Световод: уравнение, типы волн в световодах. Критические длины и частоты (стр. 2 из 3)

Меридиональным лучам соответствуют симметричные электрические Е_0m и магнитныеH_0m волны, косым лучам – несимметричные гибридные EН_nm и HЕ_nm волны.

Если точеченый источник излучения расположен по оси световода, то имеются только меридиональные лучи и соответственно симметричные волны Е_0m, H_0m. Если же точечный источник расположен вне оси световода или имеется сложный источник, то появляются одновременно как меридиональные, так и косые лучи и свойственные им симметричные Е_0m, H_0m и несимметричные гибридные (EН_nm и HЕ_nm) волны.

Несимметричные волны типа E_nm и H_nm в волоконных световодах существовать не могут. Эти волны возбуждаются только в металлических волноводах.

Основное уравнение передачи по волоконному световоду для случая

может быть значительно упрощено применительно к различным типам волн.

Для симметричных волн правая часть уравнения (8) равна нулю, тогда имеем два различных уравнения для электрической Е_0m и магнитной Н_0m волн:

для Е_0m

(9)

для Н_0m

Для смешанных дипольных волн можно получить следующие приближенные уравнения:

для НЕ_nm

(10)

для ЕН_nm

Для области часто, далеко отстоящих от критической частоты, можно воспользоваться более простыми выражениями:

для НE_nm

для ЕH_nm

Данные выражения позволяют определять структуру поля, параметры волн и характеристики волоконного световода при различных типах волн и частотах.

Каждый тип волны (мода) имеют свою критическую частоту и длину волны. Наличие критической частоты в волоконных световодах объясняется тем, что при очень высоких частотах почти вся энергия концентрируется внутри сердечника световода, а с уменьшением частоты происходит перераспределение поля и энергия переходит в окружающее пространство. При определенной частоте f_o – критической, или частоте отсечки, поле больше не распространяется вдоль световода и вся энергия рассиевается в окружающим пространстве.

Ранее были приведены следующие соотношения:

где

- коэффициент фазы в световоде;

k₁ и k₂ – волновое число соответственно сердечника

и оболочки световода:

g₁ и g₂ – поперечное волновое число соответственно

для сердечника и оболочки.

а – радиус сердечника волокна.

Учитывая, что

получим

.

Полагая, что r=a, произведем сложение левых и правых частей приведенных выражений

Для определения критической частоты f_o надо принять g₂=0. При всех значениях g₂>0 поле концентрируется в сердечнике световода, а при g₂=0 оно выходит из сердечника и процесс распространения по световоду прекращается. По закону геометрической оптики условие g₂=0 соответствует углу полного внутреннего отражения, при котором отсутствует преломленная волна, а есть толь падающая и отраженная волны. Тогда при g₂=0 имеем

Подставив в эту формулу значение

, получим , откуда критическая частота световода . (11)

Умножив числитель и знаменатель на параметр а (радиус сердечника), получим значение критической частоты

(12)

и критической длины волны

, (13)

где g₁a – корни бесселевых функций.

Так как световоды изготавливаются из немагнитных материалов (

), то

.

Принципиально аналогичный результат можно получить лучевым методом непосредственно из законов геометрической оптики путем сопоставления падающей, отраженной и преломленной волн на границе сердечник-оболочка световода.

Анализируя полученные соотношения, можно сказать, что чем толще сердечник световода и чем больше отличаются

, тем больше критическая длина волны и соответственно ниже критическая частота волоконного световода. Из формул видно также, что при равенстве оптических характеристик, в первую очередь диэлектрической проницаемости сердечника и оболочки, т.е. при , критическая длина волны , а критическая частота и передача по такому световоду невозможна. Это имеет свое логическое обоснование: как уже сказано, волоконный световод работает на принципе многократного отражения от границы оптических несоответствий сердечника и оболочки, и эта граница является направляющей средой распространения электромагнитной энергии. При световод перестает действовать как направляющая система передачи.

Для определения критических частот различных типов волн рассмотрим корни ранее полученного выражения бесселевых функций J_0m(g₁a) для симметричных и J_nm(g₁a) для несимметричных волн. Эти равенства дают бесконечное число корней, значения которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

n	Значение корня (g1a) при m, равном			Тип волны
01122	2,4050,0003,8322,4455,136	5,5203,8327,0165,5388,417	8,6547,01610,1738,66511,620	Е, ННЕЕННЕЕН

Рассмотрим физический смысл приведенных в табл. 1 корней бесселевых функций g₁a. Поскольку при отсечке g₂=0, т.е.

, то из выражения имеем

Последнее выражение обратно пропорционально

, т.е. прямо пропорционально критической частоте f₀. Кроме того, оно включает в себя исходные параметры волокна: а, n₁, n₂. Данное выражение носит название нормированной частоты и в этом виде часто используется в световодной технике. Таким образом, нормированная частота

,

где

- длина волны в вакууме.

При такой трактовке табл. 1 содержит нормированные частоты

для волн, тип которых указан в правой колонке таблицы, а индекс nm составлен из чисел левого столбца и верхней строки соответствующей клетке, в которой находится данная величина . Каждой соответствует критическая частота f₀.

При

< имеем f<f₀, т.е. частота меньше критической и волна по сердечнику волокна не распространяется, другими словами не существует. Область существования волны, имеющей нормированную частоту отсечки > составляет f>f₀.

Из табл. 1 видно, что для несимметричной волны НЕ₁₁ значение

=0; следовательно, эта волна не имеет критической частоты и может распространяться при любой частоте и диаметре сердечника. Все другие волны не распространяются на частотах ниже критической. Табл.1 можно преобразовать и привести к следующему виду (табл. 2)

Таблица 2

Диапазон частот	Дополнительные моды	Число мод
0,000–2,4052,405–3,8323,832–5,3165,316–5,5205,520–6,3806,380–7,0167,016–7,5887,588–8,4178,417–11,620	HE11H01, E01, HE21HE12, EH11, HE31EH21, HE41H02, E02, HE22EH31, HE51HE13, EH12, HE32EH41, HE61EH22, E03, H03, EH13, HE23, EH23	2612162024303440

Из табл. 2 следует, что с увеличением частоты появляются новые типы волн. Так, начиная с

=2,405 появляются волны H₀₁, E₀₁, HE₂₁, при =3,832 возникают дополнительные волны HE₁₂, EH₁₁, HE₃₁ и т.д.