24. Использование волоконной оптики для транспортировки и фокусировки излучения лазеров.
Обычно источники света испускают расходящийся сноп лучей. Освещенность, создаваемая этим снопом лучей при падении лучей на поверхность по нормали, обратно пропорционально квадрату расстоянию от источника до облучаемой поверхности. Пучок лучей (проектор) можно сфокусировать так, что освещенность окажется в значительной мере не зависящей от расстояния. Для этого используют системы линз и зеркал, которые коллимируют лучи, исходящие из переднего фокуса системы. Эти системы могут создавать направленные пучки лучей на больших расстояниях.
Оптическое волокно - это волокно для передачи световой энергии и оптических сигналов.
Для распространения излучения внутри волокна его изготавливают с плавным изменением показателя преломления или ступенчатым изменением вдоль радиуса волокна. Одиночные волокна используют в связи, лазерной хирургии, в датчиках и установках обработки материалов. Иногда их называют моноволокнами.
Устройства, состоящие из большого числа волокон, могут передавать энергию и изображения. Эти устройства используют в медицине.
Оптические волокна бывают двух видов:
ступенчатые
Градиентные
Устройство световода
Световод состоит из сердцевины и оболочки. Сердцевина изготавливается из материала прозрачного для передаваемого излучения. Торцы сердцевины обычно перпендикулярны боковой поверхности цилиндра. Оболочка волокна изготавливается из материала с показателем преломления меньшим показателя преломления сердцевины. В простейшем случае это кварцевый стержень в воздухе.
Излучение, поступающее на входной торец при определенных условиях, испытывает полное отражение от внутренней боковой поверхности и распространяется по зигзагообразному пути до другого торца, который параллелен входному. Направление выходящего луча параллельно направлению входящего пучка или отличается от него на второй входной угол.
sin i' = n sin i
Преломленный луч падает на боковую поверхность под углом
Em = /2 - i
Для полного внутреннего отражения на боковой стенке необходимо выполнение условия Em Ec
где Ec - критический угол полного внутреннего отражения.
Если n sqr 2 то свет, падающий под любым углом после переотражения выйдет из световода.
l0 - длина волокна, определяющая свободный пробег луча.
l0 = d/tg i'
d - диаметр сердцевины.
Число полных отражений на длине световода определяется
N = l0 / l
Коэффициент внутреннего светопропускания равен отношению светового потока, вышедшего из волокна к потоку, который вошел в волокно
Коэффициент пропускания световода равен
Рассмотрим волокно с оболочкой
Необходимым условием распространения луча только в сердечнике является
nвозд sin а= sqr (n1 - n2 )
а - называют приемным углом волокна для меридиональных лучей.
Важнейшей характеристикой волокна является числовая апертура NA. Она позволяет оценить количество световой энергии, которую можно ввести в волокно. Величина безразмерная и зависящая только от n1 и n2 .
Оболочка SiO n2 = 1.46. По технологическим соображениям разница показателей преломления () не должна превышать 1%.
Обычно числовая апертура находится в пределах 0.1 - 0.2.
Это соответствует приемным углам а = 5.7 - 11.5.
В технологических установках апертура может быть больше 0.5 (а 30)
Все сказанное относилось к меридиональным лучам. Кроме них существуют косые лучи. Эти лучи при распространении не лежат в меридиональной плоскости(не пересекают ось волокна) и теряют при распространении свою энергию. При большой длине волокна эти лучи быстро затухают. При малой длине эти лучи могут переносить достаточно большую часть общей энергии и должны учитываться в расчете. Стандартная схема.