Шыныталшықтыдағы рэлелік жарық таралуымен байланысқан шығындар

Шыныда кез келген температурада Т ≠ 0 фонондар кездеседі – құрылым түйініндегі иондардың жылулық тербелісі. Фонондардың болуы ρ механикалық тығыздықтың ∆ρ шамасына өзгерісіне алып келеді. Ρ өзгерісі абсолютті сыну көрсеткішінің (АСК) шыны құрылымының түйініндегі Х₀ амплитудасына пропорциональды ∆п шамасына өзгерісін шақырады. Х₀ << λ тәжірибелік теңдікте λ – шыныдағы жарық толқынының ұзындығы.

3.11.1 бөлімде АСК-дағы кез келген өзгеріс жарық рефракциясына әкелетінін айтып кеткен болатынбыз. Қарастырылып отырғын жағдайда ∆п фонон жағынан ретсіз кездейсоқ болады. Осыдан ретсіз және жарық микрорефракциясы шығады. Мұндай рефракцияны рэлелік таралу деп атайды. Таралған жарық интенсивтілігінің таралмаған жарық интенсивтілігі арасындағы өзара байланыс рэле деп мына түрде көрсетуге болады:

мұндағы α – қоспасы мен температурасы болатын, ион арасындағы байланыс типті шыны құрылымының типіне тәуелді пропорционалдық коэффициенті.

3.50 формуласының анализі λ < 0,85 мкм толқын ұзындығында опто –талшықты байланыс жүйесінің магистральды трактта шыны талшықтыда қолдану тәжірибе жүзінде қазіргі уақытта және λ ≥0,85 мкм кезінде рұқсат етілген.

3.14.3.

Шыны талшықтыда он гидроқышқыл топта болумен шартталған шығындар

Ерекше қауіпті қоспаларға өсу прцесі кезіндегі шыны талшықтыға енуге қабілеті бар ОН гидроқышқыл топпен байланысуға болады.Он группасы ылғи да ауада болатын Н₂О жұбынан құралады. Шыны талшықтының жоғары температурасында Н₂О молекуласы сутектің бір игнын жоғалтады және гидроқышқылды топқа айналады. ОН тобы шыны талшықтыға еніп, 1,39, 1,24, 1,13, 0,95, 0,88, 0,72 мкм толқын ұзындығына сай келетін өзіндік жұтылу жиілігін иеленеді. ОН тобы шыны талшықтыда 1 дБ/км-ға дейін жарық жұтылуын иеленуге қабілеті бар. ОН гидроқышқыл тобымен күрес әдісі шыны талшықты өндіріс технологиясының жүзеге асуымен белгілі.

3.24 –сурет.

Легірленген қоспалармен SiО₂ негізіндегі шыны талшықтыда мөлдірлік «терезесі»:

λ₁ = 0,85 мкм, λ₂ = 1,31 мкм, λ₃ = 1,55 мкм; К(λ) – бірлік шарттағы суммалы шығын коэффициенті.

Жоғары айтылған шығын анализі қоспалардың және ОН гидроқышқыл топтың SiО₂ өзіндік резонанстық жиіліктері шыны талшық үшін тек бірнеше мөлдірлік терезесін қалдырады.

3.24 –суретте көрсетілгендей типтік толқын ұзындықтары 0,85, 1,3 және 1,55 мкм болып табылады.

3.14.04

Жарықтың комбинациялық таралуына байланысты жоғалуы

1928 жылы Роман мен Ландсберг жарықтың таралуын ашқан, олардың жиіліктері υ₀-Δυ, υ₀+Δυ диэлектриктің шығару жиілігі υ₀ және сыртқы кедергінің болмау шартымен орындалады.

Диэлектрикте υ₀ жиілікті толққынның орнына үш жиілікті υ₀ , υ₀-Δυ, υ₀+Δυ толқын болғандықтан, бұл эффект комбинациялық жарықтың таралу атағына ие болған. Комбинациялық таралу табиғаты фотон-фоннон байланысымен жасалған.

Қатты денедегі фоннонның максималды энергиясы былай анықталады:

E_фон =K ϴ (3.51)

Мұндағы К-Больцман тұрақтысы, ϴ - Дебай температурасы.

;

h- Планк тұрақтысы; -тұрақты байланыс тудыратын (SiO₂ p=3), иондар саны;M= диэлектриктердің 1 киломоль массасы (SiO₂ М=3 кг/кмоль); - диэлектрик тығыздығы; Е_ю - Юнг модулі; N_A = 6,022*10²⁶ 1/кмоль-Авагадро саны.

