3.1. Световоды
Действие волоконных световодов основано на эффекте полного внутреннего отражения света. Этот эффект возникает на границе двух оптических прозрачных сред, когда наклонно падающий световой поток из среды с большим показателем преломления достигает границы раздела со средой с меньшим показателем преломления.
При некотором угле падения, называемом предельным, луч уже не проходит в соседнюю среду, а распространяется по границе раздела. Дальнейшее увеличение угла падения приводит к полному внутреннему отражению. Если световой поток будет поступать в оптическую среду под углом, большим, чем предельный, то свет, не выходя из данной среды, будет распространяться вдоль и внутри нее, до противоположного конца, где может быть установлен приемник излучения. На этом принципе основано действие световодов.
Параметры оптических волокон могут быть разделены на «внешние» и «внутренние». К внешним можно отнести те параметры волокна, которыми можно варьировать в процессе проектирования. К ним относятся длина волокна, его диаметр и номинальная апертура. К внутренним относятся априорно заданные параметры: коэффициент поглощения в материале волокна, потери на отражение от торцов волокна и коэффициент отражения на границе жила – оболочка.
Стекловолокна изготовляют из сердечника с показателем преломления n1 и имеют оболочку из стекла с показателем преломления п2, причем n1>п2 (рис. 3.1). Согласно законам оптики полное внутреннее отражение наступает при переходе луча из оптически более плотной среды (сердечник) в среду менее плотную (оболочка), если луч падает под углом большим или равным предельному углу полного внутреннего отражения – θкрит, т.е. наименьшему углу падения, при котором наступает полное отражение. Величина этого угла находится из известного соотношения
sin θкрит = п2 / n1.
Рис. 3.1. Распределение лучей в световоде
Предельному углу полного внутреннего отражения соответствует максимальный угол падения луча на входную поверхность сердечника (иначе апертурный угол на рис. 3.1 обозначен как θmax), который определяется выражением
п0 sin θmax = (n21 – n22)1/2.
Все лучи, сосредоточенные в конусе с углом при вершине 2θmax (конус падающего излучения), попадают в волокно и распространяются в нем посредством полного внутреннего отражения. Лучи, входящие в сердечник волокна под углом, большим, чем эти, выходят через оболочку волокна наружу или поглощаются материалом оболочки.
Правая часть приведенного выше выражения обозначается символом А и носит название численной апертуры волокна
А = (n21 – n22)1/2.
Физическим содержанием этой величины является способность волокна интегрировать (собирать) падающий на него лучевой поток. Чем больше разница в величинах п1 и п2, тем выше численная апертура волокна и тем сильнее его собирательные свойства.
Большое численное значение апертуры является важнейшим показателем качества стекловолокна, благодаря чему волоконная оптика позволяет решать многие задачи, связанные с использованием лучистой энергии. Как и для линзовых систем, численное значение апертуры характеризует максимальный телесный угол конуса собираемых лучей. Однако вершина конуса лежит на торце волокна, а максимальный угол определяется условием полного внутреннего отражения.
В то же время практически не всегда возможно, использовать максимальное значение численной апертуры, так как устройство из оптических волокон в реальных условиях бывает освещено не до полного значения в связи с облучением потоком излучения в ограниченном телесном угле. Тогда величина потока излучения в волокне определяется, кроме указанных факторов, также характером потока на входе волокна.
На выходном торце волокна поток излучения распределяется почти в такой же численной апертуре. Если оба торца волокна или волоконного жгута находятся в одной среде, то апертуры входящего и выходящего световых пучков будут одинаковыми.
Вдоль волокна могут распространяться как меридиальные лучи, распространяющиеся в диаметральных плоскостях, пересекая ось волокна, так и косые, не пересекающие оси волокна. Часть косых лучей в результате внутренних отражений образует след в виде ломаной правовращающейся винтовой линии, а часть – в виде левовращающейся. Поскольку число таких лучей в световоде значительно больше, чем меридианальных, то они являются основными носителями лучистой энергии в волокне.
Потери излучения при прохождении через волоконный световод вызываются рядом причин: поглощением в материале световода, частичным просачиванием через оболочку, отражением на торцах и т. п.
Следует подчеркнуть, что при использовании волоконных деталей важную роль играет выбор рабочей длины волны. Малые потери удается получить при работе с источниками излучения в диапазоне волн 0,8 0,94 мкм (на этот диапазон как раз приходится максимум спектральных характеристик арсенид-галлиевых светодиодов и кремниевых фотодиодов).
Эффективность жгута, составленного из многих волокон, конечно меньше, чем однотипного одиночного волокна. Это объясняется наличием в жгуте неиспользуемых промежутков между волокнами и отдельных неисправных волокон. Наибольшее значение для эффективности волокна имеют потери на поглощение.
С учетом упомянутых факторов общая оптическая эффективность волоконной структуры может быть приближенно выражена формулой
k0.эф = Ф/Ф0 = S1/S0 ε(1 – ρ1)2 sin θmax,
где Ф0 – поток излучения, падающий на вход структуры;
Ф – поток излучения, прошедший через волокна;
S1 – суммарная полезная площадь торцов волокон;
S0 – площадь входного сечения структуры;
ε – коэффициент пропускания волокон;
ρ1 – коэффициент отражения на входе и выходе волокна;
θmax – полуапертурный угол максимального входного конуса излучения.
Среднее значение коэффициента, определяемого этой формулой, для волоконно-оптических структур не слишком большой длины (до нескольких метров) лежит в пределах 0,4 0,6.
В тех случаях, когда выходной торец световода находится в непосредственном контакте с входным окном фотоприемника, угловое распределение выходного пучка может не учитываться (при условии, что размеры фоточувствительной поверхности приемника излучения превышают размеры выходного торца световода).