлениях. Это называется диффузным отражением или рассеиванием, и, как правило, характеризуется широким разнообразием углов отражения.
Рассеивание света зависит от того, какова длина света при рассеивании. Таким образом, возникают пределы пространственных масштабов видимости, в зависимости от частоты волны падающего света и физического измерения (или пространственного масштаба) рассеивающего центра, который, как правило, существует в форме какой-либо конкретной микро-структурной особенности. Так как видимый свет имеет длину волны порядка одного микрометра (одной миллионной метра) рассеивающие центры будут иметь размеры аналогичного пространственного масштаба.
Таким образом, существуют результаты затухания от некогерентного рассеивания света на внутренних поверхностях и границах раздела в (поли)-кристаллических материалах, таких как металлы и керамика. В дополнение к порам, большинство внутренних поверхностей или поверхностей в виде границ зерен отделяют крошечные области кристаллического порядка. Это было показано недавно, когда размер рассеивающего центра (или границы зерен) снизился ниже величины длины волны рассеиваемого света. Рассеивание больше не происходило в сколько-нибудь значительной степени. Это явление привело к производству прозрачных керамических материалов.
Аналогичным образом, рассеивание света в оптическом качестве стекловолокна обусловлено нарушениями на молекулярном уровне (композиционной флуктуации) в структуре стекла. Действительно, возникает мысль о том, что стекло просто предельный случай поликристаллического твердого вещества. В этих рамках «домены», проявляющие различные степени ближнего порядка, становятся строительными блоками обоих металлов и сплавов, а также стекла и керамики. Распределенные между сторонами и внутри этих доменов микро-структурные дефекты обеспечивают наиболее идеальные места для рассеивания света. Это же явление рассматривается как один из факторов, ограничивающих в прозрачности ИК — ракетные купола.
При высокой оптической мощности рассеивание также может вызываться нелинейно-оптическими процессами в волокне.
В дополнение к рассеиванию света, ослабление или потеря сигнала может также возникать из-за селективного поглощения определенных волн, аналогично тому, как появляется цвет. Основные соображения включают материальные электроны и молекулы:
- На электронном уровне. Зависит от того, разнесены ли электронные орбитали (или «квантуются») таким образом, что они могут поглощать квант света (или фотон) определенной волны или частоты в ультрафиолетовом (УФ) или видимом диапазонах. Это приводит к появлению цвета.
- На атомном или молекулярном уровне. Это зависит от атомных частот или молекулярных колебаний или химических связей. Насколько плотно упакованы атомы или молекулы. Обладают ли эти атомы или молекулы дальним порядком. Эти факторы будут определять способность материала передавать более длинные волны в инфракрасном (ИК), дальнем ИК, радио и СВ-диапазонах.
Конструкция любого оптически прозрачного устройства требует выбора материалов, основанного на знании его свойств и ограничений. В характеристике поглощения, наблюдаемой при низких частотных диапазонах (от середины ИК до дальнего инфракрасного диапазона длин волн) определяется длинноволновой предел прозрачности материала. Это является результатом интерактивной связи между движениями термонаведенных колебаний составляющих атомов и молекул в твердой решетке и падающей световой волны излучения. Следовательно, все материалы ограничены путем ограничения области поглощения, вызванного атомными и молекулярными колебаниями (связей растяжения) в дальней инфракрасной области (> 10 мкм).
Таким образом, многофононное поглощение происходит тогда, когда взаимодействуют два или более фонона, одновременно производя электрические дипольные моменты. Эти диполи могут поглощать энергию падающего излучения, достигая максимального сцепления с излучением, когда частота равна основному моду колебаний молекулярного диполя (например, связи Si — O) в дальней инфракрасной области, или одной из его гармоник.
Селективное поглощение инфракрасного (ИК) света с помощью определенного материала происходит потому, что выбранная частота световой волны соответствует частоте, при которой частицы этого материала вибрируют. Поскольку различные атомы и молекулы имеют различные собственные частоты колебаний, они будут избирательно поглощать различные частоты (или части спектра) инфракрасного (ИК) света.
Отражение и прохождение световых волн возникает из-за частоты световых волн. Естественные резонансные частоты колебаний объектов не совпадают. Когда ИК-свет этих частот поражает объект, энергия либо отражается либо передается.