Если вы не специалист по оптике и не студент гуманитарных наук, вашей первой реакцией при мысли об интерференции и дифракции света должно быть множество формул, верно? Голова такая большая, не так ли? Хорошо, сегодня нам не нужна формула, позволяющая по-новому интерпретировать интерференцию и дифракцию света.

Свет, также называемый электромагнитной волной, обычно изображается синусоидальной кривой, как показано на рисунке ниже:

Рисунок 1. Кривая электромагнитных волн.

Свет имеет множество физических параметров, один из которых называется длиной волны, например, длина от точки А до точки Б. Длина волны связана с частотой, то есть связана с цветом света. Когда световая волна движется из точки А в точку Б, она проходит длину одной длины волны, и ее фаза изменяется ровно на 2π. Это самые базовые знания, которые не требуют дальнейшего введения.

Хорошо, давайте перейдем к делу. Давайте посмотрим, как возникает интерференция света. В качестве примера возьмем рисунок 1. Что происходит, когда черные и синие электромагнитные волны на картинке интерферируют в пространстве? Так уж получилось, что интерференция разрушительна: если смешать синие и красные электромагнитные волны, то образуется новая синусоидальная волна с большей амплитудой. Здесь мы можем просто вывести два условия, которые должны быть выполнены для интерференции:

Во-первых, направления вибрации одинаковы. Если черный цвет колеблется вверх и вниз по поверхности бумаги, а синий — вертикально по поверхности бумаги, то они не имеют друг с другом ничего общего;

Во-вторых, частота одинакова и разность фаз постоянна. Только при выполнении этих двух условий в пространстве могут образовываться светлые и темные интерференционные полосы.

Вот и проблема! Первый вопрос: упомянутые ранее черные и синие электромагнитные волны интерферируют, и интерференция разрушительна. Из-за интерференционных полос она черная, то есть нет интенсивности света, а значит, нет энергии? Нарушает ли это закон сохранения энергии? Ответ, конечно, никакого нарушения. На самом деле мы анализируем только электрическую составляющую поля, а реальная форма света такова. Энергия – это не только электрическое поле, но и магнитное поле:

Рисунок 2. Форма распространения электромагнитной волны (слева).

хороший,Теперь мы можем проанализировать подавление помех прямо сейчас в двух ситуациях: движение в противоположных направлениях и движение в одном направлении сначала анализируем движение в противоположных направлениях;,Объединение рисунка 2 и рисунка 3 (противоположное направление распространения),Если необходимо устранить помехи,То есть направление вектора электрического поля противоположно,Тогда мы обнаружим, что направления колебаний компонент магнитного поля одинаковы,Таким образом, компоненты электрического поля разрушительно мешают,Фактически вся энергия электрического поля передается магнитному полю.,Таким образом, полная энергия все еще сохраняется.。Каковы характерные параметры оптического волокна?

Рисунок 3. Электромагнитные волны распространяются вправо.

Далее проанализируйте ситуацию движения в том же направлении. Если вы примените описанный выше метод, вы обнаружите, что векторы электрического поля мешают и разрушают, а магнитное поле тоже мешает и разрушает. Действительно ли энергия исчезает? Нет, в чем причина? Продолжая приводить примеры, смотрите на картинки, чтобы говорить:

Рисунок 4. Принципиальная схема интерференции электромагнитных волн.

Мы используем оптические системы для интерференции света,Установлено, что на верхней и нижней поверхностях правого полузеркала всегда имеется одна интерференция деструктивная и одна интерференция конструктивная. Здесь нужно кое-что объяснить,При падении света из оптически разреженной среды в оптически плотную среду отражение,Будет потеря полуволны,Это изменит фазу π,При падении из оптически плотной среды в оптически разреженную среду,Фаза не меняется。Итак, подводя итог, суть интерференции света заключается не в прямой аннигиляции фотонов, а в перераспределении энергии!

Рисунок 5 Динамическая диаграмма помех (изображение взято из Интернета)

Ранее мы обсуждали принцип вмешательства,Как показано на рисунке 5.,Когда расстояние между двумя источниками света, достигающими плоскости изображения, отличается на четную половину длины волны.,Это яркая полоса; если расстояние отличается на половину длины волны, то в нечетное число раз.,Для темных полос. хороший,Далее давайте посмотрим, как происходит дифракция? Мы учили это в средней школе,Когда свет проходит через маленькое отверстие, свет будет преломляться, и чем меньше отверстие, тем более очевидным будет явление дифракции.

Рис. 6. Принципиальная диаграмма дифракции на одной щели (изображение взято из Интернета).

Рис. 7. Принципиальная схема дифракции на одной щели (изображение взято из Интернета).

Затем давайте посмотрим на диаграмму теоретического анализа дифрагированного света (рис. 7). Дифрагированный свет будет распространяться во всех направлениях после прохождения через маленькое отверстие AB. Если предположить, что дифрагированный свет распространяется параллельно, то точка достигает плоскости изображения. является точкой О. Очевидно, что достигающий Дифрагированный свет в этой точке не имеет разности фаз и представляет собой, естественно, яркую полосу. Затем увеличьте угол θ. Очевидно, что оптический путь между дифрагированным светом в точке A и дифрагированным светом в точке B для достижения точки Q на плоскости изображения различен, поэтому мы используем метод полуволнового диапазона для разделения дифрагированного света: то есть оптическая разность хода равна половине. Длина волны — это ширина и рассматривается как источник света, тогда AA1 можно рассматривать как источник субсвета, а A1A2 — как источник субсвета. Естественно, фазы этих двух источников света прямо противоположны, то есть интерференция является разрушительной. Следовательно, с увеличением угла θ. , разность оптических путей изменится, и полосы станут более темными и чередующимися.

