воскресенье, 28 февраля 2016 г.

18. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 18

Оптоволокно. 5-ый кусочек про полосу пропускания и ее ширину.

Предыдущие кусочки этой части:
1 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/14-14.html
2 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/15-15.html
3 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/16-16.html
4 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/17-17.html

Из первой части остался неразобранным только один вопросик:
5. Как влияет мощность света?

Мощная вспышка всех пугает


Поглядим, пощупаем, как говорится...

Приступаем к копанию в относящихся к теме материалах и временно отключаем сопротивление мозгов. Потому что на начальной стадии ознакомления с новым вопросом важно не отсекать даже самые мелкие нюансы, а ум невероятно любит цензуру и может легко признать глупостью замороченное ценное уточнение (лишь бы не обдумывать его потом).

Пускай не всё в информации является истинным, зато каждый изгиб чужой мысли может подсказать направление для вашего собственного внимания.

Итак, смотрим на всю информацию глазами первооткрывателя и пытаемся совместить даже несовместимое. Вот такие игры разума без правил сейчас получаются у нас.





Снова обратимся к премудростям фотографов. Мастера ловли мгновений жизни сильно зависят от света и поэтому много над ним экспериментируют.
Для  начала посмотрим на простую картинку, объясняющую так называемый "закон квадратов":


А теперь смотрим на картинку, объясняющую работу фито-лампы (подсветка для растений):

С первого взгляда через каждый метр плотность светового потока уменьшается вдвое,
но это не совсем так

Что мы видим? Красивая пирамидка.
На расстоянии 1м от лампы мощность (уровень излучения) стала вдвое меньше (если сфокусировать луч на площади в 0,31 м2).
А на расстоянии 2м от лампы мощность еще упала в 2 раза (если сфокусироваться на 1,1 м2).

Смотрим внимательно на картинку. Сколько же "µмолей" на 1 квадратный метр поверхности получают растения на удалении от лампы в 1м и 2м.  Это 40 и 10,45 соответственно.
Из-за этих цифр кажется, что поток света ослабевает на расстоянии от лампы, и свет как бы исчезает. Но в действительности это не так. Как говорится - обман зрения. Просто площадь пятна света увеличилась.

Теперь включаем ум и продолжаем рассуждать.
Смотрим на картинку - на расстоянии 1м от лампы мы вроде бы используем весь падающий свет (на площади 0,31 м2), а на расстоянии 2м от лампы в расчет как бы берется уже только часть этого света - только 1 м2 (из пятна в 1,1 м2).

Наше подсознание считывает всё нюансы полностью.

Еще раз внимательно проследим, как с помощью картинки подменяется смысл в подсознании:
На 1 уровне (1м от лампы) площадь измерения меньше 1 м2 (0,31 м2).
Как же измерить плотность света на 1 м2? А поступают просто - измеряют, предположим, мощность света на 1 квадратном сантиметре в этом месте и "растягивают" полученное значение на 1 м2 (экстраполируют).
На втором уровне (2м от лампы) делают то же самое.
Вроде бы логично и правильно. Однако, что-то здесь не так. Вам не кажется?

Будем разбираться в своих сомнениях.

Попробуем "копать" с цифрами в руках и начнем с того, что общее количество света на 1м и на 2м от лампы должно быть одинаковое. Свет ведь не пропадает на этом расстоянии в никуда.

Исходя из указанных на картинке значений и единиц измерения считаем общее количество света (плотность) на двух уровнях "пирамидки":
1 метр от лампы:    40 х 0,31м = 12,4 µмолей в секунду
2 метра от лампы:  10,45 х 1,1м = 11,495 µмолей в секунду

Примерно одинаково. А должно быть совсем одинаково.

"µмоли" - это мощность излучения лампы (плотность потока). Кстати, здесь "закон квадратов" тоже работает - на расстоянии 2 метров мощность упала в 4 раза. Однако, вы обратили внимание, что на рисунке для фито-лампы уже появился угол в 30 градусов? Это важное уточнение.

Даже несмотря на разницу полученных значений общего количества света для 1м и 2м от лампы, мы всё же видим, что общая мощность излученного света примерно одинакова на 1м и на 2м, только при 2м от лампы мощность рассеяна на большей площади.

На этом этапе рассуждений у вас уже должно совсем исчезнуть впечатление, создавшееся от первой картинки для фотографов, что свет стремительно исчезает с увеличением расстояния от лампы. Образ в подсознании восстановлен.

По уточненной нами логике, для более узкого луча света показатели в "законе квадратов" уже не будут работать, ведь световое пятно при узком луче будет меньше на расстоянии 1м и 2м, чем ранее при широком луче. Свет будет меньше рассеиваться по площади.
Посмотрите на такую картинку:


Закон квадратов в зависимости от расстояния не работает?
Вы всё еще не понимаете смысла рассуждений?
Теперь вспомним про страшный школьный тангенс:


У нас в картинке про фито-лампу имеется угол света в 30 градусов. И мы можем сами посчитать расстояние от лампы, на котором мощность света будет падать ровно в два раза.

В нашем распоряжении имеется:

30° - это угол луча света. Но для расчета через треугольник используем половину угла, то есть 15°.

tg 15° = 0,2679491924 (по таблице Брадиса). Школьная программа.

Площадь светового пятна = 0,31 м2 (из картинки для фито-лампы - при таком пятне мощность упала у них в два раза).

Высчитываем радиус пятна света из формулы площади круга: S=πR².
R =  √(S/π)
R =  √(0,31/3,14) = 0,3142 м (это у нас ВС на картинке про тангенс)

Из формулы тангенса (смотрим картинку выше):
0,2679491924 = 0,3142 : АВ
Отсюда:
АВ = 0,3142 : 0,2679491924 = 1,17 м (отличается от заявленного 1м).

Мы получили расстояние (АВ) от лампы, на котором мощность падает ровно в два раза при том, что мы используем свет, выходящий углом в 30° (кстати, угол - это здесь по смыслу апертура, см. - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/11-11.html).

По такой же схеме считаем для второй точки, где мощность света упала еще вдвое.
АВ для новой точки = 2,2 м (от лампы).

