Волоконна оптика й хвилеводи

Хоча світло не поширюється по кривій, віно може бути спрямоване по складному шляхові за допомогою хвилеводів. Можуть використовуватися видимий і близький інфрачервоний спектральні діапазони, а напрямні хвилеводи можуть бути виготовлені з волокон полімеру або скла. Для середнього й далекого інфрачервоного спектральних діапазонів, хвилеводи являють собою порожні трубки з високою відбивною здатністю внутрішніх поверхонь. Хвилевід працює на принципі внутрішніх відбиттів, де світлові промені поширюються зиґзаґоподібним чином. Волокно може використовуватися, щоб передати світлову енергію у важкодоступні місця без доставки туди тепла від високотемпературного світлового джерела.

Кругла поверхня й кінці волокна (можливий інший переріз) поліровані. Зовнішня оболонка може бути додана. Коли скло гаряче, волокна можуть бути зігнуті з радіусом скривлення 20-50 раз їх діаметра перерізу, а після охолодження, 200-300 діаметрів. Пластмасові волокна, виготовлені з полімітив метакрулата, можуть бути зігнуті з набагато меншим радіусом, ніж скляні волокна. Типове ослаблення для 0.25-мм волокна полімеру перебуває в діапазоні 0.5 дб/метр довжини. Світло поширюється через волокно за допомогою внутрішніх відбиттів, як показано на Рис. 4.16B. Як випливає из Рів. (4.23), світло, що надходить з повітря у середовище, що має заломлюючий індекс n, обмежене кутом повного внутрішнього відбиття.

(A) (B)

Рис. 4.16. Оптичні волокна: (A) волоконний жгут із східчастим профілем показника заломлення; (B) визначення максимального кута уведення.

У загальному випадку, світло може проникати в інше середовище (оболонку), що має заломлюючий індекс n₁; тоді, Рів. (4.23) має вигляд:

Θ₀ =arcsin (n₁/n). (4.33)

Рис. 4.16A показує профіль індексу заломлення для окремого волокна з оболонкою, де оболонка повинна мати більш низький індекс заломлення, щоб забезпечувати повне внутрішнє відбиття від границі. Наприклад, покрите кварцом волокно може мати в середині таку речовину, щоб основний матеріал волокна мав індекс заломлення 1.5, а оболонка має індекс заломлення 1.485. Щоб захищати оболонку волокна, волокно поміщають в захисну гумову або пластмасову сорочку. Цей тип волокна називається "багатомодове волокно зі східчастою зміною індексу заломлення", яке стосується профілю індексу заломлення.

Коли світло входить у волокно, важливо визначити максимальний кут входу, після чого настане повне внутрішнє відбиття (Рис. 4.16B). Якщо ми беремо мінімальний кут внутрішнього відбиття Θ₀ =Θ₃, тоді максимальний кут входу Θ₂ може бути знайдений із закону Снелліуса:

Θ_{2 (макс)} =arcsin[(√n²-n²₁)/n]. (4.34)

Застосовуючи закон Снелліуса, і пам'ятаючи, що для повітря n =1, ми одержуємо

sin Θ_{in (макс)} =n₁·sin Θ_{2 (макс).} (4.35)

Поєднуючи Рів. (4.34) і (4.35), ми одержуємо найбільший кут з нормаллю до торця волокна, при якім повне внутрішнє відбиття відбувається в серцевині волокна:

Θ_{in (макс)} =arcsin (√n²-n²₁). (4.36)

Світлові промені, що входять у волокно під кутами більшими, ніж Θ_{in (макс)} пройдуть через оболонку до сорочки й будуть поглинуті. Для передачі даних, це - небажаний випадок, однак, у спеціально розроблених волоконно-оптичних датчиках, максимальний кут входу може бути корисним явищем для модуляції світлової інтенсивності.

Іноді, величину Θ_{in (макс)} називають числовим значенням апертури волокна. У зв'язку з варіаціями в куті Θ через зміни у властивостях волокна, їх вигинів, косих променів, світлова інтенсивність не падає до нуля різко, а скоріше поступово зменшується до нуля при наближенні до Θ_{in (макс)}. На практиці, числова апертура визначається як кут, у якому інтенсивність світла знижується на деяку довільну величину, (наприклад, 10 дБ максимальної величини).

