Световод многоволоконный | Наука | Fandom

3.1. Основы геометрической оптики

Геометрическая оптика имеет историю, датируемую двумя тысячами лет, и предполагает, что свет состоит из лучей, распространяющихся от источника по прямым линиям в гомогенной среде, например стекле, воде, воздухе или вакууме. При этом в геометрической оптике принято утверждение, что плоские волновые фронты распространяются под прямыми углами к каждому лучу и свет уменьшается пропорционально квадрату расстояния.

В общем случае под скоростью света понимают скорость электромагнитной энергии в вакууме. В других материалах (например, в стекле) свет распространяется с меньшей скоростью. При перемещении из одного материала в другой изменяется скорость распространения, что, с точки зрения волновой теории, приводит к изменению направления движения.

Как известно, луч света при падении на границу раздела двух сред делится на отраженный и преломленный. Согласно закону отражения луч света, который падает на границу раздела двух сред, отражается под тем же самым углом (φотр) к нормали (перпендикуляру к границе), что и угол падения (φn) к поверхности, т.е. φn = φотр .

Согласно закону Снеллиуса (закон преломления) лучи света, падающие на границу раздела двух сред, имеют углы преломления, отличные от углов падения к нормали границы этих сред. Связь этих углов определяется выражением:

n1sin φ1п=n2sin φ1пр , (2.4)

где n1 и n2 — показатели преломления первой и второй сред, соответственно.

Показатели преломления n (величина безразмерная) выражается через отношение скорости света в вакууме (с) к скорости света в материале (v):

Световод многоволоконный | Наука | FandomСветовод многоволоконный | Наука | Fandom (2.5)

Показатели преломления различных веществ и скорости распространения света в них [2] приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Показатели преломления различных материалов

Особый интерес для волоконной оптики представляет тот факт, что показатель преломления стекла может из меняться в зависимости от его состава. Количество отраженного света от границы двух сред зависит от их показателей преломления. Если излучение видимой области спектра падает на границу раздела двух сред и переходит из оптически более плотной среды n1на оптически менее плотную n2 (n2<

n1) и угол падения увеличивается, то угол преломления приближается к 90о. Увеличивая угол падения, можно добиться такого состояния, при котором преломленный луч будет располагаться вдоль границы раздела сред, не переходя в другую среду.

Угол падения при этом называется критическим углом (φкр) полного внутреннего отражения, т.е. угол падения, при котором угол преломления равен 90о, называется критическим углом. Если угол падения больше критического, то свет полностью отражается в исходную среду, не проникая в другой материал.

Световод многоволоконный | Наука | Fandom (2.6)

На этом явлении основан принцип передачи оптического излучения по волоконным световодам.

Рассмотрим отражение света при угле падения, равном 90о. Даже когда свет проходит в более плотную среду, некоторая его часть отражается в исходную среду. Этот эффект получил название отражение Френеля. Чем больше разница показателей преломления сред, тем большая доля света отражается назад. Показатель Френелевского отражения на границе с воздухом

Световод многоволоконный | Наука | Fandom (2.7)

В децибелах потери переданного света составляют:

А = 10lg(1- р). (2.8)

Примером последствий отражения Френеля могут служить потери на вводе и выводе оптического излучения в волоконный световод.

Для света, падающего из воздуха на границу стекла (с n=l,5 для стекла), потери от френелевского отражения равны примерно 0,17 дБ. Это значение зависит от состава стекла. Поскольку такого рода потери происходят как при входе света в стекло, так и при выходе из него, то потери на соединении двух стекол составляют 0,34 дБ.

Поляризованный свет. Свет может рассматриваться как волна, состоящая из двух полей, направленных перпендикулярно друг к другу: электрического поля и магнитного поля (рис. 2.9). Эти поля синхронны с полевыми векторами, с разностью фаз между собой в 90о.

Нормальный свет имеет бесконечное число перпендикулярно колеблющихся плоскостей, распространяющихся в направлении перемещения света. Отражением и рефракцией свет может быть поляризован.

Рис. 2.9. Поля, составляющие свет: электрическое и магнитное

Свет, в котором интенсивность электрического поля остается неизменной, в то время как интенсивность магнитного поля уменьшается, назван ТЕ-поляризованным светом (коэффициент пропускания электрически поляризованного света). Свет, в котором интенсивность магнитного поля остается неизменной, в то время как интенсивность электрического поля уменьшается, называется ТМ-поляризованным светом (коэффициент пропускания поляризованного магнитного поля).