В итоге у нас получается, что на расстоянии 1,17 м плотность потока падает в два раза. И в четыре раза на расстоянии 2,2 м.

А вот если мы увеличим угол луча света вдвое до 60°, то получим:
АВ = 0,544м для первого падения мощности (плотности) в 2 раза и
АВ = 1,025м для еще одного падения мощности в 2 раза (всего в 4 раза).

Как видим, угол выхода света из лампы имеет огромное значение.

Промежуточное замечание - если вы помните из предыдущих частей, я настаивал на том, что необходимо очень тщательно следить за образами, которые у вас откладываются в голове в процессе освоения нового материала. Это надо для того, чтобы не потерять связующую нить между образами в вашей памяти.

Подсознание не может само вставлять из памяти вместо дефектного образа нормальный.

В случае ошибки для коррекции неправильного образа надо напрягать ум и усилием Воли переписывать образ в памяти.

Когда думается быстро, подсознание, словно компьютер, оперирует правильными образами и спотыкается на неправильном образе, зависает или проскакивает не в ту область памяти, которую надо сейчас использовать для понимания процессов. От этого человек не может сосредоточиться.

В принципе много думающий человек просто шлифует свой банк образов, выкидывая дефектные и записывая новые.

Внимательное рассмотрение только этих двух картинок выше уже позволяет понять, что полученный от них образ в голове вполне может исказить истинное понимание жизни света. Ведь от их просмотра появляется впечатление, что свет может исчезать в никуда даже от короткого пройденного расстояния, а это не так. На самом деле свет живет не в зависимости от расстояния и не теряет мощности от пройденного пути, как будто устает или обладает свойствами брошенной горсти муки, или будто свет - это пар из утюга. Смешно так думать.

Свет - это частота и может исчезать от самоуничтожения (наложение волн в противофазе) или свет смешивается с другими частотами. Это выглядит как поглощение (еще одна интересная тема).

Теперь, после небольшой прогулки по расчетам, вернемся к образному мышлению.

Мощность света в волоконной оптике.

Представьте себе двигатель, который раскручивает пропеллер или винт. В воздухе трудно увидеть получающуюся спираль, зато можно увидеть под водой.
В коротком ролике от винта под водой виден след скручивания воды. Так же, примерно, как и скрученная вода, выглядит частота (крутящаяся синусоида), несущаяся с огромной скоростью в пространстве. Только синусоида вкручивается в пространство.


С увеличением частоты вращения лопастей винта толщина струи позади движка несомненно увеличится. То есть диаметр следа увеличится.

Так же и с синусоидой света. Если "поддать оборотов", диаметр пружинки синусоиды увеличится, то есть увеличится амплитуда синусоиды.



По смыслу образов, при наложении одной частоты на другую, получается так, что несколько пружинок-синусоид как бы вкладываются друг в друга в виде матрешки и разгоняют общие обороты, а уже от этого увеличивается их общий диаметр.
Теперь про оптоволокно.
Что будет, если мощность (плотность) света увеличивать? Неужели любой напор света удержится в тонкой нитке волокна?

По опыту с электричеством известно, что тонкий провод просто сгорит от большого "напора" электричества (тоже интересная тема для построения правильных образов).
То же самое будет и с оптоволокном - оно сгорит от попытки прогнать через него сверх большой поток энергии.

В этом месте предлагаю остановиться на вопросе упорядоченности отдельных частот в общем потоке света. Есть понятие "когерентность" - согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени. Посмотрим, что это такое.

Как вы думаете, в луче белого света все присутствующие частоты "летят" как попало или в общем каком-то строю? См. картинку ниже:


Мне больше верится в то, что все лучи имеют одно направление в "струе" света.
Причем все частоты имеют вид пружинок-синусоид и вложены одна в другую. Поэтому при направлении двух потоков света навстречу друг другу в стеклянной трубке будет происходить интерференция (складывание частот) и получится примерно такая картинка:


Я это не проверял.Только в теории.

А может белый свет от фонаря напоминает укладку частот в матрешку?
(См.подробнее про укладку частот в матрешку тут - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/16-16.html ).

"Матрешка". Каждая частота-синусоида вложена более высокую частоту-синусоиду
А теперь посмотрим на такой "всплеск" волны:

На схеме прослеживается зависимость цвета от величины гребня "всплеска" (температура). И действительно, цвет связан с температурой (на схеме цвета неправильные).
Представьте, что на схеме показано, как один из витков каждой "пружинки"- синусоиды вложен в другой. Получается как бы поперечный полусрез общей "струи" света (белого цвета). Замечу, что эта схема используется только как формула, а не как образ цветовой температуры.

А теперь для прикола посмотрим на вторую схему ниже - заметьте несоответствие раскраски волн на предыдущей схеме, и такое несоответствие собьет ваш образ по цветовой температуре, если вы его запомните. Видите, как важно иметь правильный образ в голове? Для понимания цветовой температуры запоминать надо нижний вариант расцветки.



После всего сказанного можно поговорить о зависимости мощности света и полосы пропускания.

Мощность света - это плотность потока света. Вполне логично представлять это водяной струей. Тогда можно предположить, что мощность струи света можно наращивать повышением давления в световом потоке. Так же как и повышением давления в трубопроводе можно получать мощную струю воды.

Пожарный катер


Итак, вывод.

Мы подобрали разные понятные образы. И на основе уже достаточно ясного образного представления о свете в волокне, как об упорядоченной, крутящейся "струе" в "трубопроводе", можно сказать, что "повышение давления" (наращивание мощности света) в волокне приведет к изменениям характеристик оптоволокна в лучшую или худшую сторону. Соответственно, это повлияет на полосу пропускания. Во всем нужна мера.

На этом про полосу пропускания заканчиваю.

Не считайте мои размышления истиной. Это всего лишь попытка придать вам способность мыслить образно при помощи конкретных знаний из волоконной оптики.

Продолжение про оптику и волокно, как говорится, в следующих выпусках нашей программы.
 
Можно обнять весь Мир, если уметь мыслить образно. 



