T A D Q I Q O T L A R
jahon ilmiy – metodik jurnali
https://scientific-jl.com
61-son_4-to’plam_May-2025
12
ISSN:3030-3613
ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
САТТОРОВ САРВАР НУГМОНОВИЧ
Аннотация:
В статье рассматривается явление полного внутреннего
отражения как основополагающий физический механизм, лежащий в основе
волоконно-оптических технологий. Раскрываются условия возникновения
полного отражения на границе двух сред, отличающихся показателями
преломления, и его практическое применение в передаче световых сигналов на
большие расстояния. Приведены принципы устройства оптоволокна, типы
волокон, а также их роль в современной телекоммуникации, медицине и
сенсорике. Представлены экспериментальные и теоретические аспекты изучения
эффекта в учебной и исследовательской практике.
Ключевые слова:
полное внутреннее отражение, критический угол,
показатель преломления, волоконно-оптические технологии, оптоволокно,
одномодовое волокно, многомодовое волокно,
Введение
В современном мире оптические технологии играют ключевую роль в
передаче информации, медицинской диагностике и научных исследованиях.
Одним из фундаментальных явлений, лежащих в основе таких технологий,
является полное
внутреннее
отражение. Это явление возникает, когда свет
переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим под
углом, превышающим критический. В этом случае свет не выходит за пределы
первой среды, а полностью отражается обратно внутрь.
Полное внутреннее отражение имеет огромное прикладное значение,
особенно в технологии волоконно
-
оптической
связи, где оно используется для
направленного распространения световых сигналов по тонким прозрачным
волокнам. Благодаря этому стало возможным создание высокоскоростных
телекоммуникационных
линий,
медицинских
эндоскопов,
высокочувствительных сенсоров и систем лазерной передачи данных.
Понимание условий, при которых возникает полное внутреннее отражение,
и принципов работы оптоволоконных систем важно как с точки зрения физики,
так и инженерии. Настоящая статья посвящена анализу физической природы
полного внутреннего отражения и его практической реализации в волоконно-
оптических технологиях.
Явление полного внутреннего отражения
T A D Q I Q O T L A R
jahon ilmiy – metodik jurnali
https://scientific-jl.com
61-son_4-to’plam_May-2025
13
ISSN:3030-3613
Как уже отмечалось, полное внутреннее отражение происходит при углах
падения, превышающих критический угол. Это явление можно объяснить не
только геометрически, но и волновой теорией света, согласно которой на границе
сред возникает
переходное (туннельное) волновое поле
, не передающее
энергию за границу, но способное взаимодействовать с другой средой при
определённых условиях — основа для эффекта
оптического туннелирования
.
𝛉
𝐜
= 𝐚𝐫𝐜𝐬𝐢𝐧(
𝐧
𝟐
𝐧
𝟏
),
где:
n
1
— показатель преломления первой среды,
n
2
— показатель преломления второй среды, n
1
> n
2
Если θ > θ
с
, свет полностью отражается обратно в первую среду. Это
отражение не сопровождается потерями энергии в виде преломлённого луча, и
именно этот эффект лежит в основе работы оптоволокна.[1]
Задача: Определите критический угол полного внутреннего отражения для
света, распространяющегося из стекла (
𝐧
𝟏
= 𝟏, 𝟓
) в воздух (
𝐧
𝟐
= 𝟏
).
Решение:
𝜽
𝒄
= 𝒂𝒓𝒄𝒔𝒊𝒏 (
𝒏
𝟐
𝒏
𝟏
) = 𝒂𝒓𝒄𝒔𝒊𝒏 (
𝟏
𝟏,𝟓
) ≈ (𝟎, 𝟔𝟔𝟔𝟕) ≈
41,8°,
Значит, при угле падения больше 41,8°, свет полностью отразится внутри
стекла.[2]
Структура оптоволокна
Помимо классического строения (сердечник + оболочка), современные
волокна могут иметь дополнительные элементы:
защитное покрытие (для механической прочности),
усилители сигнала (в активных волокнах),
градиентные профили преломления (для снижения искажений).
Математически
, путь света в волокне описывается законами
геометрической оптики, но в реальности учитываются также
моды волновода
и
дисперсия сигнала
, особенно на больших расстояниях.
Сравнение типов волокон
Параметр
Одномодовое волокно
Многомодовое
волокно
Диаметр
сердечника
~8–10 мкм
~50–100 мкм
T A D Q I Q O T L A R
jahon ilmiy – metodik jurnali
https://scientific-jl.com
61-son_4-to’plam_May-2025
14
ISSN:3030-3613
Расстояние
передачи
до 100 км и более
до 2–5 км
Цена
выше
ниже
Область
применения
междугородняя связь,
интернет
локальные сети,
CCTV
Современные применения
Лазерная хирургия
— свет по оптоволокну доставляется в
труднодоступные ткани.
Гидроакустика
— подводные волоконно-оптические кабели передают
сигналы с минимальными помехами.
Оптоволоконные гироскопы
— точные навигационные приборы, не
имеющие подвижных частей.
Лабораторные и школьные опыты
Направьте лазерный луч в аквариум с водой под углом: при увеличении угла
можно наблюдать полное внутреннее отражение на границе вода–воздух.[3]
Вывод:
Полное внутреннее отражение является важнейшим физическим
явлением, подтверждающим законы геометрической и волновой оптики. Оно не
только объясняет поведение света на границе сред с разными показателями
преломления, но и лежит в основе широкого спектра современных технологий.
Применение этого эффекта в волоконно-оптических системах позволило
совершить революцию в области связи, медицины, приборостроения и
навигации.
Изучение условий, при которых возникает полное внутреннее отражение,
помогает глубже понять взаимодействие света с веществом, а также освоить
принципы построения высокотехнологичных оптических устройств. Проведение
демонстрационных и лабораторных экспериментов делает физику более
наглядной и приближает учащихся к практическому пониманию процессов,
происходящих в окружающем мире. Таким образом, рассмотрение данного
явления имеет как теоретическую, так и прикладную значимость в современной
науке и технике.
Использованные литературы:
1.
Савельев И. В.
Курс общей физики. Том 3: Оптика.
— М.: Наука, 1982.
2.
Гришин А. И., Лисицын Ю. П.
Оптика: Учебник для вузов.
— М.: Физматлит,
2010.
3.
Кирик Л. А.
Физика. 11 класс: учебник для общеобразовательных
учреждений.
— М.: Дрофа, 2020.