На рис. 2.10 показан пример поляризации света, падающего на поверхность некоторой кристаллической пластины, при этом электрическое и магнитное поля поляризуются по-разному.

Рис. 2.10. Разложение падающего света с помощью пластины на поляризованные электрическое и магнитное поля

Два типа поляризации имеют несколько разные коэффициенты отражения, которые описываются законом отражения Френеля. Интенсивность отраженного света увеличивается от 4 % до 100 % при увеличении угла падения от 0 до 90о для обеих поляризаций (преломленный свет уменьшается на эту же степень)

Принцип распространения света в стекловолокне основан на законе полного внутреннего отражения. При типичных значениях ПП в сердцевине n1=1,47 и оболочке n2=1,46 ОВ со ступенчатым ППП имеет критический угол полного внутреннего отражения φкр=83,3о.

Рис. 2.11. Диаграммы зависимости коэффициентов отражения (R)и преломления (Т) различных поляризаций от угла падения света

Рис. 2.12. Рэлеевское рассеяние света из-за примесей в среде передачи

Рэлеевское рассеяние и свет Тиндаля. В аморфном материале типа стекла структура материала не везде однородна, поэтому стекло никогда полностью не будет прозрачно. Световой луч, распространяющийся через такой материал, рассеивается в направлениях (например, луч солнечного света в пыльном или заполненном дымом помещении) (рис. 2.12).

Это явление называется рэлеевским рассеянием и вызвано присутствием в среде маленьких частиц и неоднородностей. Рассеянный свет называется светом Тиндаля. Гидроксильная группа (ОН–), ионы металлов, примеси и т.д. объясняют это явление в стекловолокне.

Рэлеевское рассеивание — это то, что дает небу его синий цвет и солнцу его красный цвет на восходе и на закате. Эти цветные явления вызваны рассеиванием света молекулами воздуха. Молекулы и вариации неоднородностей в стекле функционируют как электрические диполь, излучающие поле.

В атмосфере коротковолновый свет (синий конец спектра) рассеивается в 3-4 раза больше, чем длинноволновый свет (красный конец спектра), который придает небу различные цвета в зависимости от положения солнца на небе. Лорд Рэлей объяснил это явление и показал, что рассеяние имеет решающее значение в выборе диапазона волн в волоконной оптике. Чем больше длина волны, тем меньше потери от рэлеевского рассеяния.

3.2. Анализ лучевого распространения света в волоконных световодах

В геометрической оптике световые волны изображаются лучами, направленными по нормали к волновой поверхности. При падении световой волны на плоскую границу раздела двух диэлектриков с разными значениями относительной диэлектрической проницаемости (ε) в общем случае наблюдаются прошедшая (преломленная) и отраженная волны. В соответствии с законом Снеллиуса угол падения связан с углами отражения и преломления с помощью равенства φп= φотр и выражения (2.4). Поскольку в оптических средах отношение магнитной проницаемости (μ) к магнитной проницаемости вакуума (μ0) принимается равным единице, то в этом выражении Световод многоволоконный | Наука | Fandom а Световод многоволоконный | Наука | Fandom . В ОВ среда сердцевины более плотная, чем среда оболочки, т.е. n1>n2, поэтому при угле падения φп> φкр свет полностью отражается от границы сердцевина — оболочка и распространяется только в сердцевине волокна. Как известно, критический угол падения света определяется выражением:Световод многоволоконный | Наука | Fandom (2.9)

Поток энергии из первой среды во вторую в среднем равен нулю, и энергия падающей электромагнитной волны полностью возвращается в первую среду.

В качестве примера рассмотрим ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления. Ступенчатое оптическое волокно (рис. 2.13) представляет собой двухслойную стеклянную нить, сердцевина которой изготовлена из стекла с показателем преломления n1 диаметром 2a=(3…50) мкм, а оболочка имеет показатель преломления n2 и диаметр 2b=125 мкм.

Для обеспечения полного внутреннего отражения на границе раздела необходимо, чтобы n1>n2. Поверх оболочки накладывается защитное покрытие с показателем преломления n3< n2.

На рис. 2.13 световые лучи, описывающие однородные плоские волны, пучком исходят от точечного источника, расположенного на оси волокна. На торце ОВ этот пучок лучей преобразуется в два типа лучей волокна: меридиональные, которые пересекают ось волокна, и косые, которые не пересекают эту ось. На рис. 2.14 представлена траектория прохождения косого луча в ступенчатом ОВ.

