WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 | 11 |   ...   | 29 |

Общие потери в световоде характеризуются коэффициентом затухания, который выражается в децибелах на километр (дБ/км). Из рисунка 2.14 (а) видно, что минимумы потерь в стекловолокне находятся в инфракрасной области оптического излучения и совпадают с длинами волн, генерируемых современными лазерами: полупроводникового лазера = 0,75—0,91 мкм, твердотельного лазера на стекле с неодимом и ИАГ лазера с неодимом = 1,мкм. Для кварцевых световодов минимум коэффициента ослабления находится в более далёкой инфракрасной области ( = 1,3 мкм).

В первых стекловолокнах оптические потери составляли около дБ/км, т.е. свет ослаблялся вдвое на расстоянии 1 метр. Совершенствуя технологию изготовления стекловолокон, потери в них удалось снизить до дБ/км. Позднее были созданы стекловолокна с потерями менее 1 дБ/км, т.е.

свет ослабевал на 20 % на длине 1 км.

Есть сведения о том, что в настоящее время созданы кварцевые световоды, у которых оптические потери равны 0,2 дБ/км, на длине волны 1,5 мкм.

2.3.3.3 Дисперсионные явления в световодах Есть и другое явление, возникающее при передаче по световоду определённой последовательности оптических импульсов, которое ограничивает информационную ёмкость канала связи.

Известно, что любой световой импульс неоднороден. Он состоит из набора волн (волнового пакета). Даже лазерное излучение имеет определённую спектральную ширину с набором достаточно близких волн, которые всё же немного отличаются между собой по частоте. Входящие в состав пакета волны, оказываются разного цвета: высокочастотные – “синие” и низкочастотные – “красные”.

В световодах эти компоненты передаваемого импульса распространяются с различными скоростями, что является причиной их временного удлинения. Такое временное удлинение светового импульса при передаче по световодам называют дисперсией (см. рисунок 2.15). Для объяснения этого явления различные авторы приводят следующий простой пример.

Рис 2.15 - Временное удлинение светового импульса при передаче по световоду Положим, две группы бегунов приготовились к последовательному старту на длинную дистанцию. Первая группа (первый “пакет”) бегунов стартует в заданное время. Естественно, группа растянется из-за разности скорости бегунов. Через определённый промежуток времени за первой группой стартует вторая группа (второй “пакет”) бегунов. Может случиться так, что наиболее быстрые бегуны второй группы догонят отстающих первой группы и они финишируют вместе.

Аналогичным образом при передаче последовательных световых импульсов возможно их перекрытие на выходе из световода, что приводит к появлению помех и потере информации.

Показано, что в многомодовом световоде с радиусом сердечника мкм и n = 1 % интервал между самой быстрой и самой медленной МОДами составляет 60 нс после прохождения расстояния в 1 км. При передаче импульсных световых сигналов через одномодовые световоды, которые пропускают только один тип колебаний, явление дисперсии минимально.

Оказалось, что уменьшение расширения светового импульса можно получить и в многомодовых световодах, где разные типы колебаний распространялись бы с одинаковой скоростью. К таким световодам относятся волоконные световоды с плавно меняющейся плотностью и, соответственно, показателем преломления по сечению.

Установлено, что при изменении показателя преломления сердцевины волоконного световода по параболистическому закону скорости распространения всех МОД примерно одинаковы. Иначе говоря, в таком световоде происходит выравнивание групповых скоростей распространения различных типов колебаний, что уменьшает расширение светового импульса.

Созданы световоды с величиной расширения светового импульса в пределах 1,5 нс/км.

2.4 Волоконные световоды в технике Первые идеи по применению волоконных световодов для практических целей были связаны с системами передачи информации. Основные сферы их применения в рассматриваемое время – это телефонная связь и кабельное телевидение. Принцип действия оптических систем связи и передачи информации укладывается в схему: источник оптических сигналов – передающий световод – быстродействующий фотоприёмник. На рисунке 2.16 показано преимущество передачи информации по указанной схеме через волоконные световоды.

В воздухе лазерный луч расширяется. Его диаметр у фотоприемника (ФП) больше, чем на выходе из лазера. При распространении луча по световоду диаметр сохраняется (рисунок. 2.16.I). Избежать рассеяния луча можно, установив на его пути фокусирующие системы (рисунок 2.16.II). Световод позволяет обойтись без дополнительных линз. Кроме того, путь луча может быть не прямолинейным, а иметь достаточно сложную форму (рисунок.

2.16.III).