Благодарю за внимание.
С уважением, Виктор Мирошкин

понедельник, 22 февраля 2016 г.

17. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 17

Оптоволокно. Продолжаем рассматривать полосу пропускания и ее ширину.

Предыдущие кусочки этой части:

1 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/14-14.html
2 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/15-15.html
3 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/16-16.html

Мы еще не закончили рассматривать вопросики, заданные самим себе в 1-ом кусочке части про полосу пропускания. Берем следующий из них:

4. Как влияют свойства стекла? То есть можно ли подобрать стекло получше для увеличения ширины пропускания? 

Для начала один волшебный факт:

Теплопроводность кварцевого стекла на один-два порядка меньше теплопроводности кристаллического кварца. У кварцевого стекла при повышении температуры теплопроводность увеличивается, а у кристалла – уменьшается. Прикольно для вещества одного химического состава.

Удельный вес кварцевого стекла (г/см3) - 2,2
Удельный вес горного хрусталя - 2,65

А теперь переходим к нашему вопросу.
Исходя из термина "окно прозрачности" можно представить себе окно в стене, через которое проникает свет. Или можно представить себе более сложный образ - объектив фотоаппарата, в котором применяются стекла с разной степенью прозрачности.



Естественно, что более прозрачное стекло лучше для прохождения света. 
Наверное, вы слышали, что объективы кино- и фото-аппаратуры имеют очень даже разную стоимость из-за разных параметров. И одно из главных качеств объектива - это "светосила". Другими словами, светосила - это способность пропускать больше света на матрицу. Логично, что "прозрачность" очень важна для фотографии и кино - кадры будут четче и яснее. 

А что же влияет на прозрачность?
Есть ли жизнь в стекле и как с ней "договориться"?

Не вдаваясь в сложные формулировки, можно сказать, что свет особенно не любит переходов из одной среды в другую.

При каждом переходе между средами обитания свет хотя бы чуть-чуть, но ломает свою структуру и меняет направление движения, расслаивается. К слову, подозреваю, что любая частота (человек тоже набор частот) также не любит резкой смены обстановки.

Интересно, как с негативными эффектами переходов света из среды в среду борются при производстве объективов - наносят на объективы пленки, "смягчающие" проход света в стекло линзы. Это называют - "просветляющее покрытие".

Просветляющее покрытие уменьшает отражение света от линзы
Заметьте, что просветляющее покрытие многослойное.

В этом месте рекомендую посмотреть ролик про интерференцию. Фильм сделан качественно еще в СССР и поэтому вполне понятен.

Интерференция света - 1977


Если ролик не открывается, вот другая ссылка - https://youtu.be/tzlNh4SMeJk


Не забывайте, что любую информацию надо рассматривать критически.

Из фильма вы должны понять, что волны могут складываться и при этом они будут усиливаться или уменьшаться. Всё зависит от фазы волны или по простому - всё зависит от направления движения, как в жизни, то есть в одном случае кто-то идет с вами по пути и увеличивает возможности, а в другом случае прет вам в лоб и гасит все движения.
И такое понимание нам еще пригодится.

Теперь расшифрую смысл "просветления" линз

Если вы будет искать ясное объяснение механизма просветления линз в книжках и в интернете, то столкнетесь с непониманием этого механизма авторами статей или с неполным объяснением, что тоже плохо. Ниже характерный пример такого объяснения просветления на картинке:

Туманные намеки, а не объяснение
 

А смысл вполне прост - представьте себе густой поток пассажиров в час пик, движущийся к турникетам. А навстречу им от турникетов движется поток забывших купить билетики. В итоге движение к турникетам будет испытывать противодействие.


То же самое и с линзами - отраженный свет от поверхности линз бьет обратно по входящему в линзу свету - частично рассеивает его и гасит.

Чтобы такое явление уменьшить, отраженный от поверхности линзы свет технически гасят (об этом говорят при упоминании интерференции с помощью пленок). Тогда входящий свет не испытывает противодействия и проходит более хорошо в линзу - яркость картинки усиливается.


 
Отраженный свет от поверхностей "А" и отраженный свет от поверхности "Б" взаимогасятся -
это рассмотрено в ролике про интерференцию.
Тем самым входящий "СВЕТ" уже не гасится отраженным светом и проходит в стекло лучше 


Хватит пока про вход света в линзы. Нас интересует движение света в стекле.

Представьте себе путь света в линзе и путь света в волокне. Невероятная разница по длине пути.
Говорят, при прохождении света сквозь непросветленную (без пленки) линзу световой поток ослабляется на 1 % на каждый сантиметр толщины стекла. То есть при 100 см толщины такой же линзы свет практически потеряется полностью. А волокно ведь имеет километры как бы "толщины" стекла.

Пробуем разобраться и включаем образное видение процессов - представим массовый забег из нескольких тысяч участников по широкому шоссе. А также представим забег десятка спортсменов по дорожке стадиона.


Вероятно, никто не будет спорить, что хаосная толпа  тысяч участников заметно труднее преодолеет то же расстояние, что и десятка спортсменов на дорожке стадиона?

Таким образом из приведенного образа бегунов становится понятно, что свет в волокне движется куда более прямолинейно, чем в линзе, где хаос световых лучей очень высок. Из-за хаоса направлений лучей общий свет в линзе теряет силу гораздо быстрее, чем в волокне.

Можно было бы с удовольствием и еще порассуждать о линзах и приемах в фотографии, но в этой части нам важнее свойства стекла, применяемого в волоконной оптике.

Расплавленное стекло

Кстати, стекло - это вполне пластичный материал и при определенном нагреве ведет себя как густая смола, а при остывании держит форму. Еще относительно недавно ученые считали, что стекло никогда не прекращает течь, и нам, думали они, только кажется, что стекло не меняет форму, а на самом деле стекло постоянно стекает вниз, но очень медленно. И поэтому оконные стекла, якобы, с годами становятся толще внизу.
Рассмотрим и этот вопрос. Возможно, что пригодится для понимания.

Жидкости.

По поведению расплавленного стела его можно отнести к жидкостям. И, как вода, стекло "замерзает", становясь "льдом".

