คุณสมบัติของแสง

คุณสมบัติของแสง
แสงจะมีคุณสมบัติที่สำคัญ 4 ข้อ ได้แก่ การเดินทางเป็นเส้นตรง (Rectilinear propagation) , การหักเห (Refraction) , การสะท้อน (Reflection) และการกระจาย (Dispersion) การเดินทางแสงเป็นเส้นตรงในตัวกลางที่มีค่าดัชนีการหักเห (refractive index ; n) ของแสงเท่ากัน แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรงโดยค่า n สามารถหาได้จากสมการ โดยที่ คือ ความเร็วของแสงในสูญญากาศ
คือ ความเร็วของแสงในตัวกลางนั้นๆ

รูปที่ 1 ช่วงแถบความถี่แม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ในการสื่อสารเส้นใยแสง

1. การสะท้อน

การสะท้อนของแสงสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะ คือ

การสะท้อนแบบปกติ (Regular reflection) จะเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบกับวัตถุที่มีผิวเรียบมันวาวดังรูปที่ 2

รูปการสะท้อนแบบปกติ

การสะท้อนแบบกระจาย (Diffuse reflection) จะเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบวัตถุที่มีผิวขรุขระดังรูปที่ 2

รูปการสะท้อนแบบกระจาย

โดยการสะท้อนของแสงไม่ว่าจะเป็นแบบใดก็ตามจะต้องเป็นไปตามกฎการสะท้อนของแสงที่ว่า "มุมสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบ" ซึ่งแสดงให้ดูในรูป

2. การหักเห

การหักเหของแสงจะเกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางที่มีค่าดัชนีการหักเหไม่เท่ากัน โดยลำแสงที่ตกกระทบจะต้องไม่ทำมุมฉากกับรอยต่อระหว่างตัวกลางทั้งสองและมุมตกกระทบต้องมีค่าไม่เกินมุมวิกฤต (Critical angel ; ) โดยการหักเหของแสงสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กรณี คือ

» n1 <>

รูปการหักเหของแสงกรณี n1 <>

จากรูประยะเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางในช่วง BC จะเท่ากับระยะเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางในช่วง B'C' ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังสมการ

จากสมการจะได้เมื่อพิจารณารูปสามเหลี่ยม BCC' และ BB'C' จะได้ความสัมพันธ์ทางตรีโกณดังนี้
และ

นำสมการและแทนลงไปในสมการจะได้

» n1 > n2 แสงจะหักเหออกจากเส้นปกติ

รูปที่ 2.6 การหักเหของแสงกรณี n1 > n2

จากรูปที่ 2.6 จะเห็นว่าระยะทาง BC มีค่ามากกว่า B'C' เนื่องจากระยะทาง BC เป็นการเดินทางของแสงในตัวกลางที่มีค่าดัชนีการหักเหน้อยกว่า ดังนั้นในระยะเวลาเท่ากันแสงจะสามารถเดินทางได้มากกว่า

» การสะท้อนกลับหมด (Total Internal Reflection) การเกิดการสะท้อนกลับหมดของแสงจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อค่าดัชนีการหักเหของตัวกลางที่ 1 มีค่ามากกว่าดัชนีการหักเหของตัวกลางที่ 2 (n1 > n2) และ ซึ่งจะส่งผลให้ มีค่าเท่ากับ หรือมากกว่าโดยเราสามารถหาค่า ได้จาก Snell's Law

เมื่อ จะเกิดการสะท้อนกลับหมดของแสงซึ่งจะได้ ดังนั้น

ดังนั้นจะได้


รูปที่ 2.7 การสะท้อนกลับหมดของแสง

ในรูปที่ 2.8 แสดงตัวอย่างของการสะท้อนกลับหมดของแสง โดยการมองเครื่องบินที่อยู่ในอากาศจากใต้น้ำ ซึ่งจะสามารถมองเห็นเครื่องบินได้ก็ต่อเมื่อเรามองทำมุมกับผิวน้ำมากกว่า ค่าดังกล่าวได้มาจากการคำนวณมุมวิกฤตดังนี้

รูปที่ 2.8 ตัวอย่างการสะท้อนกลับหมดของแสง

จากสมการ แทนค่า n2=1 และ n1=1.33 จะได้

ดังนั้นการมองจะต้องทำมุมกับเส้นปกติน้อยกว่า จึงจะสามารถมองเห็นเครื่องบินได้ ถ้าเรามองทำมุมกับเส้นปกติเท่ากับหรือมากกว่า จะทำให้เกิดการสะท้อนกลับหมดของแสงจึงไม่สามารถมองเห็นเครื่องบินได้ ซึ่งปรากฏการณ์การสะท้อนกลับหมดของแสงนี้จะทำให้แสงสามารถเดินทางไปในเส้นใยแสงได้

3. การกระจาย

ในการพิจารณาการเดินทางของแสงที่ผ่านๆ มา เราสมมติให้แสงที่เดินทางมีความยาวคลื่นเพียงความยาวคลื่นเดียวซึ่งเราเรียกแสงชนิดนี้ว่า "Monochromatic" แต่โดยธรรมชาติของแสงแล้วจะประกอบด้วยความยาวคลื่นหลายความยาวคลื่นผสมกัน ซึ่งเราเรียกว่า "Polychromatic" ดังแสดงในรูปที่ 2.9 จะเห็นว่าแสงสีขาวจะสามารถแยกออกเป็นแสงสีต่างๆ (ความยาวคลื่นต่างๆ) ได้ถึง 6 ความยาวคลื่นโดยใช้แท่งแก้วปริซึม ซึ่งกระบวนการที่เกิดการแยกแสงออกแสงออกมานี้ เราเรียกว่า "การกระจาย (Dispersion)"

การกระจายของแสงนี้จะตั้งอยู่บนความจริงที่ว่า "แสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันจะเดินทางด้วยความเร็วที่ต่างกันในตัวกลางเดียวกัน" นอกจากคุณสมบัติดังกล่าวทั้ง 4 ข้อแล้ว แสงยังมีคุณสมบัติอื่นๆ อีกคือ 1. แสงจัดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic wave) ชนิดหนึ่ง 2. คลื่นแสงเป็นคลื่นมี่มีการเปลี่ยนแปลงตามขวาง (Transverse wave) ซึ่งทั้ง 2 กรณีนี้ ทำให้เราสามารถสรุปได้ว่าคลื่นแสงเป็นคลื่น TEM โดยลักษณะการเดินทางของแสงแสดงในรูปที่ 2.10



รูปที่ 2.10 การเดินทางของคลื่นแสง