Часть меридиональных и косых лучей, испытывая полное внутреннее отражение в местах падения на границу сердцевина — оболочка, распространяется зигзагообразно вдоль ОВ.

Рис. 2.13. Модель ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления

Рис. 2.14. Траектория прохождения косого луча в ОВ

Рассмотрим ход меридиональных лучей, падающих на входной торец ОВ и распространяю- щихся затем вдоль волокна (рис. 2.13). В зависимости от угла наклона луча θ1 к оси Z меридиональные лучи, лежащие в плоскости рисунка, могут испытывать полное внутреннее отражение на границе сердечник — оболочка, если θ1<arccos(n2/n1).

При этом образуются моды сердечника 1, или направляемые моды. Если луч падает под углом arccos(n2/n1)< θ1< arccos(n3/n2), то он может сформировать моду оболочки 2.

Луч, падающий на торец волокна из окружающей среды под углом θ0 к оси волокна, преломляется при вхождении в сердцевину и распространяется в ней под углом θ1 в соответствии с законом Снеллиуса:

Световод многоволоконный | Наука | Fandom (2.10)

При этом преломленный луч падает на боковую поверхность под углом φ1=(π/2) – θ1. Для полного внутреннего отражения лучей от боковой поверхности необходимо, чтобы φ1≥φкр, где критический угол падения φкр определяется выражением (2.9). Следовательно, sinφ1=cosθ1≥n2/n1.

Из (2.10) следует, что

Таким образом,

Однако Световод многоволоконный | Наука | Fandom , т.е.Световод многоволоконный | Наука | Fandom (2.11)

Таким образом, если выполняется условие (2.11), то любой меридиональный луч распространяется вдоль сердцевины волокна. Это условие справедливо и для косых лучей.

Рис. 2.15. Оптическое волокно:1-сердцевина; 2-оболочка;3-защитное покрытие

На рис. 2.15 представлена конструкция волокна в оболочке с защитным покрытием, в котором оптическое излучение распространяется в ОВ такой конструкции при выполнении условия n1>n2>n3..

Световод многоволоконный | Наука | Fandom (2.12)

которая для большинства ОВ составляет 10-2…10-3. Показатель преломления оболочки имеет постоянное значение, а сердцевины — либо постоянное, либо изменяющееся по радиусу по определенному закону.

Изменение показателя преломления ОВ вдоль радиуса называется профилем показателя преломления.

Наличие оптической оболочки усложняет волновой процесс в ОВ. Часть меридиональных и косых лучей, многократно отражаясь от границы сердцевина — оболочка, распространяется вдоль сердцевины и образует моды сердцевины (направляемые моды). Остальные лучи, которые падают на эту границу под углами φп<φкр, уходят из сердцевины наружу.

Лучи, покинувшие сердцевину, образуют моды излучения. Некоторые из них распространяются в оболочке за счет полного внутреннего отражения от границы оболочка — окружающая среда и образуют моды оболочки. Если защитное покрытие ОВ выполнено из сильно поглощающего материала, то оно устраняет перекрестные помехи между ОВ в оптическом кабеле, обусловленные модами излучения.

Кроме того, защитное покрытие рассеивает энергию мод оболочки аналогично направляемым модам диэлектрического стержня. Как отмечалось выше, поле направляемых мод частично проникает в окружающую среду, где экспоненциально убывает, при этом глубина проникновения в оболочку ОВ, т.е. расстояние, на котором это поле убывает в е раз (е=2,718), определяется при φп>φкр выражением [5]:

Световод многоволоконный | Наука | Fandom (2.13)

где λ — длина волны оптического излучения, вводимого в ОВ.

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец волоконного световода. Из рис. 2.16 видно, что световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θА, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения θВ.

Этот телесный угол θА характеризуется апертурой. Апертура-это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения. Обычно пользуются понятием числовой апертуры:

Световод многоволоконный | Наука | Fandom (2.14)

где n0, n1, n2 — показатели преломления воздуха, сердечника, оболочки соответственно.

Имея в виду, что для воздуха n0=1, получим

Световод многоволоконный | Наука | Fandom (2.15)

Как видно из рис. 2.16 между углом полного внутреннего отражения θВ и апертурным углом падения луча θА имеется взаимосвязь. Чем больше угол θВ, тем меньше апертура волокна θА. Для ступенчатых ОВ, используемых в системах связи, числовая апертура обычно равна 0,18 — 0,23.

