WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 29 |

В связи с этим довольно заманчива идея создания комбинированного устройства на базе щелевых световодов, которые были бы независимы от погодных условий и могли бы автоматически переключаться от естественного освещения помещений на электрическое и наоборот.

Приведённые примеры дают основание полагать, что развитие устройств на базе щелевых световодов находится только на начальной стадии и впереди нас ожидает множество оригинальных решений. Щелевые световоды – это весьма перспективное направление в области освещения разнотипных сооружений.

2.3.3 Волоконные световоды 2.3.3.1 Краткие сведения Идея применения волоконных световодов для передачи света не нова и существует много лет. Создание лазеров инициировало дальнейшее бурное развитие волоконной оптики и вместе с ней волоконных световодов. Попытки передачи оптического излучения в атмосфере, как уже говорилось, оказались затруднёнными из-за её неустойчивости и неоднородного состава. Применение лазерного излучения для передачи информации через атмосферу по тем же причинам оказалось очень неэффективным. Использование лучевых волноводов, использующих различного типа линзы, ограничивалось дороговизной монтажа и прокладки таких типов каналов.

Для передачи добротной информации требовалась хорошая передающая среда. Для оптических систем связи наиболее перспективными оказались волоконные световоды, получившие своё название из-за их нитевидности. Волоконные световоды (рисунок 2.5) состоят из световедущей жилы (сердцевины) из чистого прозрачного стекла, имеющей диаметр от нескольких до десятков микрометров, светоотражающей оболочки диаметром порядка 100 микрометров из стекла с меньшим показателем преломления по сравнению с показателем преломления сердечника и внешней защитной оболочки, обеспечивающей эластичность и прочность.

Рис 2.5 - Строение волоконно-оптического световода В таких структурах благодаря действию полного внутреннего отражения свет может распространяться на большие расстояния при условии малого затухания, зависящего от качества световода.

Возможность передачи оптического излучения по волоконному световоду в виде одного или многих типов колебаний определяется диаметром сердцевины, разностью показателей преломления сердечника и оболочки, длиной передаваемой световой волны. Соответственно, световоды разделяются на одномодовые и многомодовые.

Выбирая d1 достаточно малым, а n = n1-n2 близким к нулю (n1/n2 достаточно близким к единице), можно добиться работы световода в одномодовом режиме. Однако малый диаметр жилы и малая разность показателей преломления жилы и оболочки затрудняют ввод излучения в световоды и их стыковку, что является недостатком обычных одномодовых световодов.

При относительно большой величине d1 и n равном примерно 1 % световоды являются многомодовыми, в которых может распространяться большое количество различных типов колебаний (МОД).

Созданы и производятся световоды, у которых профиль распределения показателя преломления постепенно уменьшается от центра к периферии. Их называют градиентными световодами или световодами типа “Селфок”, “Градан”. На рисунке 2.6 показано изменение профиля показателя преломления по сечению круглого градиентного световода. Поперечные сечения некоторых типов круглых волоконных световодов и профили показателей их преломления даны на рисунке 2.7.

Рисунок 2.6 - Изменение профиля показателя преломления по сечению кругового градиентного световода а- общий вид; б- профиль показателя преломления по сечению Многослойные световоды имеют относительно большое сечение сердцевины, что позволяет облегчить изготовление, стыковку и их возбуждение. Разрабатываются стеклянные световоды на базе бескислородных стекол для инфракрасного диапазона длин волн оптического излучения (2—11 мкм). По предварительным оценкам потери в них должны быть в 10—20 раз ниже, чем в световодах, изготовленных из кварцевых стёкол.

Мы рассмотрели особенности строения единичных круглых волоконных световодов. В реальных же условиях волоконные световоды могут быть использованы в качестве передающей среды только в виде волоконно-оптических кабелей. Несложный волоконно-оптический кабель представляет собой некоторое число световодов, собранных в жгут и покрытых защитной оболочкой.

Под словом жгут обычно понимают группу световодов, составляющих основу волоконно-оптического кабеля, работающих в параллель.

Рис 2.7 - Поперечное сечение некоторых типов круглых волоконных световодов и профили показателей их преломления а- одномодовый; б- многомодовый с оболочкой; в- с параболическим распределением показателя преломления по сечению.

Конструкция (см. рисунок 2.8) волоконно-оптического кабеля состоит из защитной оболочки 1, волоконных световодов (жгутов) 2 и упрочняющих элементов 3. Разработаны технологии, позволяющие изготавливать волоконно-оптические кабели с потерями, незначительно превышающими потери в исходных световодах (несколько дБ/км).