Если ролик не открывается, вот другая ссылка - https://youtu.be/ucS58rMK5xc


На видео прозрачный лед.

Кстати, в наше время открываются всякие чудеса. Например про то, что во льду могут жить бактерии и черви.

"Замороженное" стекло - это среда обитания света. Свет будет в ней жить долго, если только не самоуничтожится (вспомним про интерференцию в ролике выше).

Вернемся к текучести стекла. 
По смыслу стекло - это такое же вещество, как и всё остальное в нашем Мире. И как гласит поговорка - нет ничего неизменного в этом Мире. Однако текучесть - это свойство менять форму под воздействием сил, в частности под воздействием силы тяжести. Таким образом, стекло будет течь только тогда, когда внутренние силы, удерживающие вещество стекла в равновесии, будут слабее внешних сил.
То есть стекло должно иметь внутреннюю пластичность, должно быть способно свободно перемещать свое вещество. А это возможно только при отсутствии прочных связей в веществе. То есть застывшее стекло не будет течь, потому что уже не имеет пластичности.



Теперь объясню смысл всего нагромождения материала в этом посте.

Тема здесь про влияние стекла на ширину полосы пропускания. 
Как вы уже догадываетесь, свет может жить в стекле довольно долго и без потерь. Его энергия теряется только при переходе из одной среды в другую. А также потери энергии света могут происходить при встрече с инородными включениями в стекле - при этом произойдет поглощение энергии света инородным веществом (об этом явлении отдельно надо говорить).
То есть все потери света фактически объясняются выходом части лучей наружу из волокна и поглощением энергии света отдельными компонентами стекла. Например, одну часть спектра любит "есть" кварц, другую германий, третью фосфор, еще что-то забирает кислород - это в теории.

А на практике получаются "окна прозрачности" - это те диапазоны частот, которые стекло не заинтересовали. То есть волны одной длины в волокне проходят, а другие нет или почти нет.

Вывод - для наилучшего прохождения наиболее широкого диапазона частот (длин волн) сквозь стекло оптоволокна необходимо искать определенный состав стекла, имея в виду поглощение энергии света веществами, то есть стоит очень хорошо разбираться в самом механизме поглощения света веществами, на уровне образов

А в конце этой части подумайте о том, что свет и стекло не интересны друг другу, поэтому проходят друг сквозь друга без взаимодействия. Мы почему-то думаем, что только свет проходит через стекло, а не наоборот.
Подумайте по другому и вспомните о сказках про прохождение людей сквозь стены, словно стены прозрачны. Может это стены проходят сквозь человека?

На этом полет своей фантазии пока заканчиваю. Продолжение будет.
Благодарю за внимание.
С уважением, Виктор Мирошкин.

P.S. - Говорят, что в Пенсильвании ученые сделали волокно с новой добавкой, которая расширила диапазон полосы пропускания. И цвет света даже стало передавать легче - это говорит о "не размытии" изначальной длины волны. Но пока об этом мало материала. Возможно, что это не утка.


Дополнитедьно:


Египетский морок (видео)
http://vimstory.blogspot.ru/2016/12/blog-post_24.html

Египетский морок-2
http://vimstory.blogspot.ru/2016/12/2.html

Уже только ленивый не знает, что потоп был недавно
http://vimstory.blogspot.ru/2017/04/blog-post_9.html

Сравнение церквей России с храмами Индии. Много общего. (+ книга)
http://vimstory.blogspot.ru/2017/04/blog-post_7.html

 ---

вторник, 16 февраля 2016 г.

16. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 16

Продолжаю часть про ширину полосы пропускания.
Предыдущие кусочки этой части:
1 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/14-14.html
2 - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/15-15.html

Теперь подоспел следующий вопрос - При чем здесь частота и длина волны?

Имеется в виду связь с шириной полосы пропускания. И не думайте, что мы топчемся на месте. Просто внимательно рассматриваем "слона"со всех сторон.

Длина волны и частота, как мы уже знаем связаны напрямую.

Поищем же теперь зависимость полосы пропускания от длины волны и частоты.
Как было разобрано ранее, полоса пропускания - это диапазон частот, то есть можно сказать, что это и диапазон длин волн тоже.

Переходим на образы.

Предположим, что у нас имеются спортсмены разной комплекции - адепты спорта наперегонки, бегуны и ходоки. Взглянув на них, мы вдруг узнаем, что каждый из "спортсменов" разного роста и толщины, к тому же каждый приспособился к определенной любимой "дорожке". 
А нам, предположим, поставлена задача сделать максимально удобную соревновательную "дорожку" для максимально широкого круга участников забега.

Вот такая же примерно по смыслу задача ставится и для световедущей жилы (как бы "дорожки" в волокне). Чтобы все "спортсмены", то есть волны разной длины прошли свой путь без запинки и с задоринкой, донеся всё, что прихватили с собой без потерь. И чтобы не подрались между собой, и ни при каких условиях ничего не отняли друг у друга.

Универсальная дорожка для лучших показателей всех участников

Не устали от образов? Может перейти на язык формул и определений?



Надо сказать, каждый незнайка пугается строгости официальных определений и формул. А мы посмотрим на механизм восприятия формул и определений незнайками. Например, есть вот такая страшная формулировка:
Зависимость ширины пропускания от длины волны называют спектром пропускания.

Любое не до конца понимаемое определение выглядит сжатым, без расширяющих понимание уточнений. А подсознание стремится декодировать и расширить любое сжатое определение, превращая неживое в нечто образное и живое. Словесная формула как бы разархивируется в уме в нечто понятное на бытовом уровне.

Продвинутый незнайка, вероятно, на слово спектр отреагирует мыслью о чем-то цветном, и нарисует себе в голове, например, цветные ворота, цветные стеклышки, цветные лучи и тому подобное - всё в цвете. А также ему может привидеться "чудесный прибор" фантастической формы, умеющий определять спектр пропускания. Или этот прибор вдруг представится ему в виде знакомого образа ворот с проверкой пропусков у оттенков света и пропусканием сквозь ворота только определенных цветов.
И последнее представление будет правильнее в принципе, хотя и проще по виду. Хороший образ дает более глубокое понимание.