Одне з корисних властивостей волоконно-оптичних датчиків - у тому, що вони можуть бути сформовані різноманітних геометричних форм залежно від бажаного застосування. Вони – дуже корисні для застосування в мініатюрних оптичних датчиках, які є чутливими до таких стимулів, як тиск, температура, хімічна концентрація, і т.д. Основна ідея використання оптичного волокна для детектування є модуляція одного або декількох параметрів світла у волокні, а потім, демодуляції оптичної інформації звичайними методами.

Стимули можуть діяти на волокно або безпосередньо або вони можуть прикладатися до елементів, приєднаних до зовнішньої поверхні волокна або до його полірованого кінця, щоб одержати сигнал, який оптично детектується.

Щоб зробити волоконно-хімічний датчик, спеціальна тверда фракція реактиву може бути сформована на оптичному шляху, погодженому з волокном. Реактив взаємодіє з аналізованою речовиною й приводить до ефекту, що оптично детектується, (наприклад, до модуляції індексу заломлення або коефіцієнта поглинання). Оболонка волокна може бути виготовлена з хімічної речовини заломлюючий індекс якої може змінюватися в присутності деяких рідин [3]. Коли кут повного внутрішнього відбиття змінюється, світлова інтенсивність також міняється.

Оптичні волокна можуть використовуватися двома способами. У першому способі (Рис. 4.17A), те ж саме волокно використовується для передачі сигналу збудження і його збору і далі передачі оптичного відгуку назад на обладнання обробки. У другому способі використовуються два або більше волокон, і функцію збудження (освітлення) і функцію збору виконують окремі волокна (Рис. 4.17B).

(A)

(B)

Рис. 4.17. (A) Одинарний - і (B) подвійний волоконно-оптичні датчики.

Рис. 4.18. Волоконно-оптичний датчик зсуву використовує модуляцію відбитої світлової інтенсивності.

(A) (B)

Рис. 4.19. Волоконно-оптичний датчик мікро вигину (A) і хвилевід для далекої інфрачервоної області випромінювання (B).

Найбільш часто використовуваний тип волоконно-оптичного датчика - датчик інтенсивності, де світлова інтенсивність модулюється зовнішнім стимулом [4]. На Рис. 4.18 показаний датчик зсуву, де хвилевід з одним волокном направляє світло до поверхні, що відбиває.

Світло подорожує по волокну й виходить із конічним профілем до відбивача. Якщо відбивач близький до торця волокна (відстань d), більшість світла відбивається знову у волокно й поширюється назад на світловий датчик, на іншій стороні волокна. Якщо відбивач розміщений далеко, деякі з відбитих променів не попадають на торець волокна й менша кількість фотонів вертається назад. Завдяки конічному профілю світла, що випромінюється, квазілінійна залежність між відстанню d і інтенсивністю повернутого світла може бути отримана в обмеженій області зсувів.

Так званий датчик величини мікро вигину може бути розроблений з використанням оптичного волокна, яке здавлено між двома деформаторами, як показано на Рис. 4.19A. Зовнішня сила прикладається до верхнього деформатора волокна, що впливає на положення внутрішніх поверхонь, що відбивають. Таким чином, світловий промінь, який звичайно був би відбитий у напрямку X, наближається до нижньої частини волокна під кутом, який є меншим, ніж Θ₀ — кут повного внутрішнього відбивання [Рів. (4.33)]. Таким чином, замість відбиття, світло переломлюється й направляється через стінку волокна. Чим ближче деформаторы знаходяться один до одного, тем більша кількість світла губиться, і менша кількість світла передається по волокну.

При роботі в спектральному діапазоні, де втрати у волокнах занадто великі, використовуються порожні хвилеводи для каналізації світла (Рис. 4.19B). Хвилеводи добре поліровані усередині й покриті металами, що відбивають. Наприклад, для каналізації теплової радіації, хвилевід може бути виготовлений з міді й покритий усередині двома шарами: нікель як основа, що й вирівнює поверхню, і золото з оптичною якістю, що має товщину в діапазоні 500-1000Ǻ. Порожні хвилеводи можуть бути зігнуті з радіусом 20 або з більшою кількістю їх діаметрів.

Хоча оптика волокна використовує ефект повного внутрішнього відбивання, у трубчастих хвилеводах використовується поверхневе відбиття дзеркала, яке є завжди меншим ніж 100 %. У результаті, втрати в порожньому хвилеводі - функція безлічі відбиттів; тобто втрати вищі для меншого діаметра й більшої довжини труби. При співвідношенні довжина/діаметр більшої ніж 20, порожні хвилеводи стануть досить неефективними.

Дата добавления: 2015-07-11