คุณสมบัติของแสง

แสงจะมีคุณสมบัติที่สำคัญ 4 ข้อ ได้แก่
1) เดินทางเป็นเส้นตรง (Rectilinear propagation)
2) การหักเห (Refraction)
3) การสะท้อน (Reflection)
4) การกระจาย (Dispersion)







การเดินทางเป็นเส้นตรง

การเดินทางแสงเป็นเส้นตรง ในตัวกลางที่มีค่าดัชนีการหักเห (refractive index ; n) ของแสงเท่ากัน แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรงโดยค่าดัชนีการหักเหของแสง หรือ ค่า n สามารถหาได้จาก

n คือ ดัชนีหักเหของแสงในตัวกลางนั้น ๆ

c คือ ความเร็วแสงในสุญญากาศ

v คือ ความเร็วแสงในตัวกลางนั้น ๆ
 

การหักเห

เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง แสงบางส่วนสะท้อนกลับไปในตัวกลางเดิม ส่วนแสงที่เหลือจะหักเหเข้าไปในตัวกลางใหม่

ในการหักเหความถี่ของแสงก่อนและหลังการหักเหเท่าเดิมเสมอ แต่แสงจะมีความเร็วลดลงเมื่อเคลื่อนที่เข้าไปในตัวกลาง ดังนั้นเราจึงเราจึงทราบได้ว่า ความยาวคลื่นจะต้องเปลี่ยนไปเป็นสัดส่วนกับความเร็ว ส่วนทิศทางการเคลื่อนที่ของแสงนั้นส่วนมากแล้วจะเปลี่ยนเมื่อเทียบกับทิศทางเดิม ยกเว้นกรณีเดียวคือ กรณีที่มุมตกกระทบเป็นศูนย์ (คือแสงส่องไปเลยตรงๆ)

สมการที่ใช้ในการอธิบายเรื่องการหักเหของแสงคือกฎของสเนลล์ ดังนี้

n1 คือดัชนีหักเหของตัวกลาง 1

n2 คือดัชนีหักเหของตัวกลาง 2

Ɵ1 คือมุมตกกระทบ

Ɵ2 คือมุมหักเห
 

การสะท้อน

เมื่อแสงเดินทางไปเจอขอบเขตระหว่างตัวกลางสองตัวกลาง แสงบางส่วนสะท้อนกลับ และบางส่วนก็จะเคลื่อนที่ต่อไปนตัวกลางถัดไป โดยกฎการสะท้อนของแสงดังนี้

1. เส้นปกติ รังสีตกกระทรบ และรังสีสะท้อนอยู่ในระนาบเดียวกัน

2. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน

เส้นปกติคือเส้นที่ลากขึ้นมาตั้งฉากกับผิวการสะท้อนนั่นเอง ส่วนมุมตกกระทบกับมุมสะท้อนนั้น เวลาวัดมุมให้วัดเทียบกับเส้นปกติเท่านั้น

การสะท้อนของแสงสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะ คือ

1. การสะท้อนแบบปกติ (Regular reflection) จะเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบกับวัตถุที่มีผิวเรียบมัน

2. การสะท้อนแบบกระจาย (Diffuse reflection)จะเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบวัตถุที่มีผิวขรุขระ

โดยการสะท้อนของแสงไม่ว่าจะเป็นแบบใดก็ตามจะต้องเป็นไปตามกฎการสะท้อนของแสงที่ว่า"มุมสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบ"

การกระจาย

แสงที่เราเห็นในธรรมชาติทุกๆวันเป็นแสงอาทิตย์และแสงจากหลอดไฟ เป็นแสงขาว (white light) โดยแสงขาวที่ประกอบด้วยแสงสีต่างๆได้แก่ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง เมื่อผ่านแสงเข้าไปในตัวกลาง ที่ยอมให้แสงผ่านได้ เช่น แก้ว หรือน้ำ จะเกิดการหักเหของแสงขึ้น ทั้งนี้ สารชนิดเดียวกันจะมีดรรชนีหักเหของแสงขึ้นอยู่ กับแสงสีต่างๆไม่เท่ากันดังนั้นเมื่อแสงผ่านเข้าไปในอุปกรณ์เช่น ปริซึม(Prism) ซึ่งก็จะเห็นแสงกระจายออกเป็นสีต่างๆ และเรียก แสงที่การกระจายออกมาจากแสงขาวว่าสเปกตรัมของแสงขาว

จากรูปเมื่อฉากแสงขาวผ่านปริซึมและทำให้แสงขาวนั้นกระจายออกเป็นสีต่างมุมในรูปเรียกว่ามุมเบี่ยงเบนสังเกตได้ว่ามุมของแสงสีแดงจะมีค่าน้อยที่สุด และมุมเบี่ยงเบนของสีม่วงมีค่ามากที่สุด

 

การสะท้อนกลับหมด

การสะท้อนกลับหมดเป็นกรณีพิเศษหนึ่งที่แสงเดินทางจากตัวกลางหมายเลข 1 ที่มีดัชนีหักเหมากไปตัวกลาง 2 ที่มีดัชนีหักเหน้อย แสงจะแบนออกจากเส้นปกติ แต้ถ้ามันเบนออกไปมากจนเกิดกรณีว่ามุมหักเหเป็นมุมฉาก เราจะเรียกมุมตกกระทบที่ทำให้มุมหักเหเป็นมุมฉาก ว่ามุมวิกฤต (Ɵc)

จากนั้นถ้าแสงตกกระทบด้วยมุมที่มากกว่ามุมวิกฤตแล้ว จะเกิด“การสะท้อนกลับหมด”นั่นคือแสงทั้งหมดเกิดการสะท้อนกลับหมด และไม่เกิดการหักเห

จากกฎของสเนลล์

ให้แสงเดินทางจากตัวกลางหนึ่งไปสอง (n1>n2) ที่มุมวิกฤต Ɵ1= Ɵcจะได้ว่า Ɵ2= 90o

ดังนั้น n1sinƟc= n2sin90oจัดรูปได้ดังต่อไปนี้

sinƟc= n2/ n1

หลักการนี้สามารถนำไปประยุกต์ทำเป็นใยแก้วนำแสงได้ โดยสร้างใยแก้วเป็นสองชั้นทีมีดัชนีหักเหแสงต่างกัน ชั้นในเป็นส่วนที่ให้แสงเดินทางเข้ามา จึงมีดัชนีหักเหแสงสูง ส่วนชั้นนอกมีหน้าที่สะท้อนแสงกลับ จึงมีดัชนีหักเหแสงต่ำ แสงที่ถูกส่งเข้ามาจะเกิดการสะท้อนกลับหมดที่ขอบเขตกั้นระหว่างส่วนชั้นในกับชั้นนอก ดังนั้นแสงจะสามารถถูกส่งไปมาตามชั้นในของเส้นใยได้

ในการประยุกต์ใช้ประโยชน์ของใยแก้วนำแสงมีด้วยกันมากมาย ไม่ว่าจะเป็นทางการสื่อสารโดยใช้ใยแก้วนำแสงในการส่งข้อมูล เช่น สัญญาณอินเตอร์เน็ต หรือในทางการแพทย์ที่ใช้ใยแก้วส่องอวัยวะภายในของผู้ป่วย เป็นต้น