"Спектр пропускания" в уме незнайки

Вернемся из сказочного состояния.
В реальности  у нас имеется стеклянное волокно. И для него есть настоящий график зависимости затухания от длины волны:


График зависимости затухания от длины волны

Из кривой рассеивания на графике логически понятно, что длинная волна легче пробегает свой путь в "стеклянной атмосфере" нашего волокна, чем более короткая волна. Образно говоря, у длинной волны меньше теряется "веса", то есть она как бы меньше потеет при пробеге, меньше затрачивая сил. Можно представить, что у самой длинной волны путь короче, потому что она самая прямая

Если и дальше рассуждать образами, можно подумать о змеях и додуматься до того, что змейка с каждым лишним изгибом тела более медленно ввинчивается в пространство, а более прямолинейная змея, малоизгибающаяся телом, окажется побыстрее. 

Ассоциация змеи с синусоидой - что-то в этом есть!
  

Не зацикливаемся на змеях. Рассуждать надо легко и непринужденно, переводя внимание с одного образа на другой.
Теперь вопрос - а за счет чего "спиральки света" движутся? Неужели луч как бы ввинчивается в пространство за счет своего верчения вокруг оси? На ум приходят штопоры и усилия по их вкручиванию во что-то подходящее:



Каждому штопору надо сделать разное количество оборотов
для ввинчивания на одинаковую глубину ( путь )


Как вам нравится образное мышление? Продолжим задавать неудобные вопросы?

А почему лучи летят в пространстве с огромной скоростью? Что их толкает? Может, они и правда просто вкручиваются в среду? В таком случае, длинна волны или количество витков пружинки штопора, конечно, имеют значение. Но я пока не могу ясно объяснить на образах, почему длинная волна лучше проходит стекло, чем более короткая длина волны. Копаю дальше.

Ищу другие понятные образы из жизни. Теперь представим тонкий луч из мощного фонаря и сравним с лазерным лучом.


Даже глядя на картинку, не проводя собственный опыт, ясно понятно, что лазерный луч легче преодолевает расстояния.

Белый свет фонаря смешанный, с длинами волн от 380 до 700 нм (видимый нами диапазон). Такой свет быстро рассеивается.
В лазерной указке одна длина волны (например, 405 нм, 593 нм, 635 нм), но мощность узкого луча указки в разы выше, чем у такой же толщины части луча фонаря. В фонаре как бы множество указок, но со слабой мощностью.
Этот образ нам ничем не помог, но интересно было попробовать его применить здесь. Может потом пригодится. :)

Идем дальше, и теперь еще один подтверждающий факт о спиралях света.
Заголовок статьи гласит:

"Физики создали микроскопические кремниевые источники закрученного света" (ссылка)

Судя по заметке, лазерный (?) луч рассеивается в линзах так, что получается видимый пучок типа веника. При этом заметно закручивание света в спираль. По крайней мере так это выглядит на фото:

Скручивание света

Хотя ученые мутно намекают про искусственное закручивание движения неких фотонов, мне это видится по другому - луч лазера и так закручен по Природе, а ученые его просто рассеивают с помощью линз.

Кажется, из всего веера образов, выложенных в этой части, вам уже хочется, наконец-то, понять зависимость ширины пропускания от длины волны или частоты.

Выстраиваю свою гипотезу на ваших глазах: 

Вспомним про мой намек на то, что при увеличении частоты отдельного луча диаметр его спирали увеличивается. Еще раз напомню, что спираль - это объемное видение синусоиды.

При увеличении частоты диаметр спирали увеличивается

То есть при увеличении частоты спираль всё больше скручивается и расширяется. Грубо говоря, внешний вид "луча" меняется от почти прямой линии до туго скрученной пружинки.

Если выделять отдельные частоты цветом, мы получим набор вложенных друг в друга трубок или спиралей. Все они вертятся вдоль общей оси и в одну сторону, но с разной скоростью. Причем ближе к поверхности скорость вращения слоев, наверное, возрастает (пока это не продумал окончательно).
Диапазон частот от фиолетового до красного -
"каждый охотник желает знать, где сидит фазан" - белый свет в сумме

Мне эта конструкция на верхнем рисунке напоминает сложный бур. А по сути это графическое представление некоторой ширины полосы пропускания. Объемные синусоиды, пружинки частот от фиолетового до красного цвета нанизаны друг на друга.
На нижней картинке отдельная частота в виде простого бура.

Так выглядит простой бур

Еще предполагаю, что более успешное прохождение своего пути без потерь мощности будет у внутренних "трубок" (у более низких частот с более прямой линией синусоиды). Это еще обусловлено энергетической подпиткой (помощью) и защитой внутренних слоев внешними слоями (с более высокими частотами). Каждый внешний слой служит защитой и помощником для ближайшего внутреннего слоя. Сначала иссякает мощность наружного слоя.

Добавлю, что по собственному опыту все знают, как низкие звуки хорошо слышны за стеной, а высокие глохнут. Длинные волны звука проходят сквозь стену лучше. 

Теперь замечу, что зависимость прохождения света в волокне от частоты (длины волны) никак не объясняет хорошую проницаемость физических объектов очень высокими частотами (диапазон рентгеновского излучения). Это другой клубок, который распутывается не такой прямой логикой, как здесь.

На этом месте, пожалуй, можно остановиться. Зависимость полосы пропускания от частоты и длины волны уже достаточно заметна и образно подтверждается.

Посмотрите еще видео про магнит и металлические опилки. А потом задайтесь вопросом - что действительно двигает опилками? Неужели "магнитное поле"? А я в следующих частях обязательно расскажу о своем видении этих процессов.



Эх, это я еще не обращал внимания на резонанс. А ведь это интересная штучка.
Вспомните также про вихри и ураганы, смерчи и молнии. Об этом можно тоже поговорить.

А пока благодарю за внимание.

С уважением, Виктор Мирошкин.

P.S. - не забывайте ставить отметку о своем впечатлении - мне это важно.

