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光ファイバーの原理

まずは見てみよう!

どんな実験?

実験手順と種あかし

  • 光の屈折と反射の実験をしてみましょう。
  • 水中から斜め上に当てた光はどう進むのでしょうか。
  • 水に少し色を付けておき(絵具など)レーザーポインターで光を出します。水面となす角をいろいろ変化させて光の進む方向を観察します。
  • 水面となす角が大きいときは、光は空気中に出ます(一部は反射する光もある)。
    水面となす角が小さいときは、すべての光は水面で反射して空気中には出られません。この現象を全反射といいます。
  • 2種類の物資間で光を通すと、左側の説明図で次の関係式が成り立ちます。
    \[ \frac{sinθ_1}{sinθ_2}=\frac{n_2}{n_1} \] ただし、$θ_1$:入射角、$θ_2$:屈折角、 $n_1$:入射側の屈折率(水の場合1.33)、$n_2$:屈折側の屈折率(空気の場合1.00)
  • 全反射か、空気中に光が出るのかの境界の入射角を臨界角$θ_c$といいます。図の水と空気の場合には、
    $θ_c$=49°(水面となす角は41°)です。そのため、水面となす角が約41°以下であれば、光は空気中に出ずに全反射して水中を進みます。
  • 光ファイバーはこの原理を利用しています。光ファイバーは2重構造の線で、屈折率の大きい中心部(コア)と屈折率の小さい周辺部分(クラッド)からできています。コアと通る光がクラッドとの境界面で全反射して光の信号を送ることができるのです。
  • この実験動画はJSPS科研費 18K03956の助成を受けて制作しました。
【キーワード】 光の屈折と反射、全反射
【関連項目】 水の光ファイバー

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更新日:2021.10.1