E_фон =K ϴ=h υ_фон ( 3.51 формуласы) және энергияның сақталу заңына сәйкес комбинациялык фотонның максималды таралуы:

Δυ_{фон =} Δυ_фот = ; (3.52)

Комбинациялық жарықтың максималды жиілігінің таралуы

υ _{max =} υ₀ + (3.53)

ал минималды жиілігі: υ _{min =} υ_{0 -} (3.54)

Оптикалық υ _max жиілікті таралу күлгін спутникті , ал υ _min жиілікті таралу қызыл спутникті таралу деп атайды. Комбинациялық υ₀ жиілікті таралу негізгі сигналды бәсеңдетеді және монохромды таратуды нашарлатады. Оптикалық таралу комбинациялық таралу негізінде аз рэльефті таралу мен материалдық дисперсия есебінен комбинациялық таралу едәуір аз ал оның есебінен оптикалық таралу аз.

Мәжбүрлі комбинациялық таралу (МКТ)жылдамдығы сызықсыз-оптикалық эффект классына жатады, ондағы күшті толқындық жарық ортадағы элементтердің қозуын және нақты таралуын индуцириялайды. МКТда сөз когерентті оптикалық фотон қозуынан шығады. Бұл аналогты мәжбүрлі өздігінен комбинациялық таралу процессі, ондағы жарық таралу хаотикалық тербеліс ортасына жатады. МКТны классикалық теория бойынша сызықсыз осцилятор байланыс моделі арқылы сипатауға болады.

Электронның меншікті жиілік тербелісі (v₁₎ және молекуладағы ядро тербелісі (v₂₎ мына формула бойынша анықталады:

v₁= (3.55)

v₂ = (3.56)

мұндағы -молекуладаы сепімді (упругий) коэффициент; М мен m- келтірілген электрон мен атом массаларының осциляторлары.

Нақты молекулар үшін v₁ ¹⁵ Гц, v₂ 10¹³Гц тең. Егер молекулаға υ₀ жиілік әсер етсе, онда электронды тербелістер осы жиілікте қозады. υ₂ жиілігімен бір уақытта молекула мен ядролар қозғалады. Оған мысал ретінде, жылу тербелістерін келтірсек болады. Электронды осцилятордағы электронды және ядролық байланыс қозғалысына мына эффективті комбинациялық жиіліктер v₁ - v_{2 ,} v₁₊ v₂ әсер етеді. Басқаша айтқанда, ядродағы тербелістер молекуладағы электрондар тербелісін тудырады. Нәтижесінде молекула v₀ жиілігінде ғана жарық шығармай, жаңа комбинациялық v₁ v₂ жиіліктерін де шығара береді. Яғни, осымен комбинациялық жарықтың таралуы түсіндіріледі. v₀ - v₂ жиіліктегі тербеліс, шашыраңқы қоздырушы таралу , стоксты компонент деп аталады. v₂ жиілікте бір уақытта меншікті тербеліс пайда болады. Комбинациялық таралу нәтижесінде резонансты күш пайда болады, ол молекула тербелісін қоздырады. Егер де бұл жүйе мықты болса, онда жүйеде оң кері байланыс түзіледі:молекула қозғалысын жарықтың таралуы күшейтсе, ал молекулалық қозғалыс жарықтың таралуын күшейтеді. Нәтижесінде жүйе өздігінен қозып мәжбүрлі таралу жүйесіне айналады, ондағы қоғалыс интенсивтілігі секірмелі түрде өзгереді де интенсивті лазер сәулесінің түріне келеді.

Жарықтық толқын тербелісті резонансты қозғалып қана қоймай, оны үлкен көлемде фазалайды.

Басқаша айтқанда, МКТ да когерентті молекулалық толқын пайда болады. Жарық шекарасы толқынмен эффетивті түрде әсерлесіп, стоксты жиіліктің сәулеленуін күшейтеді. Жаңа эффектілер приципиалды түрде сызықсыз классикалық осцилятор: жарық күшеюі мен таралуы осциляторлы толқын фазировкасының негізінде пайда болды.Яғни , сызықсыз классикалық осцилятор ансамблі кванттық осцилятор ансамблімен ұқсас, ол лазердегі жарықтың когерентті түрде күшеюін бақылайды.

Мәжбүрлі жарықтың когерентті лазер таралуы қуатын басқа жиіліктегі когорентті жарық түйіні негізінде қолдануға болады. Экперимент көрсеткіші бойынша, бұл тәсіл бұрыштық таралуды азайтуға болатынын көрсетеді. Энергиялық эффективті түрленуі 50% құрайды.

3.14.5.

Шыныталшықты қатпарлармен байланысты жоғалтулар Макро және микро иілулер R>>D радиуысымен анықталады. Жалпы микрорефракцияны, біріншіден иілуде механикалық қалыңдықтың АППда үлкеюі себеп болады.

3,25 суретте АВ ның жиылуын, СВ олысында S сызығының бағытында CD олысы созылып CB ортасының орнын ауыстыруын, СВ микроиілуін байқаймыз.

