что такое световоды и для чего они применяются
1.2 СВОЙСТВА СВЕТОВОДА, ОСНОВАННЫЕ НА ЗАКОНАХ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ
1.2.1 Виды световодов
Световод – это устройство, ограничивающее область распространения оптических колебаний и направляющее поток световой энергии в заданном направлении.
Различают два вида световодов: плоские и волоконные (рисунок 1.1, 1.2)
 |  |
| а – плёночного; б – канального | а – однослойного; б – двухслойного; в – трёхслойного |
| Рисунок 1.1 – Конструкции плоских световодов | Рисунок 1.2 – Конструкции волоконных световодов |
Плоские (планарные) световоды в свою очередь подразделяют на плёночные (рисунок 1.1,а) и канальные (рисунок 1.1,б).
Волоконный световод (ВС) – это направляющая система, выполненная в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, состоящая из сердцевины и оболочки, по которой осуществляется передача световых волн.
Волоконные световоды бывают однослойные (рисунок 1.2,а), двухслойные (рисунок 1.2,б) и трёхслойные (рисунок 1.2,в) и т.д. Показатель преломления материала сердцевины n1= √┓, а оболочки – n2= √└, где ┓ и └ – относительные диэлектрические проницаемости. Относительная магнитная проницаемость материала μ обычно постоянна и равна единице. Показатель преломления вакуума n0 равен единице.
Типичный волоконный световод представляет собой длинную нить диаметром от 100 до 1000мкм в зависимости от применений, состоящую из цилиндрической сердцевины, окружённой одной или несколькими оболочками из материалов с меньшими показателями преломления. Показатель преломления оболочки постоянен, а сердцевины в общем случае является функцией поперечной координаты (например, радиуса в случае круглого световода). Эту функцию называют профилем показателя преломления (ППП).
Отрезки световодов используют для построения оптических устройств как активных (генераторов, модуляторов, демодуляторов и т.п.), так и пассивных (ответвителей, мостов, соединителей и т.п.).
1.2.2 Принцип действия волоконного световода. Типы лучей. Моды
Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому, как будет показано ниже, необходимо, чтобы n1>n2. Разность показателей преломления на границе «сердцевина – оболочка» обычно составляет 1–0,1%. Кроме того, оболочка защищает распространяющийся по сердцевине свет от любых внешних воздействий и помех.
В зависимости от величины угла θ, который образуют с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (рисунок 1.3), возникают лучи излучения 1, лучи оболочки 2 и лучи сердцевины 3.
Рисунок 1.3 – Принцип действия волоконного световода
Типы лучей. В сердцевине существуют два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются в некоторой точке с осью световода и косые, которые с осью световода не пересекаются. На рисунке 1.3 показаны меридиональные лучи.
Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Поскольку энергия в направляемых лучах не рассеивается наружу, такие лучи могут распространяться на большие расстояния.
Моды. Световые волны, которые образуются направляемыми лучами, многократно отражаясь от границы «сердцевина – оболочка», накладываются сами на себя и образуют направляемые волны (моды). Для облегчения восприятия под модой достаточно понимать вид траектории, вдоль которой распространяется свет.
1.2.3 Типы волокна
Оптическое волокно – это сочетание стеклянного волокна с защитным покрытием, являющимся конструктивным элементом. Термин используется обычно при рассмотрении конструктивных и технологических особенностей волоконно оптических кабелей.
Термины «оптическое волокно» и «волоконный световод» являются синонимами. Последний обычно применяется при рассмотрении вопросов передачи информации с помощью законов оптики.
Волокно, в котором распространяется несколько мод, называется многомодовым (ММ). В ММ волокне диаметр сердцевины больше длины волны (dc>>λ). Волокно, в котором распространяется одна мода называется одномодовым (ОМ). В ОМ волокне диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны (dc≈λ). По существующему международному стандарту для средств связи принято, что диаметр оболочки волокна должен быть равен 125 мкм. Оболочка изготавливается из кварцевого стекла (SiO2) с n2=1,45, а сердцевина – из кварцевого стекла с добавками GeO2 или P2O5. Для промышленно выпускаемых световодов ОМ волокно имеет диаметр сердцевины 7–10мкм, а ММ волокно – 50–65,5мкм.
