Úplný odraz a optické vlákna

Keď svetlo prechádza z hustejšieho prostredia do menej hustého pod uhlom väčším ako kritický uhol, úplne sa odrazí späť — to je úplný odraz. Úplný odraz je princíp optických vlákien používaných v telekomunikáciách a medicíne.

Lom svetla — rýchle zopakovanie

Keď svetlo prechádza z hustejšieho prostredia (napr. sklo) do menej hustého (napr. vzduch), ohýba sa od kolmice (myslená priamka kolmá na povrch).

So zvyšujúcim sa uhlom dopadu sa lúč čoraz viac vzďaľuje od kolmice.

Kritický uhol

Pri určitom uhle — kritickom uhle — sa lomený lúč pohybuje pozdĺž hranice prostredí (90° od kolmice).

Pre prechod sklo–vzduch je kritický uhol približne 42°.

Úplný odraz (TIR)

Ak uhol dopadu prekročí kritický uhol, lom nenastane. Svetlo sa úplne odrazí späť do hustejšieho prostredia.

Podmienky úplného odrazu:

Svetlo musí prechádzať z hustejšieho do menej hustého prostredia.
Uhol dopadu musí byť väčší ako kritický uhol.

Poznámka

Odraz sa nazýva úplný, pretože sa odrazí 100 % svetla — na rozdiel od bežného odrazu, pri ktorom sa časť svetla vždy prelomí.

Optické vlákna

Optické vlákno je veľmi tenká sklenená alebo plastová nit. Svetlo vstupujúce na jednom konci dopadá na hranicu sklo–vzduch pod uhlom väčším ako kritický uhol, takže opakovane podstupuje úplný odraz a prechádza pozdĺž vlákna.

Použitie optických vlákien:

Telekomunikácie: prenos internetových a telefónnych signálov ako svetelných impulzov — rýchlejšie a s väčšou kapacitou ako medené káble.
Medicína (endoskopia): lekári pomocou flexibilných vlákien nazerajú do vnútra tela (napr. vyšetrenie žalúdka).
Dekoratívne svietenie: každé vlákno vedie svetlo až na svoj koniec.

Prax: Optické vlákna pre širokopásmový internet

Širokopásmový internet prichádza do tvojho domu ako svetelné impulzy cez sklenené optické vlákna — tenšie ako ľudský vlas. Zakaždým, keď impulz dopadne na vnútornú sklenenú stenu pod uhlom väčším ako 42° (kritický uhol pre sklo-vzduch), TIR ho posunie vpred bez takmer žiadnej straty energie. Signály tak môžu cestovať stovky kilometrov — takmer rýchlosťou svetla.

Prax: Endoskopia v medicíne

Pri gastroskopiách (vyšetrení žalúdka) lekár zavádza zväzok flexibilných optických vlákien do pacienta. Svetlo prechádza vláknami vďaka úplnému odrazu a osvetľuje sliznicu žalúdka; odrazené svetlo sa vracia samostatnými vláknami ku kamere — umožňuje pohľad do vnútra tela bez operácie.

Prax: Trblietanie diamantu

Výnimočný lesk diamantu vzniká vďaka úplnému odrazu. Diamant má veľmi vysoký index lomu (n = 2,42), čo dáva malý kritický uhol asi 24°. Svetlo vstupujúce do diamantu sa opakovane odráža od vnútorných plôch cez TIR, kým nakoniec unikne — vytvára intenzívne záblesky farieb a lesk.

Tip Kde vidíš úplný odraz v každodennom živote? Širokopásmové káble pod oceánmi, lekárske endoskopy, dekoratívne optické lampy a dokonca trblietanie diamantu — všetko vďaka úplnému odrazu!

Cvičné príklady

Aké sú dve podmienky potrebné pre úplný odraz?

Zobraziť odpoveď

1. Svetlo musí prechádzať z hustejšieho prostredia do menej hustého. 2. Uhol dopadu musí byť väčší ako kritický uhol.

Prečo nedochádza k úplnému odrazu, keď svetlo prechádza zo vzduchu do skla?

Zobraziť odpoveď

Úplný odraz nastáva len pri prechode z hustejšieho prostredia do menej hustého. Vzduch je menej hustý ako sklo, takže svetlo pri prechode vzduch → sklo sa láme (ohýba k kolmici) a nedochádza k úplnému odrazu.

Uveď jedno využitie optických vlákien a vysvetli, prečo ho umožňuje úplný odraz.

Zobraziť odpoveď

Príklad: internetové telekomunikácie. Svetelné signály sa odrážajú pozdĺž optického vlákna vďaka úplnému odrazu — zakaždým, keď svetlo dopadne na hranicu sklo–vzduch vo vnútri vlákna pod väčším uhlom ako kritický, sa úplne odrazí a signál prechádza vláknom s minimálnymi stratami.