Жарық түйіні және СВ орталығындағы штрихталған таралу, СВ түзетілгеннен кейін СВ ортасына қайта оралмайды және жаймен ортада таралады.

Арнайы конструкцияланған СВ кабелі арқылы микроиілулер шығыны азаяды. Макроиілулермен байланысты шығындарды төсемелердегі кабель радиуысының минимум шамасымен байланыстыруға болады.

3.14.6

Термомеханикалық шығындар

Бұрын айтылғандай, СВны механикалық бұзылудан қорғау үшін оны полимерлік жұқа пленкамен қаптау керек. Жарықтың микрорефракциялық таралуына:СВ ның сызықты және кең көлемде үлкеюінің қорғау пленкаларының әртүрлігі, ±Δρ механикалық тығыздық және сәйкесінше АПП-±Δn локальдік өзгерісі температуралық тербелістері әсер етеді. СВ қорғаушы қабат ойлап тапқаны, температуралық коэффициенттерінің үлкеюі мен СВ коэффициентінің макимальді түрде қусырауы(сжатия) СВ ның жалпы мақсаты болып табылады.

3.14.7

Дифракциялық шығындар

Егер, СВ өзекшесінің толқын ұзындығы λ= 1мкм, ал диаметрі D=5...50 мкм болса, онда λ мен D өлшемдес. Осы кезде, СВның жарық таралуынан дифракциялық көрінісін, түйінінің сырқы өзекшесіне жарық энергиясының таралуын байқаймыз. Нәтижесінде ПВО шарты орындалмайды. СВ дифракциялық шығындарынан айырылуынан көмектесетін эффективті әдіс - сызықсыз оптикалық орта. Егерде жарық интенсивтілігі жоғары болғанда, СВ өзекшесінде сызықсыз оптикалық орта пайда болады. Өздігінен фокусталу әдісін- СВ механикалық тығыздығы перифериядан симметриялы түрде өскенінен, ал СВ симетриялы түрде дифрагиразиялауынан ПВО режимінің қалыпқа келуін көреміз.

3.14.8

Шыныталшықтағы толық оптикалық таралу шығынын сараптау(оценка)

СВ нақты экспериментальді шығыны физика-техникалық түрде қиын екенін 3.14.1-3.14.7 тарауларынан көреміз. СВ кабелінің эксплуатациялық көрінісінен бізді қызықтыратыны олардың толық шығындары мен пайда болуы.

Жарықтың интенсивтілігі Iаумақ(величина) деп аталады. Оны

(3.57)

формуласымен анықтаймыз. Бұндағы, Е- t уақыт мезетіндегі S ауданының, оптикалық энкргия таралуы, Р- Е энергиясына сәйкес келетін таралу.

Егер СВ интенсивтілік таралуы шығысында I₀ тең болса, онда L қашықтығы арқылы өткен СВ жарық интенсивтілігі 3,26 суретте көрсетілгендей I<I₀ шамасына дейін азаяды.

СВ ішіндегі аз өлшемді dx қалыңдығын таңдаймыз. Кірісіндегі интенсивтілік 3.26 сурет светодиод шығыны

жарықтығы I_x , ал шығысында I_x-dI_x, мұндағы dI_x- интенсивті шығыны(убыль) деп аталады. Көріп отырғанымыздай, I_x және бір-біріне пропорционал. β коэффициентін енгізу арқылы біз:

dI=-βI_xdx (3.58)

теңдігін аламыз. <<минус >> таңбасы dI_x интенсивті шығынын білдіреді. Айнымалыларды ажыратып теңдікті интегралдау арқылы

Бугер – Ламберт формуласын аламыз. - СВның толық жарық энергиясының жоғалу коэффициенті деп аталады. Физикалық мағынасын түсіндіретін болсақ, бізге

шарты керек болады. 3,59 және 3,60 формулаларынан

(3,61)

формуласын аламыз. (3,61) формуладан СВ физикалық ауданы СВ кері екенін байқаймыз.

(3,59) формуласына сәйкес

анықтаймыз.

(3.57),(3.62)формулаларына сәйкес

тең.

(6,64) теңдігінің оң және сол бөліктерін 10 көбейтсек:

10

(3.66)

теңдігін жарықтың децибельмен өлшенетін сөну коэффициенті деп атаймыз. формулаларынан байланыстарын көре аламыз:

10

10

км берілген (3.66) теңдігін шыныталшықтың L ұзындығына қатынасын қарасақ:

β методикалық сөну коэффициентін анықтау шамасы. формулаға кіретін I_0, I интенсивтіліктерін 3,26 суретте көруге болады, себебі ондағы датчикті шыныталшыққа енгізуге болмайды.

3,27 суретте: I₀ интенсивтілігі _, I және СВ ның кірісі мен шығысындағы интенсивтілігінің байланысы, сонымен қатар жарық интенсивтілігі,сол және оң жақ шетіндегі тоқтары көрсетілген.