Формула (2.15) учитывает только меридиональные лучи ОВ. Однако, в основном, в ОВ преобладают косые лучи, которые не пересекают ось, а распространяются по ломаным (для ступенчатого ОВ) или право- или левовинтовым спиралям (для градиентного ОВ).

Вывод простого выражения для числовой апертуры косых лучей очень сложен. Отметим только, что числовая апертура, подсчитанная для меридиональных лучей ступенчатого ОВ (2.15), меньше действительной числовой апертуры NAД, учитывающей все лучи.

Отношение NAД /NA для различных значений ПП п1и п2, например в [5, 6], увеличивается с уменьшением разности п1-п2, т.е. с уменьшением апертуры NA меридиональных лучей.

Рис. 2.16. Принцип действия ОВ

Простое и наглядное представление направляемых мод в ОВ с помощью лучей не учитывает свойства света как электромагнитной волны и во многих случаях не позволяет получить правильные результаты. Например, в соответствии с изложенным выше вся бесконечная совокупность лучей, падающих на торец ОВ в пределах угла θА, должна образовывать также бесконечную совокупность направляемых мод.

Однако это не так. Волновая теория света показывает, что только конечное число лучей конического пучка с определенными углами падения на торец может образовать направляемые моды ОВ. Это объясняется с точки зрения лучевой оптики в ступенчатом световоде тем, что при полном внутреннем отражении от границы с оболочкой волна приобретает фазовый сдвиг, зависящий от угла падения.

История создания многоволоконных световодов

В 1854 году, Джон Тиндаль обнаружил, что свет может быть проведен посредством изогнутой струей воды, доказав, что свет можно передавать так-же и по не прямолинейным путям. Позже в 1930 году, немецкий студент-медик Генрих Lamm, стал первым человеком, который догадался собрать пучок оптических волокон в один плотный жгут для передачи изображения на расстояние.

Таким образом были созданы многоволоконные световоды состоящие из большого числа параллельно уложенных волоконных световодов собранных по краям в общие торцы.

Это открытие привело к изобретению эндоскопов и фиброскопов.[1] В 1960-е годы появились эндоскопы использующие в качестве гибкого светопроводящего материала стеклянные волокна, что позволяло передавать свет, даже при изгибании световода.

Литература

  • Сборник статей под ред. К.И. Блох “Световоды для передачи изображения”, Мир, 1961
  • Мидвинтер Дж., Волоконные световоды для передачи информации, пер. с англ., М., 1983
  • Хансперджер Р., Интегральная оптика, пер. с англ., М., 1985
  • Д и а н о в Е. М., Волоконная оптика: проблемы и перспективы, «Вестник АН СССР», 1989, № 10, с. 41

Применение многоволоконных световодов

В 1964 году был изобретён фиброскоп, первое устройство используемое для исследования желудочной полости без операционного вмешательства. Это нововведение позволяло проводить более тщательное изучение, наблюдение и диагностику заболеваний внутренних органов человека. [2]

Многоволоконные световоды находят широкое применение в науке, медицине а так-же и в приборостроении, для передачи изображения объектов, находящихся в труднодоступных местах, для последующего изучения и регистрации. При этом входной торец волоконного световода должен находиться в непосредственном контакте с поверхностью исследуемого объекта, либо изображение объекта должно быть спроецировано на входной торец жгута с помощью линзовой оптики (объектива).

Каждое отдельное волокно такого жгута передаёт усредненный световой поток от точки поверхности входного торца, соответствующего сечению этого волокна. При этом изображение на выходной торец передается в виде мозаики. Такие многоволоконные световоды представляют собой пакет из параллельно уложенных тонких стеклянных светопроводящих нитей диаметром 10 — 20 мкм.

На основе многоволоконных световодов были созданы принципиально новые приборы для различного рода научных исследований. Так например использование световодов в оптической спектроскопии в ряде случаев устраняет необходимость отбора пробы и дает возможность реализовать процедуру промышленного анализа в режиме реального времени.

Многоволоконные световоды широко используются и в оптических методах контроля прозрачных объектов. С их помощью обнаруживают макро- и микродефекты, структурные неоднородности, внутренние напряжения (по вращению плоскости поляризации). Их использование резко расширило область применения оптических методов и повысило точность измерения.

