Index lomu
Lom světla (refrakce) je ohyb světelných paprsků při průchodu povrchem mezi dvěma průhlednými materiály. Je popsán Snellovým zákonem:
kde Θ1 je úhel mezi paprskem a normálou k povrchu v prvním prostředí,
Θ2 je úhel mezi paprskem a normálou k povrchu v druhém prostředí, a n1 a n2 jsou indexy lomu, přičemž n1 = 1 ve vakuu a n > 1 v průhledné látce.
Snellův zákon se používá k určení směru světelných paprsků při průchodu lomivými médii s různými indexy lomu. Indexy lomu médií, označené n1, n2 atd., představují faktor, o který se snižuje rychlost světelného paprsku při průchodu lomivým médiem, jako je sklo nebo voda, ve srovnání s jeho rychlostí ve vakuu.
Když světlo prochází hranicí mezi médii, v závislosti na relativních indexech lomu obou médií se světlo buď láme pod menším úhlem, nebo pod větším. Tyto úhly se měří vzhledem k normále, která je zobrazena kolmo na hranici. V případě světla přecházejícího ze vzduchu do vody se světlo láme směrem k normále, protože se ve vodě zpomaluje; světlo procházející z vody do vzduchu se láme od normály.
Lom světla mezi dvěma povrchy se také označuje jako reverzibilní, protože pokud by všechny podmínky byly totožné, úhly by byly stejné i pro světlo šířící se opačným směrem.
Lomivé vlastnosti čoček se často využívají k manipulaci se světlem za účelem změny zdánlivé velikosti obrazů. Příklady tohoto využití jsou lupy, brýle, kontaktní čočky, mikroskopy a refrakční teleskopy.
Thomas Young byl pravděpodobně první osobou, která v roce 1807 použila a vynalezla termín "index lomu". Zároveň tuto hodnotu lomivé síly převedl na jediné číslo místo tradičního poměru dvou čísel.
Poměr měl nevýhodu různých vzhledů. Newton, který jej nazýval "poměrem sinusů dopadu a lomu", jej psal jako poměr dvou čísel, například "529 ku 396" (nebo "téměř 4 ku 3"; pro vodu).
Disperze
Index lomu materiálů se liší v závislosti na vlnové délce (a frekvenci) světla. Tento jev se nazývá disperze a způsobuje, že hranoly
a duhy rozkládají bílé světlo na jeho spektrální barvy. Jak se index lomu mění s vlnovou délkou, mění se i úhel lomu při přechodu světla z jednoho materiálu do druhého.
Disperze také způsobuje, že ohnisková vzdálenost čoček závisí na vlnové délce světla(každá barva se zaostřuje do jiného místa na optické ose). Tento jev se označuje jako chromatická aberace, která musí být v zobrazovacích systémech často korigována.
Úplný vnitřní odraz
Když světlo přechází mezi materiály s různými indexy lomu, část paprsku se na povrchu rozhraní láme a část se odráží.
Pokud je však úhel dopadu větší (tj. paprsek je blíže rovnoběžné poloze s rozhraním) než kritický úhel – úhel dopadu, při kterém se světlo láme tak, že se šíří podél hranice – světlo přestane rozhraní překračovat a místo toho bude zcela odraženo zpět dovnitř. Tento jev může nastat pouze tehdy, když světlo přechází z prostředí s vyšším [n1 = vyšší index lomu] do prostředí s nižším indexem lomu [n2 = nižší index lomu]. Například k němu dojde při přechodu ze skla do vzduchu, ale ne při přechodu ze vzduchu do skla.
Kritický úhel
Kritický úhel je úhel dopadu, nad kterým dochází k úplnému vnitřnímu odrazu. Úhel dopadu se měří vzhledem k normále na rozhraní lomivosti (viz diagram znázorňující Snellův zákon).
Uvažujme světelný paprsek přecházející ze skla do vzduchu. Světlo vycházející z rozhraní se ohýbá směrem ke sklu. Když se úhel dopadu dostatečně zvětší, úhel lomu (ve vzduchu) dosáhne 90 stupňů. V tomto bodě již žádné světlo neprochází do vzduchu. Kritický úhel je dán Snellovým zákonem.
Pro nalezení kritického úhlu najdeme hodnotu pro Ɵi, když Ɵt = 90° a tedy sinƟt = 1. Výsledná hodnota Ɵi se rovná kritickému úhlu Ɵc.
Nyní můžeme vyřešit Ɵi a získáme rovnici pro kritický úhel:
The use
Optická vlákna
Optická vlákna obvykle obsahují průhledné jádro obklopené průhledným plášťovým materiálem s nižším indexem lomu. Světlo je udržováno v jádře díky úplnému vnitřnímu odrazu. To způsobuje, že vlákno funguje jako vlnovod. Vlákna, která podporují více cest šíření nebo příčných módů, se nazývají vícevidová vlákna (MMF), zatímco ta, která podporují pouze jeden mód, se nazývají jednovidová vlákna (SMF). Vícevidová vlákna mají obvykle širší průměr jádra a používají se pro komunikační spoje na krátké vzdálenosti a pro aplikace, kde je potřeba přenášet vysoký výkon. Jednovidová vlákna se používají pro většinu komunikačních spojů delších než 1 050 metrů (3 440 stop).
Spojování délek optických vláken je složitější než spojování elektrických vodičů nebo kabelů. Konce vláken musí být pečlivě zarovnány a poté spojeny buď mechanicky, nebo svařováním pomocí tepla. Pro odnímatelné spojení jsou také k dispozici speciální konektory pro optická vlákna.