воскресенье, 14 февраля 2016 г.

15. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 15

Продолжаю часть про полосу пропускания. Ее начало здесь - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/14-14.html

Но сначала расскажу про обещанное новое видение мною синусоиды. Во вступлении не напрягаясь смотрим про синусоиду из общеизвестного:


После того, как мы узнали из представленного выше видео, что на плоскости синусоида выглядит волной, предлагаю посмотреть на синусоиду по-новому, в объеме, то есть в 3D - как на пружинку (нижняя синусоида):

В нижнем варианте синусоиды проглядывает пружинистое тело спирали
Вот так теперь я вместе с вами вижу синусоиду - в виде пружинки. Наверное, вы скажете - что же в этом нового? И так это известно! И будете правы, но не совсем. Дело в том, что видеть пружину в синусоиде как бы не совсем принято в науке и технике. Привычнее видеть волну в плоском виде.


Наверное это странно, но в Мире нет ничего нового, зато каждый раз появляются глаза, по-новому смотрящие на Мир. И каждый по-новому смотрящий на Мир видит его по-своему. Такими новыми "взглядами" не только выстраивается общая картина всего многообразия Мира, но этими же новыми взглядами разбиваются старые, ошибочные взгляды и представления.

Казалось бы, когда я как бы по-новому увидел синусоиду, это оказалось никому не нужным, новым лишь для меня. И пусть так. Однако после этого личного открытия, возможно, я смогу так осознать и описать свое новое видение синусоиды, что мой взгляд окажется последним недостающим штрихом для других людей в их совершенной картине Мира - тогда они увидят давно известное в новом свете. В дальнейшем они добавят к полученному "новому" свои дополнительные краски. Таким образом мы общими усилиями будем открывать всё новые и новые чудеса вокруг нас.

Шанс делать открытия есть у каждого начавшего задумываться.



Мои умствования насчет синусоиды необходимы для пояснения момента пробуждения в человеке творца.

А ниже, наоборот, пример глушения творца:

Предположим, Вася образно хорошо представляет, что такое синусоида, а Петя знает только  формулу: y=sinA (синусоида).
Вдруг Петю озаряет, что синусоида - это еще и пружина. Он говорит об этом Васе.
Вася вяло сообщает, что об этом знает каждый. Ему скучно в этот момент с "тугодумом" Петей.
А Петя теперь думает, что его озарение - это глупый самообман и не надо позориться лишний раз. Ему тоже скучно с Васей.
На этом этапе "сотрудничества" творчество умирает в обоих.

А вот если бы Вася заинтересовался тем, что же нового "увидел" Петя, включился бы в обсуждение заново открытой "пружины", то их совместный разбор видения синусоиды может быть и не вылился бы в нечто непредсказуемое для обоих в виде открытия, зато им бы понравилось глубокое обсуждение темы, и в итоге, скорее всего, получились бы два начинающих творца, умеющих "складывать и умножать", а не только "делить и отнимать".

Именно на уровне заинтересованного обсуждения получаются новые прорывы и открытия.
Так что вперед и с интересом за новыми "пружинами"!


Про пружину еще не всё сказал, но перехожу пока к ширине полосы пропускания.

В этой теме у нас по порядку следует разобраться с вопросом № 2 из предыдущей части про полосу (http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/14-14.html):
Как она (полоса) зависит от затухания? 

Итак, коллеги незнайки, предположим, что мы с вами еще не совсем в курсе, как реально выглядит свет, идущий в оптоволокне, и нам неведомы его пути. И раз вы всё еще читаете эти строки, то значит вам интересно жить и открывать что-то новенькое.
Всего мы знать, по определению, конечно же, не можем, зато свободны строить любые предположения в любых областях, не считаясь с авторитетами - это главное правило исследователей, начиная с детства. Хотя всё же стоит прислушиваться к специалистам, чтобы лишний раз не упасть.
 
Борец со скукой

Специалисты говорят, что ширина полосы пропускания напрямую зависит от затухания.
То есть, (напрягитесь) полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений (затухание сигнала малó).
По этому поводу припоминается схема измерения полосы пропускания, уже приводимая ранее:


Получается, что полоса пропускания - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала превышает некоторый заранее заданный предел, обычно = 0,5.

На схеме выше - от амплитуды срезается 3 дБ, что как раз и означает 0,5 сигнала. То есть сигнал как бы затухает в два раза. И по получившемуся диапазону (3100 Гц) говорят о ширине полосы пропускания. Чем шире получается полоса, тем быстрее передается информация - это логично. А для наглядности вспомним компьютерный шлейф - чем он шире, тем шустрее работает этот канал связи:

Делаю вывод: логически получается, что чем лучше проходит сигнал в волокне, тем выше амплитуда сигнала на выходе, тем выше планка, срезающая 3 дБ амплитуды и тем шире полоса пропускания.

На схеме слева наглядно показана связь увеличения полосы пропускания с высотой амплитуды
Добавочное подтверждение правильности озвученного мною вывода - при увеличении длины волокна уменьшается ширина пропускания, потому что увеличиваются потери света, то есть растет затухание.

Зависимость полосы пропускания от длины волокна

Итак, зависимость ширины полосы пропускания от затухания сигнала мы нашли. Это будет еще одним кирпичиком в понимании Мира.

А сейчас добавлю еще одну мысль про "пружинки".

Представьте себе сверло или штопор, которые ввинчиваются в провод. Представили? Ниже объясню, зачем это надо представлять.


Посмотрев на картинку выше начинаю рассуждать:
Если свет - это частота в виде спирали, то и все остальные частоты такие же спирали. Значит электрические колебания - это тоже синусоиды в виде спиралей.
Получается, что по такой теории электрический ток можно представить спиралью в проводе. Как бы штопор в трубке.
При малой частоте длина волны большая и бегущая волна напоминает скорее прямую. Ей удобно двигаться даже по тонкому проводу, не выскакивая из него.
С повышением частоты увеличивается количество витков штопора. А "скорость электричества" не меняется.
Таким образом увеличивается скорость бега по спирали, увеличивается центробежная сила - как бы увеличивается занос на каждом витке.


