FIBRE OTTICHE: Come funzionano

Per comprendere il principio di funzionamento è necessario conoscere le basilari leggi che governano i fenomeni ottici.

LEGGI DELLA RIFLESSIONE DELLA LUCE

I° e II° legge della riflessione: dice che se una superficie riflettente molto liscia, con rugosità al di sotto della lunghezza d’onda della luce, viene colpita da un fascio di luce con un angolo detto angolo di incidenza α_i misurato rispetto alla verticale, allora la superficie riflette il fascio di luce con un angolo chiamato angolo di riflessione α_r pari all’angolo di incidenza. Si dice inoltre che il raggio riflesso e il raggio incidente giacciono sullo stesso piano.

 Quindi: la prima legge dice che i raggi stanno sullo stesso piano, mentre la seconda legge dice che il raggio riflesso e quello incidente formano lo stesso angolo rispetto alla normale.

Affinché l’angolo incidente sia uguale a quello riflesso, occorre che la superficie sia liscia ad esempio levigata a specchio, altrimenti:

 la luce si insinua nelle valli della superficie scabrosa quindi viene riflessa con un angolo diverso rispetto a quello incidente. Si dice che una superficie rugosa diffonde la luce ma non la riflette, cioè
proietta la luce lungo diverse direzioni e illumina tutta la zona circostante.

LEGGE DELLA RIFRAZIONE DELLA LUCE

Un fascio di luce, che attraversa prima un mezzo denso e poi in un mezzo meno denso (ad esempio prima l’aria e poi l’acqua), in parte viene riflesso e in parte rifratto. L’angolo di rifrazione α_r’ è tanto più piccolo quando il secondo mezzo è più denso. Tanto più il secondo mezzo (area celeste ) è più denso, tanto più αr’ tende a 0.

Viceversa se passa un fascio di luce attraversa prima un mezzo più denso e poi un mezzo meno denso ( dall’acqua all’aria) l’angolo di rifrazione α_r’ è più grande.

Fra l’angolo di incidenza αi e l’angolo αr’ c’è una relazione proposta da Snell affermando che il rapporto fra i seni dei due angoli, è pari al rapporto fra i due indici di rifrazione dei mezzi attraversati dalla luce.

Tale rapporto è una costante chiamata n₁₂ che dipende sia dai due mezzi che dalle condizioni fisiche come ad esempio la frequenza della luce.

Un esempio di rifrazione è una bacchetta immersa per metà in un bicchiere

Per capire come funzionano le fibre ottiche  bisogna sapere cosa vuol dire riflessione totale.

RIFLESSIONE TOTALE:

Se aumenta l’angolo di incidenza, succede che l’angolo del raggio rifratto tende a 90° rispetto alla verticale cioè il raggio d’incidenza viene rifratto maggiormente.

NB: l’angolo è misurato sempre rispetto alla verticale.

Esiste un angolo di incidenza per cui l’angolo di rifrazione è 90°. Se viene superato tale angolo detto angolo limite, il fascio di luce non viene più rifratto ma viene soltanto riflesso. In altre parole il raggio incidente rimane incapsulato nel mezzo più denso.  

Questo è il principio di funzionamento che governa le fibre ottiche; infatti le fibre ottiche sono degli elementi che permettono di catturare la luce e non farla uscire fuori. Tale fenomeno avviene perché le fibre ottiche hanno indici di rifrazioni tali da catturare il fascio di luce e guidarlo fino all’uscita senza farlo fuoriuscire. Evidentemente l’indice di rifrazione interno delle fibre ottiche è maggiore di quello che c’è all’esterno.

Graficamente:

il fascio di luce entra nella fibra e poi non può più uscire. In qualche modo la fibra ottica ha un involucro impermeabile alla luce perché l’angolo di incidenza del fascio luminoso è maggiore dell’angolo limite.

Quindi, per ciò che si è detto prima, la parte interna della fibra deve essere più densa, mentre la parte esterna deve essere meno densa così da evitare la fuoriuscita del fascio di luce.

Il diametro di una fibra ottica è dell’ordine di 120 μm.  

1μm = 1/1000 mm.

Riepilogando:

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre la luce. Sono normalmente disponibili sotto forma di cavi e si può schematizzare così.

Il cuore (1) che è proprio la fibra che ha un indice di rifrazione molto alto.

Attorno al cuore viene avvolto un mantello (Cladding);

Il buffer serve a raccogliere la luce che è riuscita a scappare. Infatti anche se poca, un pò di luce non viene riflessa.

Infine il Jacket ha il compito di proteggere la fibra dall’ambiente esterno.

Si tratta di elementi usati prevalentemente nel campo delle telecomunicazioni: reti per la trasmissioni di dati via internet con la connessione ADSL;

Vengono utilizzate anche nel campo dell’illuminotecnica ed inoltre si realizzano strumenti di misura di spostamenti estremamente sofisticati.