Рис 2.16 - Схемы передачи лазерного излучения по воздуху и световоду Применение оптических систем связи и передачи информации обусловлено возможностью эффективного превращения электрических сигналов в оптическое излучение и оптических сигналов в электрические токи. В этом случае источниками света служат полупроводниковые инжекционные лазеры (см. рисунок 2.17) или светоизлучающие диоды.

Рис 2.17 - Инжекционные лазеры а- различные типы инжекционных лазеров; б- одночастотный инжекционный лазер с перестраиваемой длиной волны генерации Фотоприёмник – фотоэлектрический приёмник оптического излучения предназначен для непосредственного преобразования световых сигналов в электрические. К ним относятся фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды и т.п.

В оптических системах информационные сигналы, заключённые в последовательность электрических сигналов, моделируют лазерное излучение:

полупроводниковый лазер электрические сигналы превращает в световые.

Световое излучение вводится в световод и распространяется по нему на необходимые расстояния. В конечной точке помещается фотоприёмник, преобразующий световые сигналы в электрические. В итоге мы и воспринимаем их в виде звуковых сигналов при телефонном разговоре или на экране телевизора в виде изображения и речевой информации.

Оптическая система для передачи различных информаций обладает следующими основными достоинствами: помехозащищённость по отношению к электромагнитным воздействиям, скрытость передачи (практическое отсутствие излучения при неповреждённых световодах), малый (по сравнению с экранированными кабелями) вес, отсутствие опасности возгорания и коротких замыканий, меньшее количество (по сравнению с традиционными системами) усилительных устройств (5—12 км для кабелей на оптических волокнах и 2—4 км для систем связи с экранированными кабелями), широкая информационная полоса пропускания (в настоящее время созданы широкополосные многомодовые световоды с полосой пропускания, определяемой разностью между минимальной и максимальной частотами, порядка ГГц/км).

В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) различают три основных вида систем: магистральные сверхширокополосные линии связи длиной десятки и сотни километров, линии средней длины до 2-х километров (внутригородские) и короткие, используемые внутри отдельных объектов (зданий, самолётов, ЭВМ и т.п.).

Рассмотрим лишь один пример – использование ВОЛС в авиации. По мнению зарубежных специалистов целесообразными направлениями использования волоконной техники в авиации являются:

• в системе передачи изображений по волоконным жгутам;

• в самолётных бортовых системах с низкими информационными потоками;

• в самолётных каналах информационного обмена большой ёмкости;

• в наземной технике связи;

• в системе передачи команд в авиационных ракетах.

Жгуты можно использовать для передачи визуальной информации лётчику от различных датчиков изображений (телевизионных и других датчиков). При наземном обслуживании самолётов они используются для контроля за элементами конструкции самолёта в труднодоступных местах.

Наметившаяся тенденция ухода от управления самолётом посредством системы тяг в пользу проводной линии приведёт к снижению его общей массы и позволит более гибко формировать сигналы управления в зависимости от условий его полёта. В этом случае волоконные кабели с низкими информационными потоками вполне могут заменить электрические. В такой системе низкая потребная информационная ёмкость каналов связи определяется относительно медленным изменением параметров полёта самолёта.

Устойчивость к внешним помехам и малая масса ВОЛС говорят о предпочтительности применения этой системы. При построении единой мультиплексной (сложной и многократной) бортовой системы информационного обмена большой ёмкости наибольший выигрыш можно получить от применения волоконно-оптических линий (магистралей). В этом случае на борту самолёта находятся несколько управляющих вычислительных машин (ЭВМ).

Каждая из этих машин способна решать все задачи и передавать часть своих задач на другие ЭВМ в случае отказа.

Перспективность использования ВОЛС для связи между блоками ЭВМ в наземных пунктах управления определяется, в частности, такими преимуществами, как гальваническая развязка и отсутствие электрических наводок на кабель.

ВОЛС в системе передачи команд в авиационной ракете применяются в основном благодаря их высокой помехоустойчивости по отношению к электрическим наводкам.

Считается, что с оптическими линиями связи возможно снижение веса самолёта (при других равных условиях) в пределах четырёх тонн, а стоимости до 10 миллионов долларов.

Область использования волоконных световодов не ограничивается системами связи и передачи информации. Примером применения инфракрасных световодов является волоконно-оптический фторидный лазер (см. рисунок 2.18) фирмы General Telephone and Electronics, Inc. Здесь активным элементом лазера служит световод из фторидного стекла с добавкой неодима. Такой световод помещён между зеркалами, одно из которых полупрозрачное. Устройство преобразует сине-зелёное лазерное излучение в инфракрасное за счёт того, что сине-зелёный свет возбуждает ионы неодима, вкраплённые в фторидное стекло световода, которое затем испускает инфракрасное излучение.