С помощью многоволоконных световодов возможно производить оптическую дискретизацию исходного изображения и оценку размеров для чего на один из торцов жгута наносят измерительную шкалу.

Применение гибких волоконных световодов в пирометрах позволяет, например, осуществлять контроль воспламенения воздушно-топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания в процессе их работы. Для этого входные торцы волоконнооптических жгутов устанавливаются в разных цилиндрах контролируемого объекта.

Выходные торцы жгутов сформированы в виде одного кадра, что позволяет одновременно регистрировать процесс горения во всех контролируемых точках. При необходимости в том же кадре можно регистрировать излучение эталонного источника, поданное по отдельному жгуту.

Как привило, волокна для световода изготовляют из тяжелого стекла с оболочкой из более лёгкого стекла, диаметр волокна может составить несколько микрон, при толщине оболочки до одного микрона. Таким образом, разрешающая способность волоконных элементов может доходить до 100 линий на миллиметр, что хорошо согласуется с линейным разрешением обеспечиваемым приёмными устройствами большинства спектральных приборов, определяемыми зернистостью фотоэмульсии и шириной оптических щелей.

В настоящее время, широко доступны волоконные элементы изготовленные из стекла, что правда ограничивает их применение только видимой областью спектра. Использование волоконных световодов очень удобно для фотоэлектрического исследования близко расположенных участков спектра, например тесно расположенных спектральных линий, или контура спектральной линии.

Волоконные световоды применяют и в тех случаях, когда источник освещения и регистрирующее устройство не могут быть достаточно удобно расположены относительно друг друга из-за сложной геометрии или например чрезмерных излучений источника освещения (тепловых или электромагнитных при использовании газоразрядных излучателей).

Стоит отметить, что изготовление волоконнооптических жгутов со строго паралельным и упорядоченным расположением волокон (для передачи изображения) связано со значительными технологическими трудностями.

Примечания

Шаблон:Написал

Типы световодов

Существуют разнообразные типы световодов, основные среди них:

  • Линзовые (зеркальные) световоды, представляющие собой систему заключённых в светонепроницаемый кожух и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлические трубы различных сечений и прочие аналогичные конструкции (находят применение в системах дневного освещения внутренних площадей зданий). Они представляют собой систему заключённых в светонепроницаемый кожух и расположенных на определённых расстояниях линз или зеркал. На внешней стороне таких световодов (расположенной обычно на крыше здания) находится концентратор собирающий попадающий на него солнечный свет и направляющий его в световод. На внутренней стороне такого световода (внутри помещений) находится светорассеиватель равномерно распределяющий свет по всему помещению или концентрирующий его в определённом месте. Такие световоды позволяют заметно сократить расходы уходящие на освещение внутренних помещений.
  • Гибкий диэлектрический волоконный световод с низкими оптическими потерями, позволяющий передавать оптическое излучение определённой длины волны на большие расстояния. Такое оптическое волокно применяется в настоящее время в связи, волоконно-оптических лазерах, волоконно-оптических усилителях и волоконно-оптических датчиках. Свет, попадающий на торец такого оптического волокна, может распространяться по нему на большие расстояния за счёт полного внутреннего отражения от боковых поверхностей. Использование световодов позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на расстояния, а также использовать криволинейные трассы. Используя различные легирующие примеси при изготовлении сердцевины оптического волокна создают активные оптические волокна, которые позволяют создавать оптические усилители излучения и волоконные лазеры Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.
  • Многоволоконные световоды состоящие из большого числа оптических волокон упорядоченно уложенных в пучки и сведённые с обоих сторон к единым торцам. Они позволяют передавать изображение без искажения при их изгибе по любому криволинейному профилю. Такие многоволоконные световоды используют при создании целого класса приборов обычно называемых эндоскопами. Достаточно высокая световая эффективность таких световодов позволяет использовать их и при создании осветительных систем для самих эндоскопов. При этом источник освещения располагается вне прибора, что позволяет исключить чрезмерный нагрев исследуемого объекта. Многоволоконные световоды предназначенные только для передачи световой энергии изготовляют из множества беспорядочно уложенных волокон.

Устройство волоконных световодов

В простейшем варианте световод представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина которой имеет показатель преломления n1, а оболочка с имеет показатель преломления n2 (при этом n2 < n1). Лучи входящие в сердцевину под достаточно малыми углами к оси световода, испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине световода.

Гибкие материалы:  Гибка заготовок: описание процесса, предварительный расчет, применяемые станки

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *