Как строится френелевское отражение. Принципы и способы реализации датчиков отражающего типа на оптических волокнах

Предмет: Физика
Раздел: Оптика, Волоконная оптика (Оптические волокна), Интерференция и отражение света

Введение в френелевское отражение

Френелевское отражение — это отражение света на границе раздела двух сред с разными показателями преломления. Названо в честь Огюстена Френеля, французского физика, который изучал поведение света на границах раздела.

Когда свет проходит из одной среды в другую (например, из стекла в воздух), часть света отражается обратно в первую среду, а часть преломляется и проходит во вторую. Это явление описывается уравнениями Френеля, которые дают коэффициенты отражения и пропускания для амплитуды и интенсивности света.

Принцип френелевского отражения

Рассмотрим границу между двумя средами с показателями преломления [n_1] и [n_2]. Пусть свет падает под углом [\theta_i] к нормали границы.

Френелевские коэффициенты отражения зависят от:

• Поляризации света (s- или p-поляризация),
• Угла падения,
• Отношения показателей преломления.

Для падающего света с нормальным падением (перпендикулярно поверхности), коэффициент отражения по интенсивности даётся формулой:

 [R = \left( \frac{n_1 - n_2}{n_1 + n_2} \right)^2] 

Это означает, что даже при нормальном падении часть света всегда отражается, если [n_1 \ne n_2].

Применение френелевского отражения в оптических волокнах

В волоконной оптике френелевское отражение используется для создания датчиков отражающего типа. Принцип действия таких датчиков основан на изменении отражённого сигнала при воздействии внешних факторов (температуры, давления, деформации и т.д.).

Принцип работы:

1. Свет проходит по оптическому волокну и достигает определённой точки, где создаётся граница раздела (например, конец волокна или дефект в оболочке).
2. На этой границе возникает френелевское отражение.
3. Отражённый сигнал возвращается обратно и регистрируется детектором.
4. Изменение внешней среды влияет на показатель преломления или геометрию волокна, что приводит к изменению коэффициента отражения или фазы отражённого сигнала.
5. Эти изменения анализируются для определения параметров окружающей среды.

Способы реализации отражающих датчиков на основе френелевского отражения

1. Датчики с открытым концом волокна
   Свет доходит до конца волокна, где происходит отражение от границы «волокно-воздух». Изменения в окружающей среде (например, давление газа) могут изменить показатель преломления среды около конца волокна, влияя на отражение.

2. Интерферометрические датчики
   Используется интерференция между отражёнными волнами от двух границ (например, от конца волокна и от внутреннего дефекта). Пример: интерферометр Майкельсона или Фабри-Перо.

3. Датчики с микроструктурой в волокне
   Создаются микроскопические структуры (например, брэгговские решётки или микроотражатели), которые вызывают частичное отражение и чувствительны к изменениям окружающей среды.

Преимущества френелевских отражающих датчиков

• Простота конструкции,
• Высокая чувствительность,
• Возможность удалённого мониторинга,
• Электромагнитная совместимость (нечувствительны к ЭМ-помехам).

Заключение

Френелевское отражение — это важное физическое явление, лежащее в основе множества оптических датчиков. В волоконной оптике оно используется для создания отражающих датчиков, чувствительных к изменениям внешней среды. Такие датчики находят применение в медицине, промышленности, строительстве и других областях.