Существует три основных типа волокон: ступенчатое ММ, градиентное ММ и ступенчатое ОМ волокно (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 – Поперечное сечение и ППП ступенчатого многомодового (а), градиентного многомодового (б) и ступенчатого одномодового (в) волокна
Принцип передачи электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому, градиентному многомодовому и ступенчатому одномодовому волокну представлен на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5 – Лучевой принцип распространения электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому (а), градиентному многомодовому (б) и ступенчатому одномодовому (в) волокну
Лучи света входят в сердцевину волокна с торца и удерживаются за счёт полного внутреннего отражения внутри сердцевины (рисунок 1.5,а), или изгибаются в направлении градиента показателя преломления (рисунок 1.5, б).
1.2.4. Геометрические параметры световода
Формальные выкладки удобнее производить для ступенчатого световода, в котором показатель преломления сердцевины является постоянной величиной (n1=const). На рисунке 1.6 показан ход лучей в таком световоде.
Рисунок 1.6 – Ход лучей в волоконном световоде со ступенчатым профилем показателя преломления
| n1sin┱=n2sin┲, | (1.2) |
где
n1 – показатель преломления среды 1;
┱ – угол падения;
n2 – показатель преломления среды 2;
┲– угол преломления.
Рассмотрим три случая:
а) Так как сердцевина является оптически более плотной средой по отношению к оболочке (n1>n2), то существует критический угол падения ┱=θkp – внутренний угол падения на границу, при котором преломлённый луч (луч1) идёт вдоль границы сред (┲=90 o ).
Из закона Снеллиуса легко найти этот критический угол падения:
| n1sinθkp=n2, θkp=arcsin(n2/n1). | (1.3) |
Воспользуемся выражением n1sinθkp=n2 и выразим sinθA через показатель преломления сердцевины и оболочки, полагая n0=1:
Для градиентного волокна используется понятие локальной числовой апертуры
| NA(r)=√(n1 2 (r)-n2 2 ). | (1.7) |
значение которой максимально на оси и падает до 0 на границе сердцевины и оболочки. Для градиентного волокна с параболическим ППП используется понятие эффективной числовой апертуры:
| NAэфф=[√(n1 2 (0)-n2 2 )]/√ 2. | (1.8) |
где n1(0) – максимальное значение показателя преломления.
Нормированная частота. частотойОказывается целесообразным ввести нормированную частоту ν, которая объединяет структурные параметры ВС и длину волны излучения:
Что такое световоды и для чего они применяются
Стеклянный пруток круглого или другого сечения с полированными боковой поверхностью и торцами может быть использован в качестве световода для передачи световой энергии в труднодоступные полости без переноса теплоты от источника излучения. Световоды могут быть изогнуты в горячем состоянии с радиусами кривизны, равными 
их диаметрам, и в холодном состоянии с радиусами кривизны 
диаметров. Луч, падающий на торец прутка (рис. 65), проходит сквозь него, претерпевая неоднократное полное внутреннее отражение от боковой поверхности. Для обеспечения лучших условий полного внутреннего отражения прутки изготовляют из тяжелых флинтов и покрывают оболочкой (изоляцией) из крона или металлическим отражающим слоем.
Характеристикой углового поля световодов являются апертурные углы 
Для входного торца 
для выходного 
Для определения апертурного угла 
ограничивающего телесный угол для пучка лучей, полностью проходящих через
Рис. 65. Прохождение лучей в светопроводе
Рис. 66. Схема для определении апертурного угла в световоде
световод, обратимся к рис. 66. Входной торец световода возьмем перпендикулярным к его оси. Показатель преломления волокна сердцевины 
больше, чем показатель преломления оболочки 
При полном внутреннем отражении луча от границы между волокном и изоляцией имеем: 
Преломление на торце описывается формулой
Так как 
то из формул (132) и (133) следует равенство для определения входного апертурного угла при 
(воздух):
Если показатель преломления среды, в которой находится выходной торец световода, также равен единице 
то выходной апертурный угол 
равен входному апертурному углу 
При 
получим 
Для передачи изображений используют многожильные световоды — пучки светопроводящих волокон. Наименьший диаметр волокна составляет 
При меньших диаметрах качество изображения ухудшается вследствие дифракции. Волокна в оболочках, уложенные параллельно и спеченные, с отполированными торцами, лежащими в одной плоскости, обеспечивают передачу изображения с одного торца на другой. Разрешающая способность такого пучка волокон зависит от их диаметра и расстояния между ними. Надежно получаемой является разрешающая способность до 
При дальнейшем повышении разрешения снижаются и контраст, и яркость изображения.