Рис 2.8 - Конструкция волоконно-оптического кабеля с центральным (а) и периферийным (б) расположением упрочняющих элементов 1 - защитная оболочка кабеля ; 2 - волоконные световоды ; 3 - упрочняющий элемент.

Передача изображений по световодам возможна только при использовании жгутов. В этом случае (см. рисунок 2.9) световые сигналы с одного торца жгута на противоположный передаются как совокупность элементов изображения, каждый из которых передаётся по своей световедущей жиле. Изображение на входной торец жгута проецируется с помощью объектива, а выходной торец рассматривается через окуляр. Обычно разрешающая способность волоконных жгутов составляет 10—50 линий на миллиметр. Разработаны устройства, которые позволяют повысить разрешающую способность в два раза.

Технология изготовления оптических волоконных световодов не проста и от неё зависит их оптическое качество. На рисунке 2.10 дана схема процесса изготовления заготовки для вытяжки трёхслойного круглого волоконного световода с низкими потерями методом химического осаждения из газовой фазы.

Из рисунка видно, что в трубку из кварцевого стекла, которая равномерно нагревается внешним источником тепла, вводятся особо чистые хлориды кремния, бора и некоторых других элементов, а также кислород. При окислении образуется легированная двуокись кремния, которая осаждается на внутренней поверхности трубки и формирует стекловидный материал сердцевины и оболочки. При повышении температуры трубка сжимается (“схлопывается”) в сплошной стержень. Таким методом получается заготовка. Затем заготовка проходит операцию устранения внешних дефектов, которая заключается в высокотемпературной полировке её поверхности.

Рис 2.9 - Поэлементная передача изображения волоконной деталью 1 - изображение, поданное на входной торец; 2 - светопроводящая жила;

3 - изолирующая прослойка; 4 - мозаичное изображение, переданное на выходной торец.

Рис 2.10 - Схематическое изображение процесса изготовления заготовки методом химического осаждения из газовой фазы (а) и профиль показателя преломления по сечению заготовки (б) Следом заготовку устанавливают в специальной установке, на которой производится вытяжка стекловолоконной нити с одновременным покрытием защитной полимерной оболочкой. Затем стекловолоконные нити наматывают на бобины (см. рисунок 2.11 (б)). О высоком оптическом качестве волокна можно судить по его равномерному свечению. На рисунке 2.11 (а) показан волоконный световод, возбуждённый ИАГ лазером. Из рисунка видно, что световод имеет равномерное свечение.

Рис 2.11 - Волоконные световоды а- волоконные световоды, возбужденные ИАГлазером; б- катушки с волоконными световодами.

Световоды обладают следующими основными достоинствами: помехозащищённость по отношению к электромагнитным воздействиям, скрытость передачи, малый по сравнению с экранированными кабелями вес, потенциально низкая стоимость, благодаря отсутствию меди и свинца, устойчивость к температурным колебаниям, отсутствие опасности возгорания и коротких замыканий. По оценкам специалистов энергетические затраты на производство световодного кабеля в 90000 раз меньше, чем при производстве медного коаксиального кабеля. Разработана технология изготовления волоконных световодов, выдерживающих растягивающие нагрузки около 1,5 кг на длине в пределах километра.

2.3.3.2 Распространение оптического сигнала по цилиндрическому волоконному световоду Вполне ясно, что по световоду могут распространяться световые волны, введённые в него от какого-либо источника излучения. Такими источниками обычно являются лазер или светоизлучающий диод, который помещается у торца световода. Попавшее в сердцевину (жилу) световода излучение не в полном объёме распространяется по нему. Лучи света, падающие к границе раздела под углами меньшими критического, попадают в оболочку и в дальнейшем поглощаются покрытием (защитной оболочкой).

Лучи же света, подходящие к границе раздела под углом выше критического, полностью отражаются обратно в сердцевину световода. Этот процесс полного внутреннего отражения, постоянно повторяясь, обеспечивает распространение излучения вдоль световода.

Рассмотрим простой волоконный световод со ступенчатым профилем показателя преломления. Этот световод имеет резкую границу между жилой и оболочкой, и показатель преломления на границе раздела “жила – оболочка” меняется скачкообразно. На рисунке 2.12 показана схема двухслойного круглого стеклянного волоконного световода со ступенчатым профилем показателя преломления. Из рисунка. 2.12 видно, что такой световод состоит из однородной сердцевины диаметром d1 = 2a1 и показателем преломления n1, заключённой в оболочку с показателем преломления n2 диаметром d2 = 2a2.

Причём n1 > n2.

