ÁNH SÁNG BỊ BẮT GIỮ
Ai đã từng chăm chú quan sát mặt nước trong bể nuôi cá, ắt sẽ tự hỏi vì sao khi nhìn từ phía trên thì nước trong veo, nhưng khi nhìn dưới lên thì nó lấp lánh như mặt gương? Đằng sau lời giải đáp cho câu hỏi đơn giản ấy, quả thực không nói ngoa, ẩn giấu cả một cuộc cách mạng về phương tiện thông tin hiện đại cơ đấy!
Mọi tia sáng đi từ trên xuống dưới qua mặt phân cách “không khí - nước” sẽ phản xạ một phần, phần còn lại thì khúc xạ vào nước. Còn tia sáng đi từ dưới lên lại không hoàn toàn như vậy. Vận tốc ánh sáng trong nước bằng khoảng ¾ vận tốc của nó trong không khí. Từ định luật khúc xạ suy ra rằng sin của góc khúc xạ (trong không khí) là 4/3 lần lớn hơn so với sin góc tới (trong nước). Vì thế các tia có góc tới bằng 48,50 (sin 48,50 = 3/4) sẽ bị khúc xạ một góc 900(sin 900 = 1) và đi song song với mặt nước (tia như thế gọi là tia trượt). Còn nếu tia tới dưới các góc lớn hơn nữa thì không còn quan sát được hiện tượng khúc xạ nữa: sin của một góc không thể vượt quá 1. Khi đó ánh sáng sẽ hoàn toàn bị phản xạ bởi mặt phân cách ''nước - không khí'', như là mặt gương vậy. Ta nói đó là hiện tượng phản xạ toàn phần.
Hiện tượng này có một ứng dụng hết sức thú vị. Nếu lượng ánh sáng đi vào một ống trong suốt chạy dài chứa đầy nước (hoặc đơn giản là một dòng nước), hoặc một dây thủy tinh, các tia sáng sẽ chỉ chạy bên trong dây ấy và phản xạ từ các vách, mà không bị thoát ra ngoài. Như vậy ánh sáng đúng là ''bị bắt giữ” trong ống hoặc dây uốn cong và lan truyền đi trong đó mà không hề bị thất thoát. Các ống và dây như thế được gọi là ống dẫn ánh sáng.
Các ống dẫn ánh sáng hiện đại dùng trong các mạng điện thoại điện tín, máy tính truyền ảnh, truyền số liệu có cấu tạo khá phức tạp. Sợi dây thuỷ tinh gồm một lõi thủy tinh thạch anh lưu hóa có chiết suất cao (n0 = 1,465) bao bọc bên ngoài bằng một lớp vỏ thạch anh có chiết suất thấp hơn (n1 = 1,460), bên ngoài phủ vài lớp vỏ bảo vệ nữa. Sự chênh lệch ấy đủ để các tia sáng truyền trong ống dẫn bị phản xạ toàn phần từ các vách lõi và sẽ đi dọc theo sợi, dài nhiều kilômet. Ánh sáng truyền đi nguyên vẹn ngay cả khi dây dẫn sáng bị cong hay buộc thành nút hay... bị ''nuốt'' vào bụng. Chính đó là một ứng dụng thực tiễn đầu tiên của ống dẫn ánh sáng trong y học: ống nội soi gồm cái đèn nhỏ và ống dẫn ánh sáng truyền ảnh của cơ quan nội tạng ra bên ngoài.
Từ giữa những năm 70 của thế kỷ XX sau khi chế tạo được các thiết bị laze bán dẫn gọn nhẹ ống dẫn nánh sáng trở nên thứ được sử dụng rộng rãi trong thông tin liên lạc. Thạch anh, một chất liệu từ đó người ta kéo ra sợi quang, rất ít hấp thụ các tia sáng ở các tần số được laze phát ra.
Nhưng ưu thế chủ yếu của sợi quang trong thông tin liên lạc là ở chỗ khác: dọc theo chiều dài của nó có thể truyền thông tin với vận tốc lớn khoảng 1012bit/giây. Nói khác đi, ống dẫn ánh sáng cho phép truyền dẫn đồng thời hàng triệu chương trình truyền hình hay l0 triệu cuộc gọi điện thoại, hay là trong một giây truyền được nội dung của một ngàn đĩa compact (CD)! Kỹ thuật ngày nay còn chưa khai thác hết vài phần trăm năng lực ''thông qua'' của sợi quang.
Ngoài ra để làm ống dẫn ánh sáng không cần phí tổn kim loại (thạch anh nấu được từ cát!) vừa rẻ, lại rất bền, nhẹ và mảnh dẻ. Theo quy chuẩn thì đường kính sợi quang chưa kể các lớp phủ bảo vệ là 125
m (cỡ một sợi tóc người) và khối lượng chỉ 25 - 40 g mỗi kilômet.
Các sợi quang có hai loại: đa chế độ (để truyền một số tần số) và đơn chế độ. Trong ống dẫn ánh sáng đa chế độ đường kính lõi đủ lớn (50 – 80
trong nó truyền số lớn các tần số tín hiệu (mode). Ở sợi quang đơn chế độ đường kính lõi (8 - 10m) cùng cỡ với bước sóng bức xạ (tới 10m) vì thế các hiệu ứng nhiễu xạ trở nên mạnh mẽ hơn và chỉ truyền được một tần số hay một kiểu dao động (mode). Kết quả là sự suy hao bức xạ được giảm thấp, tuy nhiên công việc chế tạo, lắp đặt và khai thác dường dẫn trở nên phức tạp, do đó phải chi phí cao hơn.
Thông tin liên lạc sợi quang thực hiện những bước tiến đầu tiên vào năm 1975, còn hôm nay thì là cả một thế hệ mới các đường dây cáp quang - các hệ thống đồng bộ (kết hợp) cho phép sử dụng các nguyên lý liên lạc vô tuyến: biến điệu tần số và pha. Nó bảo đảm truyền tín hiệu theo sợi dẫn quang đi cự li rất xa, hàng ngàn kilômét. Việc sử dụng cái được gọi là các sợi quang tích cực chúa ecbi (tên một nguyên tố hoá học), không những không hấp thụ mà còn làm khuếch đại tín hiệu quang tuyến trong các hệ thống ấy.
SÓNG KHÔNG ĐỒNG NHẤT
Khi xảy ra phản xạ bên trong toàn phần có thể quan sát thấy hiện tượng kỳ lạ. Nếu ta đặt sát tới mặt phản xạ một vật thể trong suốt, thì trong nó sẽ xuất hiện một tia sáng, tia sáng nay đi tựa hồ như không có một lớp không khí đệm, mà ánh sáng chỉ đơn giản đi từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác (ở đây là vật thể). Chỉ có điều độ chói sáng của tia đi qua thấp đi một chút so với khúc xạ thông thường. Có nghĩa là ngoài mặt phản xạ toàn phần vẫn tồn tại các trường điện từ của sóng (tia sáng) tới tuy chỉ trên cự ly một vài lần bước sóng.
Trường đó không gây ra khúc xạ sóng trên mặt giới hạn với không khí, nhưng trong môi trường vật chất đặc hơn không khí (ở đây là vật thể trong suốt) thì nó gây kích thích các tia khúc xạ.