Из волоконных элементов делают следующие детали, передающие изображение: жесткие световоды, гибкие жгуты, диски, фоконные линзы, анаморфоты, преобразователи кольцо—линия и др. [6].
Жесткие многожильные световоды, служащие для передачи изображения, используются в приборах, предназначенных для обзора и фотографирования стенок трубок, передачи изображений шкал и в качестве микроскопа-иглы.
Гибкие регулярные жгуты входят в состав гибких перископов и приборов для обследования внутренних органов человека. Они представляют собой параллельно уложенные волокна, спеченные вблизи торцов. Применение гибких жгутов, выходной торец которых вытянут в виде узкой полосы шириной, равной диаметру волокна, обеспечивает высокоскоростную киносъемку с частотой 
Для обеспечения контактной фотопечати с выпуклых экранов кинескопа или электронно-оптического преобразователя (ЭОП)
используют волоконные диски, одна поверхность которых вогнутая (примыкающая к экрану), вторая — плоская. 
диски содержат до полумиллиарда волокон и разрешают до 
при апертурном угле 
Фоконы и фоконные линзы имеют волокна с переменным сечением (конические), что обеспечивает изменение поперечного увеличения передаваемого изображения.
Односторонняя опрессовка одного конца жесткого многожильного светопровода, гибкого жгута или фокона превращает их в анаморфот, сжимающий или растягивающий изображение в одном направлении.
Формирование входного и выходного торцов многожильного световода позволяет создать преобразователь изображения, например, преобразователь кольцо—линия и т. п.
Для изготовления волоконной оптики применяются стекла следующих марок: для сердцевины — 
; для оболочки — 
Принцип работы и сферы применения световодного освещения
Недостаток света в помещениях компенсируется по-разному – дополнительные окна, устройства, лампы и подобное. Одним из инновационных решений последнего времени стали световоды для освещения. Небольшие устройства устанавливаются на крыше или стенах, аккумулируя и доставляя лучи внутрь.
История возникновения световодного освещения
Освещение дома при помощи световодов
Первые попытки создать световод для освещения помещений проводились еще в 1874 году. Российский электротехник Чиколев Владимир изготовил трубу с зеркальной поверхностью внутри, с помощью которой проводил освещение в опасные производственные комнаты порохового завода.
Современный способ появился на рынке относительно недавно. Первые устройства, проводящие дневной свет, появились в 2005 году. Приборы прошли несколько стадий усовершенствования. Окончательный вариант был представлен потребителям в 2011 году.
Световод – это механизм закрытого типа для направленной передачи дневного света. Другое название – оптический волновод. Устройства спроектированы таким образом, что могут иметь любую кривую направленность, но при этом доставляют максимум освещения. Позволяют сэкономить на электричестве и стандартных лампочках.
Принцип работы светового туннеля
Принцип работы световода
Устройства монтируются через крышу, сверху располагается сферическое стекло (форма приближена к типу мансардного окна). Внутренняя поверхность зазеркалена. Благодаря отражающим элементам свет проходит через трубу. Длина может быть разной. Главное – чтобы прошла сквозь перекрытия в комнату.
Снизу (со стороны помещения) установлено стекло с рассеивающим эффектом. Внешне световой туннель напоминает обычный светильник. В некоторых моделях встроена лампочка для работы в ночное время суток. Монтаж по времени и стоимости остается в разумных пределах. При этом устройство позволяет сэкономить на электроэнергии и приборах.
Метод бокового свечения
Система представляет собой светоприемный купол с линзами, которые улавливают и перенаправляют лучи в световод
Подобный способ не требует сложных технических схем, установка занимает немного времени, можно обойтись своими силами без привлечения профессиональных монтажников. Отличие – установка проектора вне помещения, наличие светодиодных волокон.
Рядом с установкой не должны располагаться источники тепла. Диффузор устанавливают с боковых стен. Подобное расположение позволяет осветить комнату так, чтобы не потребовалось дополнительных источников в течение дня. Это актуально для помещений без окон (гардеробные, ванны, кладовки, подвал). Световоды для светодиодов можно изготовить своими руками.
Метод торцевого свечения
Такой способ позволяет создать эффект «звездного неба». Небольшие устройства устанавливаются под потолком, по типу точечных светильников. Солнечное оптоволоконное освещение получается естественным и плавным. Дополнительный плюс – получается необычный дизайн.
Туннели со светодиодными кабелями проводят сквозь покрытия и могут быть как одиночными, так и «расползающимися». Последние требуют точных расчетов, стоимость получается выше стандартных.