В рассматриваемом случае могут передаваться два типа лучей: меридиональные, пересекающие ось световода, и косые, которые не пересекают её. В ступенчатом световоде лучи распространяются вдоль жилы, испытывая полное внутреннее отражение на границе раздела сред.

Рисунок 2.12 - Схематическое изображение двухслойного круглого стеклянного волоконного световода со ступенчатым профилем показателя преломления и ход меридиональных лучей 1 - сердцевина (жила); 2 - оболочка Рассмотрим ход меридиональных лучей. На рисунке 2.12 показано введение светового луча под углом 0 из среды с показателем преломления n0 в жилу волоконного световода (n1), где на границе (жила – оболочка) сред с показателями преломления n1 и n2 (n1 > n2) он претерпевает полное внутреннее отражение.

Как было показано, полное внутреннее отражение происходит тогда, когда угол отражения внутри световода больше критического угла sink = n2/nИсходя из закона преломления Снелля критический угол может быть связан с углом падения луча в жилу следующей зависимостью:

n Sin = n1 Sin = n1 Sin (90 - ) = n1 Cos = 0 0 k k, n 2 = n1 1 - Sin = n1 1 - = n12 - n n1 2, nnгде =1-, nВеличина n0.sin0 называется числовой апертурой NA, от которой в значительной степени зависит количество введённой в световод энергии.

Иначе говоря, максимальный угол отклонения лучей, вводимых в световод, при котором наблюдается их полное внутреннее отражение на границе раздела сред существенно зависит от числовой апертуры световода. Так, для жилы из плавленого кварца (n1 = 1,6) и =0,01 числовая апертура NA=0,2, максимальный угол ввода излучения 0 составляет 23,10. Небольшое значение угла 0 вызывает определённые трудности при вводе излучения в жилу световода.

Потери световой энергии в световодах происходят по совокупности причин. Вводимое в волоконный световод оптическое излучение теряет часть своей энергии как при вводе, так и при распространении по нему. Общая картина потерь показана на рисунке 2.13. При вводе света в волоконный световод часть света попадает в покрытие и поглощается им, другая часть теряется на входе за счёт отражения от его торца. Введённый в световод свет, распространяясь по нему, также теряет часть своей энергии, что обусловлено различными причинами.

Рис 2.13 - Общая картина потерь в волоконном световоде В совокупности потери могут быть столь значительными, что окажутся в состоянии привести к полному затуханию вводимого света. Основными причинами потерь света при распространении по световоду считают его поглощение в материале жилы в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра электромагнитного излучения и рассеяние на различного рода её неоднородностях.

На рисунке 2.14 (а) показаны оптические потери (собственное затухание) в световоде.

Рис 2.14 - Оптические потери от собственного затухания в световоде (пояснение в тексте) Известно, что в твёрдых материалах (в т. ч. стекле) атомы соединены между собой электронами, образующими химические связи, и короткие волны соответствуют их энергиям. В силу чего в этом случае коротковолновое излучение будет поглощаться более интенсивно, чем длинноволновое, и теряться в виде тепла. Поэтому, в коротковолновой области оптического излучения (ультрафиолетовая область) затухание волн будет определяться электронным поглощением.

В более длинноволновой области оптического спектра (инфракрасной) колебательное поглощение является основным фактором ослабления введённого в световод излучения некоторой длины волны. Оно зависит от масс, размеров и зарядов атомов данного твёрдого тела. Массы атомов и силы связи между ними определяют длины волн, на которых поглощение наиболее сильное.

На рисунке 2.14 (б) показано, что увеличение масс атомов стеклообразных материалов и ослабление силы связи между ними приводит к поглощению более длинных волн. Установлено, что ZrF4 и AsSe3 сильно ослабляют световое излучение в длинноволновой инфракрасной области, а SiO2 наиболее сильно поглощает световое излучение в средней инфракрасной области.

Потери светового излучения в стёклах и волоконных световодах происходят также из-за рассеяния на различного рода неоднородностях в составе и плотности материала. Основным механизмом потерь в твёрдых телах, включая стёкла, является рэлеевское рассеяние света – рассеяние на неоднородностях, меньших длины волны света.

Электронное и колебательное поглощения и рэлеевское рассеяние относят к собственным оптическим потерям, присущим самому материалу.

Кроме того происходят и несобственные оптические потери, возникающие из-за присутствия нежелательных примесей в материале и несовершенства технологии получения стекловолокна. К этим потерям относят поглощение световой энергии посторонними примесями, присутствующими в материале волокна, её рассеяние на больших включениях и пустотах, а также потери за счёт неравномерности диаметра волокна по его длине и отклонений от требуемых величин показателя преломления по сечению световода.

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 29 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.