Основы волоконной оптики

Основные понятия и определения

Опр.1 Коэффициенты пропускания t - есть отношение потока, прошедшего через световод, к потоку, упавшему на его входной торец:

t = , (3.1)

Опр.2. Величину, численно определяемую выражением:

D = lg (1/ t), (3.2)

принято называть оптической плотностью.

Коэффициент пропускания t и оптическая плотность D системы, состоящей из нескольких последовательно расположенных по ходу луча сред, равны:

t = t₁, t₂, t₃, …t_k. (3.3)

D = D ₁+ D ₂+ D ₃+…+ D_k. (3.4)

Величины t и D имеют нулевую размерность. Оптическая плотность D = 1,0 соответствует коэффициент пропускания t = 0,1. При проведении технических измерений D измеряют в Беллах (1 Б), но чаще используют величину 1 дБ.

Индикатриса светопропускания позволяет определить светопропускание для лучей, заполняющих все направления в конусе с заданной апертурой:

A = n sinq_A, (3.5)

где q_A - апертурный угол, определяющий наклон образующей конуса светового луча к оси световода. Иногда применяется понятие числовая апертура, равная:

A = sinq, (3.6)

где q - апертурный угол - наклон образующей конуса к оси световода (СВ).

Если апертурный угол q = 0, то коэффициент пропускания t = max, а оптическая плотность D =min; то есть с увеличением угла q коэффициент пропускания t уменьшается, оптическая плотность D увеличивается.

Числовые апертуры источника излучения (ИИ) и приемник излучения (ПИ) должны быть согласованы.

Рис.3.1. Прохождение меридианом луча

Вариант А луч - падает под углом на торец OY, преломляется и имеет внутри жилы угол наклона к оси световода , затем он падает на границу раздела под углом , равным углу полного внутреннего отражения. Луч света СП пересекает ось под углом < , испытывает полное внутреннее отражение. Прохождение лучом света поверхности раздела двух сред с коэффициентами преломления n₁ и n₂ описывается законом преломления

n ₁ sinq₁ = n ₂ sinq₂ . (3.7)

Условием получения внутреннего отражения на границе световодная жила-оболочка

n ₁ sin = n _3, (3.8)

где = 90 - .

Тогда числовая апертура световода:

A = n ₁ sinq_1кр = . (3.9)

Вариант В. Если конический пучок лучей, падающих на входной торец идеально прозрачного световода, имеет угол при вершине < , то он пройдет через световод, т.е. светопропускание t = 1. Если же > , то при тех же условиях светопропускания:

(3.10)

Светопропускание t = 1 для любых q₁ = 90⁰, если выполняется условие

. (3.11)

Косые лучи (или тангенциальные лучи) на входе в СВ (световод), не пересекающие ось световода, падают на поверхность раздела жила-оболочка под большим углом, чем меридиональные.

В результате этого даже при углах > часть косых лучей распространяется через СВ, увеличивая его t (светопропускание).

В отличии от меридиональных косые лучи внутри СВ идут по ломаным винтовым линиям. Проекция такого луча показана на рис.3.2. При круглом световоде диаметр цилиндра касательного к данному лучу, остается постоянным при распространении луча через СВ.

Критический угол падения косых лучей (индекс ‘ k ’) такой же, что и для меридианных и при n ₁ = 1 равен

= (4.12)

Угол быстро увеличивается с увеличением отношения при n ₁ = 1; n ₂ = 2; n ₃ = 1,5 достигает 90⁰ при » 0,36.

Для более полного использования СВ в ВОП полезно применять такое свойство как симметризацию пучка лучей и усреднение освещенности по выходу из торца.

Суть симметризации пучка лучей можно пояснить рис.3.2.

Рис.3.2. Симметризация пучка лучей

Из рис.3.2 видно, что при симметризации конический пучок лучей заполняет на выходе из СВ пространственную зону, ограниченную коаксиальными коническими поверхностями (область А).

Симметризация лучей внутри жилы СВ и как следствие смещение лучей приводит к усреднению распределения света по выходному торцу и равномерной освещенности. Эти свойства СВ являются одной из предпосылок линейности ФП ВОП перемещения непрозрачного тела.

Весьма важное свойство СВ - способность к светопередаче через сильно изогнутые участки.

Рис.3.3. Светопропускание изогнутого световода

(обозначено - радиус гиба световода)

Рассеянные свойства СВ основаны на геометрической оптике.

Такое предположение допустимо при условии, если d _свж>>l_изл.

d _свж – диаметр световодной жилы;

l_изл - длина волн переднего излучения.

В случае, если d _свж близко l_изл, то СВ начинает работать в режиме диэлектрического волновода.

При этом вместо равномерной освещенности с торца на нем наблюдаются чередующиеся светлые и темные пятна.

В волноводах полное внутреннее отражение наступает не при любых углах падения, а только при углах падения больше критических и только при дискретных их значениях, называемых характеристическими.

Каждому такому значению соответствует свой тип (мода) распространяющейся волны, своя картина освещенности на торце.

При увеличении d _св число распространяющихся мод возрастает и дискретный спектр характеристических углов становится все гуще, постепенно переходя в сплошной и тогда освещенность выхода торца СВ вновь становится однородной.