光ファイバーが曲がっても光を運べる理由を説明しよう

このレッスンの役割

「全反射と光の利用」セクションの第5段階です。前のレッスンでは、一つの境界で全反射する光路を作図しました。今回はその現象を繰り返し使い、細い道の中へ光を閉じ込めて運ぶ光ファイバーの仕組みを説明します。

今日の到達点は、光ファイバーの中心部と外側の境界で全反射が繰り返されることを、成立条件と結び付けて説明することです。

知る・理解する

光ファイバーは、光を通す中心部（コア）と、その外側を包むクラッドからできています。コアからクラッドへ向かう光が境界へ十分大きな入射角で当たるよう、二つの部分の性質が選ばれています。

条件を満たした光は境界で全反射し、コアの反対側の境界へ進み、そこで再び全反射します。この繰り返しによって、光は外へ逃げにくく、細長いファイバーの中を遠くまで進みます。

ファイバーがゆるく曲がっても、各境界で全反射の条件を保てれば光を運べます。しかし急に折り曲げると、境界への入射角が条件を外れ、光がクラッド側へ漏れることがあります。「どんな曲げ方でも光が逃げない」わけではありません。

具体例で使う

インターネット通信では、光の点滅に情報をのせ、細い光ファイバーで大量の情報を運びます。電気信号を金属線で運ぶ方法とは異なり、光を使います。

医療用の内視鏡では、細い管の先へ光を送り、体内の像に関する光を外へ伝えるために光ファイバーが利用されます。どちらも利用目的は違いますが、「細い経路の内部へ光を閉じ込めて運ぶ」という原理は共通です。

誤答を直して次の学びへつなげる

「ファイバーが光を曲線状に曲げ続ける」は誤りです。光はコア内では直進し、境界に当たるたびに全反射して向きを変えます。図では折れ線として表されます。

次はプリズム、水流、光ファイバーなど初めて見る装置で、全反射の二条件と利用目的を選び分けます。

自分で確かめよう

クイズと理解チェックは、アプリで挑戦できます。