Получается так, что с увеличением частоты диаметр штопора увеличивается. И для удержания этого "вихря" в проводе толщина "трассы" для тока должна быть увеличена - провод нужен потолще.
Вид спирали штопора с торца -
или езда по кругу с увеличением скорости приводит к увеличению заноса
Теперь самое время проверить догадку, что с увеличением частоты тока надо увеличивать толщину провода. Как с этим на практике?

С "ужасом" узнаём о конструкции высокочастотных кабелей - высокочастотные токи текут по поверхности проводника, то есть центральный проводник внутри может быть и пластиковый и деревянный и вообще пустотелый.
Делаю смелое предположение:
Получается так, что для хорошего сигнала в телевизоре у нашего привычного провода антенны важно только качество обмотки, а не центральной жилы? А центральный провод служит только для протекания тока и прочности провода? Ха, это только с первого взгляда.
Телевизионный провод


Внутренняя жила переносит мощность сигнала, а внешняя оболочка защищает от внешних помех. Качество сигнала обеспечивается толщиной кабеля, то есть лучше, когда пружинке-штопору много места для пути внутри кабеля.

Сейчас посмотрите короткое видео про школьное "правило буравчика". Оно вам станет еще понятнее после моих рассуждений про синусоиду:


Каверзный вопрос - после всего сказанного вам еще приходят в голову мысли про электроны?
Мне кажется, что нет. :)
И еще, я думаю, что вы уже можете сопоставить движение тока в проводнике с движением света в волокне. А еще вы должны заметить большую похожесть в свойствах тока и света.
Кстати, высокочастотный коаксиальный кабель защищается оболочкой и от воздействия света - это к сведению особо любопытных.

Вот так мы непринужденно углубились в познание устройства Мира через одно только понимание синусоиды в виде спиральки или пружинки. Тут же пришли в голову буравчики, штопоры, сверла, магниты, центробежные силы.

Согласитесь, что понимание процессов в виде образов на начальном уровне значительно облегчает освоение нового знания. Вспомните, как легко было учиться в первых классах школы, когда складывали яблоки, и как трудно было оперировать голыми формулами позднее.

На этом кусочек части про полосу пропускания заканчиваю.
Продолжение будет.

Благодарю за внимание.
С уважением, Виктор Мирошкин.

четверг, 11 февраля 2016 г.

14. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 14

В этой части посмотрим на полосу пропускания в волоконной оптике. Но я по-прежнему буду смотреть на науку глазами чайника, чтобы из моих записей всем было понятно, о чем речь идет, даже бабушке.

Сытая старость должна стать нормой
Итак, полоса пропускания и ее ширина - на слух кажется, что это некоторый абстрактный проход с ограниченными возможностями, где не всех пускают? Посмотрим.

Вы думаете, что для оптоволокна всё рассчитывается заранее? Оказывается нет. Для каждого нового "игольного ушка" надо не научно, а методом тыка (опытным путем) определять ширину пропускания, то есть через каждый новый "предмет с дырой" протаскиваются пучки "всякой ерунды" с целью проверить прохождение этой "ерунды" в "дыру" без потерь.

Ширина полосы пропускания забора равна одному телу в единицу времени.
Естественно, собачек пробежит за то же время здесь побольше, а кошек еще больше.
Как видим на картинке выше, правильное количество проникших за сетку можно определить только тогда, когда лазутчики не рассеиваются за сеткой в разные стороны. А узнать полностью о целях группы можно только при максимальном количестве задержаний лазутчиков, проникших через дыру в заборе. В общем ловить надо всех.

Примерно так же можно рассматривать и условия прохождения света с информацией по оптоволокну - чрезмерное рассеивание лучей света за пределы волокна уменьшает мощность сигнала, а дисперсия лучей, то есть распадение каждого луча на пучок лучей, смазывает четкую картинку сигнала, что мешает распознаванию приносимой информации. См. картинку ниже.


Сигнал на выходе искажен, смазан - это результат дисперсии света в волокне

Напомню, что такое дисперсия образно - это распадение на составляющие (рассеивание).

Дисперсия света при прохождении через призму
Немного науки.
Окунемся теперь в несколько сложное - сразу посмотрим на принятый способ измерять ширину полосы пропускания. Это показывает картинка ниже. Просто смотрим и не пугаемся. Ниже объясняю:

Смысл картинки такой -  ширина полосы пропускания определяется областью приема устойчивого сигнала, не менее определенного уровня. То есть на картинке это от 300 Гц до 3400 Гц, что равно ширине полосы пропускания: 3400 - 300 = 3100 Гц.

Еще на картинке мы видим подсказку, что в расчетах сначала от высшего уровня сигнала отрезается шапка, равная 3 дБ, то есть (как мы рассматривали про децибелы ранее здесь - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/13-13.html) сигнал примерно срезается в 2 раза по сравнению с самым высоким уровнем.

У нас в повествовании появилась единица измерения - Гц.
Рассмотрим, что же такое - герцы. Это надо знать, ведь каждая непонятка становится фальшивым кирпичиком в нашем дворце знаний. А с фальшивыми материалами надежное здание не построить.

Герц (Гц, Hz) - это одно колебание в секунду. Можно сказать, одно подмаргивание, один взмах рукой и т.д.
Герц придумал герц

Надо сказать, что при изучении любого материала следует не просто обращать внимание на непонятные места, но надо еще и пытаться раздробить непонятное на части. А затем каждую частицу непонятного следует представить в виде ясного образа, чтобы отчетливо представлять предмет изучения.

Глупо зазубривать "формулу" или "определение" без глубокого осознания - не следует копить внутри себя мертвый груз неприменимого в жизни знания в виде формул и сухих непонятных определений.

Как пример дробления проблемы на части возьмем разбираемое сейчас понятие "ширина полосы пропускания" и зададимся разными вопросами, близкими к этой теме:
1. Как полоса пропускания зависит от дисперсии?
2. Как она зависит от затухания?

3. При чем здесь частота и длина волны?
4. Как влияют свойства стекла?
5. Как влияет мощность света?
И так далее.


