Оптические волокна и волноводы

Несмотря на то, что лучи света не могут заворачивать за угол преграды, при помо­щи волноводов их можно направить по сложной траектории. Для работы в види­мом и ближнем ИК диапазонах спектра волноводы, как правило, изготавливают­ся из стекла. А для средних и дальних ИК областей применяются волноводы в виде полых трубок с сильно отражающими внутренними поверхностями. Работа волноводов основана на принципе внутренних отражений, когда лучи света рас­пространяются по зигзагообразному маршруту. Оптические волокна используются для переноса световой энергии в недоступные зоны без передачи тепла от источ­ника света. Поверхности и концы волокон всегда тщательно отполированы, а их поперечное сечение может быть не только круглым. Иногда оптоволокна покры­ваются специальной оболочкой (плакировкой). Нагретые стеклянные волокна могут быть закручены по радиусу кривизны, в 20-50 раз превышающему диаметр поперечного сечения, а в холодном состоянии этот радиус увеличивается до 200-300 диаметров. Пластиковые волокна изготавливаются из полиметил метакрила-та, и их можно изгибать по гораздо меньшему радиусу, чем стеклянные волокна. Коэффициент затухания в типовых полимерных оптоволоконах диаметром 0.25 мм составляет порядка 0.5 дБ на метр длины. Свет распространяется по волокну за счет полного внутреннего отражения, как показано на рис. 4.16Б. Из уравне­ния (4.23) следует, что угол полного внутреннего отражения определяется коэф­фициентом преломления среды п, в которую свет попадает из воздуха. В общем виде, при прохождении света через границу двух сред с коэффициентами прелом­ления п и п_] выражение (4.23) принимает вид:

На рис. 4.16А показан профиль коэффициента преломления волокна с пла­кировкой. Для достижения полного внутреннего отражения на границе слой пла­кировки должен иметь более низкий коэффициент преломления. Например, квар­цевое волокно со слоем плакировки может иметь следующее соотношение коэф­фициентов преломления: у сердцевины и = 1.5, а у плакировки— 1.485. Для защиты от внешних воздействий на такое волокно обычно наносится пластиковое или резиновое покрытие. Такой тип волокна называется многослойным оптоволокон­ным кабелем со ступенчатым профилем коэффициента преломления.

Глава 4 Оптические компоненты датчиков

Рис. 4.16.Оптические волокна А — многослойное волокно со ступенчатым про­филем коэффициента преломления, Б — определение максимального угла входа

При использовании оптоволоконных кабелей очень важно определять мак­симальный угол входа света в волокно, поскольку этот параметр влияет на полное внутреннее отражение (рис 4.16Б) Если минимальный угол внутреннего отра­жения

Θ₀= θ₃, максимальный угол θ₂ находится по закону Снелла

Применив закон Снелла еще раз и считая, что для воздуха п≈1, получим.

Объединив уравнения (4 34) и (4 35), найдем выражение для максимального угла входа света в волокно относительно нормали к поверхности конца оптоволокна, при котором обеспечивается полное внутреннее отражение в его сердцевине

Лучи света, попадающие в волокно под большими углами, чем угол в,„,_тах), прохо­дят через защитное покрытие и теряются, что является весьма нежелательным при передаче данных Однако специальные оптоволоконные датчики используют мо­дуляцию интенсивности света, вызванную изменениями угла входа

Иногда величина θ_in(max) называется цифровой апертурой оптоволокна Сниже­ние интенсивности света может происходить из-за изменения свойств волокна, его изгибов и скруток, но при этом она никогда не падает до нуля резко, а постепенно спускается до нулевого уровня по мере приближения к углу θ_in(max) На практике циф­ровая апертура определяется в виде угла, при котором интенсивность света

4.7. Оптические волокна и волноводы

уменьшается на какую-то конкретную величину, например, на -10 дБ от макси­мального значения.

Одним из главных достоинств оптоволоконных датчиков является то, что им можно придать практически любую геометрическую форму, диктуемую условия­ми применения. Оптоволокна широко применяются в миниатюрных оптических датчиках, измеряющих давление, температуру, химическую концентрацию и т.д. Почти все такие датчики построены на модуляции одной или нескольких харак­теристик света в оптоволокне при изменении внешних воздействий с последую­щей оптической демодуляцией сигнала обычными методами. Внешние сигналы могут либо непосредственно влиять на волокно, либо воздействовать на компо­ненты, соединенные с его наружной поверхностью или его отполированными кон­цами. Цель таких воздействий — получение оптически детектируемых сигналов.

Для получения химического датчика к оптическому волокну может подсое­диняться специальная ячейка с реагентом. Реагент вступает в реакцию с исследу­емым веществом, в результате чего изменяются оптические свойства волокна, например, происходит модуляция коэффициента преломления или коэффици­ента поглощения. Существует еще один способ построения химических датчи­ков. Плакировка оптоволокна может быть изготовлена из химических веществ, коэффициент преломления которых меняется в присутствии некоторых жидко­стей [3]. При изменении полного внутреннего отражения оптоволокна интенсив­ность света также изменяется.