Из чего состоят световые фонари
Строение светового фонаря
Световоды работают по такому принципу: свет аккумулируется в верхней сферической части, затем по отражающим поверхностям подается внутрь. Потери составляют от 10 до 40% на каждом метре трубы, до 40% на изгибах. Классический вариант светового туннеля состоит из таких частей:
Внешние части фонарей выполняют из прочных материалов – поликарбонат, оргстекло. Очистки не требует – достаточно дождя. Сбор световых волн больше всего в пасмурную погоду, вечером и утром.
Преимущества
При правильной эксплуатации такие фонари имеют длительный срок службы
Устройства с каждым годом применяются все чаще. Дополнительное естественное освещение устанавливают в производственных помещениях и частных домах. Можно установить световод своими руками в домашних условиях. Монтаж занимает мало времени и сил.
Туннели позволяют сэкономить электроэнергию – по средним данным световоды позволяют тратить до 60% меньше. При правильной установке световодный фонарь служит 10 лет и более – гарантия производителя не менее 5 лет. Устройства теплоизолированы – летом не пропускает тепло, зимой холод (важно для жилых помещений, цветоводства и других).
Световые туннели просты в обслуживании. Есть возможность регуляции освещения. Из дополнительных функций – проветривание, классический светильник (зависит от модели).
Недостатки
При покрытии световода снегом его работоспособность может снизиться до нуля
При всех очевидных достоинствах подобные механизмы имеют несколько минусов, с которыми следует ознакомиться перед установкой. Световод – это устройство, аккумулирующее естественный свет. Поэтому для нормальной работы требуется достаточное количество времени – туннели не подходят для использования в местах с коротким световым днем.
Зимой также могут возникнуть сложности. Если купол будет покрыт снегом, работоспособность и светопропускаемость снизятся, иногда до нуля. Поэтому нужно либо устанавливать другой источник, либо своевременно очищать стекло.
Первоначальная установка имеет высокую цену. Хотя этот недостаток временный – обычный срок окупаемости 2-3 года, а время эксплуатации – более 10 лет.
Применение световодов при освещении частного дома
Использование светового фонаря для освещения коридора
Загородные дома часто оснащают независимыми источниками питания, освещения. Световые тоннели подходят для использования в разных комнатах и помещениях, позволяют экономить денежные средства, поэтому с каждым годом становятся популярнее.
Освещение кухни
Кухня является местом, где готовят еду и собирается семья. Некоторые проводят здесь большую часть времени. Обычно центральным источником света становится потолочная лампа или люстра. Назвать подобный источник идеальным нельзя – отсутствует равномерность освещения, мерцающий искусственный свет вредит глазам.
Световоды создают рассеянный естественный свет, который не раздражает глаза и более привычен глазу. Можно установить один тоннель или несколько маленьких по потолку.
Освещение ванной комнаты
Главное отличие светильников в ванной – требования к безопасности. Высокая влажность создает условия, в которых можно использовать не любой источник. В световодах не используется электричество, нет нагревательных или других элементов. Поэтому туннели считаются наиболее подходящими осветительными устройствами.
Оптимальный вариант – проведение нескольких световых фонарей. Яркое освещение требуется у зеркала, где проводятся многие процедуры: нанесение макияжа, бритье и другие.
Освещение комнаты
Если в комнате отсутствует окно, грамотно подобрать светильники практически невозможно. Ни одна лампа не заменит естественный дневной свет. Решением станут световые туннели. Несколько фонарей позволят в достаточной степени осветить комнату, при этом не перенагружая глаза.
Освещение гостиной
Освещение гостиной световодом
Это помещение считается самым многофункциональным в доме. Хорошее освещение крайне необходимо. Общие источники важны не менее локальных. Если нет возможности прорубить большие окна, можно воспользоваться световодами. Правильный диапазон волн привычного глазу освещения поможет создать уютную атмосферу и сэкономить.
Экономическая эффективность внедрения световодов
Главное преимущество световых тоннелей – экономия финансовых средств за счет моментального снижения затрат и окупаемости. Это заметно в помещениях производственного назначения. Например, в зданиях площадью свыше 100 кв.м. средний расход на 1 кв.м составляет 1500 руб. После установки световодов – сумма сокращается до 600-700 руб. Склады, производства окупают установку системы за 2-3 года (средний показатель).
Выбор источников света зависит от типа помещения, возможностей и предпочтений владельцев. Световоды – это альтернативный способ освещения, который подходит любой комнате.