Книги по разным темам Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 | 8 | 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 УСелфокФ, УГраданФ. 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 (2Ч11 мкм). По предварительным оценкам потери в них должны быть в 10Ч20 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 10Ч50 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 (УсхлопываетсяФ) 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).

учи 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 Ужила - оболочкаФ 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 | 8 | 9 | 10 |   ...   | 29 |    Книги по разным темам