Оптоволокна могут использоваться двумя способами. В первом случае (рис. 4.17А) для передачи сигнала возбуждения и для приема ответного оптического сигнала используется один и тот же световой канал. Во втором — функции воз­буждения (освещения) и сбора информации разделены, для чего применяются два или более независимых канала (рис. 4.17Б).

В большинстве оптоволокон­ных датчиков определяется интен­сивность света, модулированная внешними сигналами [4]. На рис. 4.18 показан датчик перемещений, в котором через оптоволоконный волновод передается свет в сторо­ну отражающей поверхности. Свет проходит вдоль волокна и выходит в форме конуса, направленного к отражателю. Чем ближе отражаю­щая поверхность расположена к концу волокна, тем больше фото­нов света возвращается назад в де­тектор, что означает более высо­кую интенсивность отраженного излучения. Таким образом, по ве­личине этой интенсивности мож­но судить о перемещении отража­ ющего объекта. Благодаря кони-

Глава 4. Оптические компоненты датчиков

ческому профилю испускаемого света в ограниченном пространстве удается по­лучить квазилинейную зависимость меж­ду интенсивностью возвращенного излу­чения и расстоянием между концом во­локна и отражателем.

На рис. 4.19А показан датчик из-гибных деформаций, состоящий из оп­тического волокна, зажатого между дву­мя деформирующими устройствами. Внешняя сила, приложенная к верхне­му устройству, изменяет положение внутренней отражающей поверхности волокна. Поэтому луч света, который в ненагруженном состоянии отразился бы от нижней части волокна в направ­лении х, в нагруженном состоянии по­меняет свое направление, и выйдет че­рез стенку волокна вдоль линии у, поскольку угол его распространения стал мень­ше угла полного внутреннего отражения θ₀ (см. уравнение (4.33). Чем больше внешняя сила, тем ближе деформирующие устройства приближаются друг к другу и больше света уходит наружу, что означает снижение интенсивности выходяще­го из волокна излучения. сила

волновод

В спектральном диапазоне, в котором происходят значительные потери в оптоволокнах, в качестве световодов используются полые трубки (рис. 4.19Б). Внутренняя поверхность трубок тщательно полируется и покрывается отража­ющим слоем металла. Например, для передачи теплового излучения трубка мо­жет изготавливаться из латуни и покрываться двумя слоями: из никеля — для выравнивания поверхности и из золота - толщиной 500-1000 А, обладающего отличными оптическими характеристиками. Полые волноводы способны изги­баться по радиусу, равному 20 и более диаметрам. Хотя почти вся волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения, трубчатые вол-

4.8. Концентраторы 167

новоды используют принцип отражения от внешних зеркальных поверхностей, которое всегда меньше 100%. Поэтому потери в полых волноводах зависят от количества отражений: чем меньше диаметр и длиннее трубка, тем больше в ней потери. Полый волновод становится неэффективным, когда отношение его дли­ны к диаметру становится больше 20.

Концентраторы

В оптических детекторах часто встает проблема, увеличения плотности потока фо­тонов, ударяющихся об их поверхность. Во многих случаях, когда важно опреде­лять только интенсивность излучения и нет необходимости проводить фокусиров­ку и формирование изображений, можно использовать специальные устройства, называемые коллекторами или концентраторами [5], обладающие свойствами как волноводов, так и оптических элементов, таких как линзы и кривые зеркала. Са­мой важной характеристикой концентраторов является отношение площадей вход­ной и выходной апертуры, называемое коэффициентом концентрации С. Этот ко­эффициент всегда больше единицы, поскольку концентратор собирает свет с боль­шей площади и направляет ее к меньшей (рис. 4.20А), где располагается чувстви­тельный элемент. Теоретический максимум для коэффициента С можно найти при помощи выражения:

где θ_t — половина максимального вход­ного угла. При выполнении этого ус­ловия лучи света могут выходить из концентратора под любыми углами вплоть до 90° относительно нормали к выходному отверстию. Это значит, что диаметр выходной апертуры будет меньше диаметра входного отверстия в sin θ_t раз. Входные лучи, попадающие в концентратор под углом θ, создают на его выходе излучение в виде конуса. Угол выхода каждого луча определяет­ся местоположением его точки входа. Концентраторы могут изготавли­ваться с отражающими (зеркальными) или преломляющими поверхностями, а также быть комбинированными. На рис. 4.20Б показана форма отражающе­го параболического концентратора. Ин­тересно отметить, что конические ре­цепторы света в сетчатке человеческо­го глаза имеют такие же очертания [6].

Глава 4. Оптические компоненты датчиков

Наклонные параболические концентраторы обладают очень высокой эффек­тивностью (Предполагается, что отражающая способность внутренней поверх­ности концентратора является идеальной). Они могут собирать и концентриро­вать свыше 90% входящего излучения. Если приемлема меньшая эффективность, применяются конические концентраторы в которых некоторая часть входящих лучей возвращается назад после нескольких отражений внутри конуса. Полная эффективность конических концентраторов, как правило, не превышает 80%. По­скольку конические концентраторы изготавливать проще, чем параболические, они получили более широкое распространение.

Поиск по сайту: