Quais os principais fenômenos responsáveis pela transmissão da luz na fibra óptica?

Além da curvatura (tema do post do dia 20.06.18), a absorção e o espalhamento da luz ao longo da fibra óptica podem causar atenuação. Logo, a explicação desses fenômenos chega ao nível atômico dos elementos, uma prova de que as fibras ópticas estão acessíveis a todos, mas sua elaboração envolveu e ainda exige muita pesquisa nas áreas de química e física.

Confira mais sobre atenuação em fibras ópticas: absorção e espalhamento

Absorção Intrínseca – sílica absorve a luz.

A sílica é o material mais comum utilizado na fabricação de fibras ópticas e, assim como todo material existente, não é totalmente transparente. Isso faz com que ocorra uma absorção parcial da luz quando atravessa algum meio. Logo, ocorre uma perda de potência na luz transmitida.

Absorção Extrínseca – evitar o pico de água e outras impurezas.

Uma vez que nenhum processo fabril é 100% puro, podem ocorrer absorções de impurezas durante a obtenção da fibra óptica. Esta absorção de impureza é chamada de absorção extrínseca.

Uma absorção extrínseca muito conhecida é da água dissolvida no vidro. Também chamada de atenuação por pico de água, esta acabou definindo as janelas de transmissão nas fibras (850nm, 1310nm e 1550nm). Sendo estes os intervalos de frequência onde não ocorre atenuação nas fibras por pico de água.

A perda por absorção total é dada pelo somatório das absorções intrínsecas e extrínsecas.

Espalhamento – a luz escapa do núcleo e vai para casca.

Perda por espalhamento é a dispersão de parte da luz guiada pelos vários modos de propagação em várias direções no interior da fibra. A figura abaixo representa este fenômeno. Sendo que as linhas: azul, laranja, rosa e roxo representam os vários modos e direções de propagação da luz no interior das fibras.

Os espalhamentos mais conhecidos são:

Rayleigh: Causado por variações na densidade do material da fibra, provenientes do processo de fabricação. Outros espalhamentos são causados por imperfeições na estrutura cilíndrica da fibra.

Esse é o espalhamento da luz na casca da fibra (parte verde indicada na figura acima).

Raman: Ocorre quando a potência do sinal luminoso irradiado na fibra óptica excita os seus elementos constituintes. E faz com que comecem a vibrar, alterando o modo de propagação da luz.

Mesmo motivo de o céu ser azul – pois a luz do sol excita as moléculas de nitrogênio da atmosfera, o que emite a cor azul.

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No artigo sobre refração da luz, vimos que esse fenômeno consiste na passagem da luz de um meio transparente para outro meio transparente diferente. Durante esse fenômeno, nem toda luz que incide na superfície separadora desses meios sofre essa passagem. Parte dela é refletida, como se vê no esquema abaixo.

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  Figura 1

Na natureza, existem casos em que, dependendo do ângulo de incidência e do meio pelo qual a luz está vindo, não ocorre a refração, mas somente a reflexão. Esse fenômeno é conhecido como reflexão total.

Para entender como isso ocorre, primeiramente estudaremos o conceito de ângulo limite.

Ângulo limite de refração

Considere dois meios transparentes A e B, que possuem respectivos índices de refração nA e nB, sendo que o índice de refração do meio B é maior que o índice de refração do meio A. Considere também um raio de luz que incide na superfície separadora dos dois meios vindo pelo meio A.

Para melhor exemplificar, imagine como meios o ar e a água, e a luz vindo pelo ar. Ao incidir na superfície que separa os dois meios o raio irá sofrer um desvio, ficando mais próximo da reta normal. Isso ocorre porque o raio de luz está penetrando em um meio de maior índice de refração.

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  Figura 2

Se aproximarmos o raio incidente da superfície que separa os dois meios, veremos que este raio chegará a essa superfície antes que o raio refratado faça o mesmo. Quando o raio incidente está rasante à superfície de separação, o ângulo de incidência valerá 90º e o ângulo de refração será o maior possível, sendo definido como o ângulo limite de refração.

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  Figura 3

Ângulo limite de incidência

Considere os mesmos dois meios do item anterior, sob a mesma condição, só que agora o raio de luz não virá mais pelo meio A, mas pelo meio B e incidirá sobre a superfície que separa os dois meios. Dessa vez, o raio refratado sofrerá um desvio afastando-se da normal, pois agora ele penetra em um meio de menor índice de refração.

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  Figura 4

Novamente aproximando o raio incidente da superfície separadora dos dois meios, veremos que, nesse caso, quem chegará a ser rasante na superfície separadora vai ser o raio refratado. Desse modo teremos um limite para o ângulo de incidência para que ocorra o fenômeno da refração. Esse ângulo é definido como o ângulo limite de refração.

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  Figura 5

O fenômeno da reflexão total

Observando a figura 5, o que ocorreria se aproximarmos o raio incidente mais ainda da superfície separadora? A resposta é que não ocorreria mais a refração, e todo o raio incidente seria refletido na superfície separadora.

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  Figura 6

Esse fenômeno é conhecido como reflexão total e, para que ele ocorra, são necessárias duas condições:

• O raio incidente deve estar no meio de maior índice de refração.

O ângulo de incidência deve ser maior que o ângulo limite de incidência.
O cálculo do ângulo limite O ângulo limite de incidência ou de refração são os mesmos para o mesmo par de meios e, portanto são determinados pela mesma relação matemática que vem da Lei de Snell.

Observe a figura 3. Nela, o ângulo de incidência vale noventa graus e o ângulo de refração é igual ao ângulo limite. Aplicando a Lei de Snell, que foi apresentada no artigo sobre a refração da luz, teremos a fórmula para o cálculo do ângulo limite.

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  Figura 7

Onde o "n menor" é o índice de refração de menor valor e o "n maior" é o índice de refração de maior valor. No nosso caso seriam os índices dos meios A e B respectivamente.

A miragem É comum quando viajamos em estradas longas e retas termos a impressão de que a superfície do asfalto está molhada. Esse fenômeno é conhecido como miragem e é uma consequência da reflexão total da luz. Vamos entender como isso ocorre.

Devido à incidência dos raios solares, o asfalto fica muito quente e, consequentemente, teremos uma camada de ar quente próxima a superfície da estrada. Acima dessa camada teremos uma outra camada de ar não tão quente, e o resultado disso serão duas camadas de ar com índices de refrações diferentes.

A luz que vem do céu incide na camada quente vindo pela camada mais fria e de maior índice de refração. Dependendo do ângulo de visão do observador, essa luz reflete na superfície separadora das duas camadas. Desse modo, o observador acaba vendo uma imagem refletida do céu na superfície do asfalto, que lhe dará a nítida impressão de que ele está molhado.

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  Figura 8

Fibra óptica

Outra aplicação importante da reflexão total são as fibras ópticas. Essas fibras são feitas de vidro ou plástico e possuem paredes extremamente lisas.

Ao penetrar na fibra, a luz sofre reflexão nas paredes laterais diversas vezes, e com isso ela é transportada a longas distâncias. Por esse motivo, a fibra óptica é um condutor de luz. Essa tecnologia é amplamente utilizada na medicina e nas telecomunicações.

Qual é o fenômeno que possibilita a transmissão da luz na fibra óptica?

Qual o fenômeno óptico responsável pela fibra óptica?

Quais os três elementos básicos para transmissão de luz em fibra óptica?

Como a luz se propaga na fibra ótica?

Quais são os principais fenômenos ópticos?