Этих вопросов уже хватит, чтобы кое-что для себя усвоить более основательно из интересной области, чем просто запоминать формулы.

А в жизни основательные знания пригодятся для более быстрого понимания новых проблем, ведь часто разные области знаний пересекаются между собой. 

Например, электричество и оптика оперируют похожими понятиями - частотой, мощностью, амплитудой, силой и т.д. Будете понимать электричество, быстро поймете и оптику. И наоборот.

Получившиеся сами собой вопросы можно уже "копать" как можно глубже. Зависит от желания и настойчивости. Я пока продолжу разбираться с дисперсией. Причем буду это делать практически на ваших глазах, то есть буду сходу искать природу этого явления, рассуждая логически по методике чайника.
 
Сначала набираю примерную информацию. Как я уже говорил ранее, всё вокруг - это частоты и мы тоже. Получается, что стекло - это тоже частоты, то есть некоторые вибрации, как бы застывшие в общей структуре. В кварце есть кремний. Хотелось бы посмотреть на частоту его колебаний, и как это мне поможет понять дисперсию.
Для этого догадываюсь взять таблицу Д.И.Менделеева.
Таблица Д.И.Менделеева
Нахожу атомный номер Кремния - Si = 14 (атомный номер). Сравниваю с соседями.
Спрашивается, зачем мне это? Просто я уже знаю про зависимость длины волны элемента от его атомного номера в таблице, и что чем больше атомный номер элемента (больше вес атома), тем меньше длина волны этого элемента. То есть, например, у Титана частота выше (длина волны меньше) и вес больше, чем у Кремния.

Также товарищем Рентгеном было обнаружено, что "рентгеновское" излучение, невидимое для человека, поглощается в непрозрачных объектах тем сильнее, чем больше их атомный номер (см таблицу Менделеева), то есть выше плотность преграды. Запомним эти факты.

Теперь возвращаемся к дисперсии. Кварцевое стекло, как известно - это SiO2. А также в состав светопроводящей жилы могут входить оксиды германия (GeO2), фосфора (P2O5), бора (B2O3), а также фтор (F), эрбий (Er) и неодим (Nd). В частности, фтор и окись бора уменьшают показатель преломления жилы, а окись германия и окись фосфора его увеличивают.
Пока не пугаемся химии.

Дисперсия, как нам уже известно, это разбивание луча на несколько лучей. И происходит это при переходе луча из одного слоя стекла в другой, то есть на границе двух слоев стекла с разным коэффициентом преломления. Луч как бы натыкается на преграду и рассыпается на составляющие, больше или меньше отклоняясь от начального направления.

Теперь складываем в голове найденные ранее факты в виде пазлов и пробуем в первый раз слепить готовую, понятную на образном уровне картинку про дисперсию:

1. Условно у нас есть некий "сгусток частот", который мы воспринимаем как стекло. Внутрь него ломится другая "частота" в виде света. В итоге частота света с трудом пробегает по тоннелю из других частот и по пути расслаивается на несколько частот (как белый свет распадается на цвета радуги после призмы).

2. Судя по таблице Менделеева, Si и Ge стоят рядом. Причем они оба "металлоиды" - нечто неопределенное между металлами и неметаллами. Из них сделана световедущая жила. А также в жиле есть кислород.

3. Из предыдущих частей этой статьи получается так, что если луч бежит прямо, не виляя, по однородной среде, он и не расслаивается. Это известно из опытов.

Резкий поворот вызывает рассеивание энергии

 Напомню теперь для тех, кто не знает, что такое "коэффициент преломления":
По смыслу одна часть падающего луча отражается, а другая проходит дальше,
но отклоняется на некоторый угол из-за разницы условий проживания луча в новой среде обитания.
То есть коэффициент преломления означает величину отклонения луча от прежнего курса
На ум еще почему-то приходит бильярд...


Первый вывод про дисперсию - надо как бы избегать резких отклонений луча от прямого пути в волокне. В идеале луч идет только прямо по одномодовой жиле - стержню.


А у многомодового волокна структура жилы выглядит как матрешка - словно каждая тонкая трубка вложена в трубку меньшего диаметра и так до самого центрального стержня, то есть на срезе такого волокна имеются кольца, похожие на годовые кольца на срезе дерева.
Годовые кольца на срезе дерева
У волокна коэффициенты преломления соприкасающихся слоев не должны резко отличаться друг от друга. Лучше пускай будет много слоев, но получим плавный переход коэффициента преломления от слоя к слою, чем мало слоев, но с резкими перепадами коэффициентов преломления (со ступеньками).



Смотрим на профили волокна ниже, показывающие коэффициенты преломления слоев стекла в оптоволокне:

Измерение показателя преломления в волокне по слоям дает такие картинки.
Справа реальный профиль, показывающий провал коэффициента преломления в центре волокна.


Кстати, в мою бытность технологом, я пробовал проверять догадку о зависимости плавности смещения луча при проходе между слоями и полосой пропускания. И действительно получал улучшение полосы пропускания, когда увеличивал количество слоев. При этом от слоя к слою коэффициент преломления изменялся плавнее.

На этом про дисперсию хватит, ведь я не ставлю задачу научить вас химии и физике в производстве оптического волокна. Я хочу донести до вас только принципы размышления над проблемами. Хотя не исключаю, что по ходу написания статей будут появляться из под моего пера и некоторые новые откровения в науке. Почему нет?

Отвечаю на первый вопрос из поставленных мною выше - Как полоса пропускания зависит от дисперсии?

Дисперсия - это рассеивание по смыслу. Если на определенной частоте рассеивание маленькое, то, естественно, луч не размазывается, сигнал хорошо распознается. Таким образом эта частота своим присутствием расширяет имеющийся диапазон. И чем больше таких частот, тем шире полоса пропускания.

Компьютерный шлейф в качестве примера - чем шире,
тем больше информации можно через него пропустить за единицу времени.


Продолжение в следующей части. Там я расскажу о моем новом видении синусоид.

Благодарю за внимание.
С уважением, Виктор Мирошкин.