Далее ответьте, почему чем меньше отверстие, тем заметнее дифракция. С другой стороны, чем больше отверстие, тем менее очевидно явление дифракции. О том, очевидно ли явление дифракции или нет, мы обычно судим по интенсивности света. Как показано на рисунке 7, если маленькую дырку AB можно разделить на 11 полуволновых полос, то 10 из них будут интерферировать друг с другом и останется только одна. Тогда на этом уровне должны быть яркие полосы, и энергия может быть. по площади понимается как 1/11. Если маленькое отверстие AB может разделить только 5 полуволновых диапазонов, то энергетическая площадь яркой полосы равна 1/5; Отсюда делается вывод: чем меньше отверстие, тем заметнее дифракция. Согласно этому методу полуволновых полос можно сделать другой вывод: когда размер маленького отверстия остается неизменным, чем больше длина волны, тем меньше количество разделенных полуволновых полос. Естественно, энергетическая область а. одна полуволновая полоса больше, и явление дифракции становится более очевидным.

После введения однощелевой дифракции настала очередь многощелевой дифракции. Многощелевая дифракция, очевидно, должна представлять собой комбинацию однощелевой дифракции и интерференции, поэтому мы получаем следующую картину:

Рис. 8. Принципиальная схема многощелевой дифракции (изображение взято из Интернета).

Самый классический пример многощелевой дифракции — решетка. Теперь давайте возьмем в качестве примера волоконную решетку.,Давайте разберемся, что такое волоконная решетка.Работаи каково его использование。Как работает массивная волноводная решетка (AWG)。

Рисунок 9. Принципиальная схема дифракции на решетке.

Рисунок 9 представляет собой принципиальную схему интерференционной дифракции на решетке. Вставив ее в оптическое волокно, мы можем упростить ее до следующего рисунка:

Рис. 10. Принцип работы волоконной брэгговской решетки (изображение взято из Интернета).

Согласно принципу передачи света в оптическом волокне, описанному в предыдущем выпуске, необходимо соблюдать не только условия полного отражения, но и определенные фазовые условия. Это фазовое условие также можно вывести на основе рисунка 9, то есть оптическая разность хода между двумя лучами света должна быть целым кратным длины волны, чтобы мешать фазовому расширению:

Поскольку интенсивность света дифрагированного света 0-го и 1-го порядков относительно велика, дифрагированный свет после 2-го порядка практически не учитывается. Когда k=1, мы можем обнаружить, что длина волны дифрагированного света связана с периодом решетки d, показателем преломления и углом. Очевидно, что если дифрагированный свет первого порядка должен передаваться в оптическом волокне в противоположном направлении, то свет должен быть параллелен падающему свету (условие фазового синхронизма в оптическом волокне).

Представьте себе, что согласно формуле у нас всегда будет длина волны света, которая соответствует обратному прохождению под этим углом. Эта длина волны называется длиной волны Брэгга. Эту отражающую волоконную решетку также называют волоконной решеткой Брэгга.。Здесь нужно дальнейшее объяснение,Свет на самом деле очень волшебный,Каждая длина волны света будет иметь свой собственный дифрагированный свет.,Однако, поскольку дифрагированный свет других длин волн не удовлетворяет условиям интерференционного фазового расширения при передаче по оптоволоконному кабелю,,Поэтому мы не идем в направлении дифрагированного света первого порядка.,Все они передаются в направлении дифрагированного света 0-го порядка.

Снова возникает вопрос: свет в оптическом волокне действительно может передаваться в противоположном направлении. Так должен ли дифрагированный свет идти в противоположном направлении? Не обязательно. Согласно приведенной выше формуле, когда длина волны определена, очевидно, что период решетки d обратно пропорционален углу θ, поэтому, когда период решетки d достаточно велик, мы обнаруживаем, что угол θ становится прямым пропусканием. , как показано на рисунке ниже.

Рис. 11. Принцип работы длиннопериодной волоконной решетки (изображение взято из Интернета).

Принцип передачи тот же, что и выше. Мы также получим такую ​​длину волны, которая соответствует условиям передачи в оптическом волокне, и угол передачи этой длины волны больше не является полным отражением в сердцевине волокна, а становится полным отражением. в облицовке Это образец облицовочной формы. Свет в режиме оболочки будет ослабляться и теряться на небольшом расстоянии, поэтому на приемном конце волокна мы получаем оптические сигналы, отличные от этой длины волны, поэтому мы также называем это волокно передающей волоконной решеткой, также называемой волокном с большим периодом. Решетка из волокна Брэгга и решетка из волокна Брэгга, отражающая волоконная решетка также называется короткопериодной волоконной решеткой.

Рисунок 12 (а) Спектр отражения волоконной брэгговской решетки (б) Спектр пропускания длиннопериодной волоконной решетки (изображение из Интернета)