Рис 2.18 - Фторидный волоконно-оптический лазер 2.5 Световоды в медицине 2.5.1 Щелевые световоды В медицине щелевые световоды применяются для освещения взрывоопасных барокамер, где лечение или хирургическая операция больных происходит в атмосфере чистого кислорода при повышенном давлении. В этих случаях традиционное электрическое освещение барокамер возможно только при принятии соответствующих мер повышенной предосторожности.

При применении щелевых световодов лампы находятся вне барокамеры, внутренний объём которой освещается световодами, расположенными внутри помещения.

2.5.2 Волоконные световоды Как мы уже знаем, в медицине используются различные лазеры, которые генерируют излучение от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона. Мы также рассмотрели их лечебные возможности.

При этом основной задачей становится метод подвода лазерного луча к любому больному участку тела и внутреннему органу пациента. В этом случае, видимо, волоконные световоды и жгуты с небольшими поперечными сечениями и сопоставимыми потерями могут быть наиболее подходящими для указанных целей. Недаром в последние годы наиболее широкое применение в медицине волоконные световоды нашли в области передачи энергии лазерного излучения внутрь человеческого тела для хирургических и терапевтических целей.

Применение оптических волоконных световодов в медицине также связано и с использованием их в диагностической практике в качестве систем передачи изображений, которые называются фиброскопами. На рисунке 2.(а) показан общий вид фиброскопа и фотография полипов, полученная с его помощью в клинике Мэйо (рисунок 2.19 (б)).

Рис 2.19 - Фиброскоп а- общий вид и строение; б- фотография полипов, полученная с помощью фиброскопа.

Из рисунка 2.19 (а) видно, что фиброскоп состоит из внешнего и внутреннего жгутов волоконных световодов, плотно уложенных между собой. Внешний жгут – осветительный, а внутренний – информационный (передача изображения к наблюдателю). Свет из мощного источника (например, ксеноновая лампа) направляется на приёмник. Линза приёмника фокусирует свет от лампы на торец жгута. Свет, проходя по световодам жгута, освещает полип (например, в желудке).

Отражённый от живой ткани свет собирается линзой и фокусируется на торец внутреннего жгута. Изображение можно наблюдать в окуляр, записывать на видеоплёнку и т.д. Новейшие фиброскопы содержат до 10000 световодов в жгуте диаметром около 1 мм. Разрешающая способность такого фиброскопа высока. Он позволяет рассматривать предметы, имеющие размер мкм в поперечнике.

Фиброскопы часто включаются в состав более сложных приборов, называемых эндоскопами. Эндоскопы также имеют дополнительные каналы, позволяющие расширить функции этого прибора. Например, через один канал можно ввести воду для очистки раны от инородных веществ, через другой – миниатюрные скальпели для разрезания биоткани, через третий – иглы для впрыскивания лекарств. Современные эндоскопы имеют длину от 0,3 до 1,2 м и диаметр от 2,5 до 15 мм. На рисунке 2.19 (б) показана концевая часть эндоскопа, в дополнительный канал которого введены миниатюрные ножницы для отделения полипа. На рисунке 2.20 показана возможная конструкция эндоскопа для введения через плечевую артерию для наблюдения фрагментов сердца и разрушения бляшек и других наростов в сосудах. Через него можно наблюдать за клапанами сердца и закупорками в венечных артериях, разрушать бляшки и т.п. На вставке рисунка 2.20 показана концевая часть эндоскопа, состоящего из фиброскопа, надувной манжеты, силового световода для подвода лазерного излучения и вспомогательного канала. Фиброскоп позволит визуально обнаружить бляшки и другие закупорки сосудов. Затем, для временной остановки кровотока манжета надувается.

По силовому световоду подаётся лазерное излучение для разрушения, например, бляшки. После проведённой операции из манжеты выпускается воздух и поток крови восстанавливается. Первоначально для удаления бляшек применяли аргоновый лазер, излучающий зелёный свет, из-за его надёжности и эффективности передачи его излучения по обычным кварцевым световодам. Оказалось, что зелёный свет вызывает обширные тепловые разрушения близлежащих тканей. При этом происходит недостаточно эффективное удаление бляшки. Для этих целей более эффективными оказались импульсное ультрафиолетовое или инфракрасное лазерное излучение. Для таких операций очень важным является защита кровеносных сосудов от прожигания лазерным лучом. Считается, что волоконные световоды способны передавать инфракрасное излучение СО2 лазера, позволяя создавать безопасные, надёжные и долговечные хирургические системы.

Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 | 11 |   ...   | 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.