Sb95840

смещения подается на кристалл от стабилизированного источника питания. Для расширения диапазона исследования в источнике предусмотрена смена полярности напряжения смещения. Модулирующий сигнал поступает на вход ЭОМ от генератора. Выход фотоприемника соединен с цифровым вольтметром, контролирующим электрический сигнал, пропорциональный

постоянной составляющей мощности излучения P , прошедшей модулятор. Переменная составляющая информационного сигнала излучения, пропорциональная Рm, подается на первый вход двухлучевого осциллографа, имеющего калиброванные входы. На второй вход осциллографа подается опорный сигнал от генератора.

Порядок выполнения работы

1.Включить блоки питания лазера, фотоприемника и цифрового вольтметра.

2.Установить анализатор в положение = 0 . Снять зависимости

мощности пропускания ЭОМ от угла поворота анализатора P = f ( ) с угловым шагом = 30 для трех фиксированных значений напряжения смеще-

ния: U = 0, U = U0 / 2 (≈ 300 В) и U = U0 (≈ 600 В).

3. При напряжении смещения U = 0 установить анализатор в положе-

ние минимального пропускания. Снять зависимость P = f (U), изменяя U в

пределах от 0 до 600 В с шагом 100 В. Повторить снятие зависимости P = = f (U) при положениях анализатора, отличных от положения минимального пропускания на 45 и 90 .

4. Включить осциллограф и генератор синусоидальных колебаний. После прогрева приборов установить выходное напряжение генератора в диапазоне 200…300 В. Ручками регулировки синхронизации осциллографа добиться устойчивого изображения сигналов. Установить анализатор в положение = 0 .

5. Зарисовать осциллограммы опорного сигнала U≈ и переменной составляющей излучения Рm для различных режимов: линейного (U = U0/2),

удвоения частоты (U = 0 или U = U0) и искажения амплитуды (рабочая точка находится на заметно нелинейном участке характеристики пропускания). В

31

режиме искажения амплитуды сигнала зарегистрировать осциллограммы при= 0 и = 90 при двух уровнях переменного напряжения. В каждом режиме фиксировать значения напряжений смещения U и модулирующего сигна-

ла U≈, постоянной P и переменной Рm составляющих мощности излучения лазера.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ СВЕТОВОД

Цель работы – исследование прохождения лазерного излучения через многоволоконный световод, оптических потерь в световоде, трансформации распределения излучения в сечении лазерного пучка после световода.

Основные положения. Задачи транспортировки лазерного излучения по сложному пути возникают при использовании лазеров в технологии, метрологии, медицине, системах связи, управления и т. д. Существует множество способов передачи света. Один из них основывается на использовании стеклянных стержней, торцы которых хорошо отполированы, и образуют световод. Лучи, входящие в такой световод под небольшими углами к оси, двигаются в нем, претерпевая полное внутренне отражение (ПВО), и выходят с противоположного торца, даже если световод изогнут. Этот путь стал основным методом транспортировки оптического излучения. Успехи в развитии световодов были достигнуты на пути создания сверхпрозрачных стекол. Потери излучения (ослабление) в световодах измеряются обычно в децибе-

лах: α(дБ) = 10 lg(Pвх/ Pвых). Например, если Pвх/ Pвых = 100, то α = 20 дБ.

32

Уменьшение потерь в стеклах до уровня 0.2…0.3 дБ ∙ км–1 было достигнуто за счет уменьшения содержания примесей ионов тяжелых металлов, а также гидроксильных групп ОН–, являющихся центрами поглощения излучения в видимой и ближней ИК-областях.

Проблема минимизации потерь в световодах особенно остро стоит в во- локонно-оптических линиях связи (ВОЛС), протяженность которых может достигать десятков–сотен километров. При прочих равных условиях поглощение в стеклах зависит от длины волны излучения λ. У большинства материалов, используемых для изготовления оптических волоконных световодов, минимум потерь приходится на длины волн λ = 1.3…1.5 мкм. Распространяющееся в световоде лазерное излучение имеет конечный разброс по длинам волн Δλ. Поэтому важно, чтобы на область рабочих длин волн приходил-

ся и минимум дисперсионной функции показателя преломления n f .

Обсудим, как проходит лазерное излучение через стеклянный световод. Рассмотрим первоначально прохождение излучения через световод прямоугольного сечения, на входной торец которого под углом пад падает пучок

излучения, параллельный плоскости нижней грани. При этом преломленный луч падает на боковую плоскость световода yz под углом св = 90 – θпр. Лучи, распространяющиеся в таком световоде под углами св ПВО , остаются в световоде за счет эффекта полного внутреннего отражения. Предельному

товод по зигзагообразной траектории, выйдет из выходного торца под углом с некоторыми искажениями распределения плотности мощности за счет

многочисленных наклонных отражений.

Если заменить прямоугольное сечение световода на круглое, то в режиме полного внутреннего отражения траектория распространения луча станет винтообразной, а выходной пучок трансформируется в конический с увеличивающимся по продольной координате диаметром. В итоге распределение плотности мощности в поперечном сечении выходного пучка станет кольцевым. Такие изменения вызваны тем, что в световоде круглого сечения на-

33

клонное отражение происходит от цилиндрической боковой поверхности и приводит после каждого отражения к повышению расходимости пучка.

Угол полного внутреннего отражения ПВО стеклянного световода, окруженного воздухом, составляет десятки градусов. Это означает, что отдельные лучи расходящегося входного пучка будут двигаться по различным траекториям с длиной оптического пути Lin f i . Быстрее других световод пройдут лучи, распространяющиеся вдоль его оси. Отставание остальных наклонных лучей приведет к запаздыванию их появления на выходе световода на величину ti f i . Чем больше угол падения лучей входного пучка, тем больший оптический путь Li им необходимо пройти. Это означает, что наклонные лучи имеют значительную задержку t, а следовательно, сильно увеличивают длительность выходного импульса tвых tвх t . Увеличение длительности выходных импульсов снижает предельно допустимую частоту f их повторения и, соответственно, сокращает полосу частот f световода. Это негативно сказывается на объеме передаваемой информации.

Чтобы найти выход из этого положения, следует затруднить прохождение наклонных лучей через световод, тем самым уменьшить разброс Li . Этого можно достигнуть за счет увеличения ПВО arcsin n0 / nсв . Если воздушную среду вокруг световода заменить оптически более плотной оболочкой, то отношение n0 / nсв увеличится. Такой эффект реализуется при создании вокруг световода (сердцевины) оболочки с показателем преломления nоб n0 . Наилучшие результаты, позволяющие получить максимальные углы ПВО sin ПВО nоб / nсв , реализуются при выполнении условий nоб nсв и nоб / nсв = 0.98…0.99 (рис. 4.1).

Строго говоря, лучевая модель справедлива, когда диаметр оптического световода d = 2r много больше длины волны λ. Если d ~ λ, то необходимо использовать электромагнитную теорию (уравнения Максвелла). Их решение показывает, что в световоде может распространяться дискретный набор волн, соответствующий определенным углам наклона к оси, для которых выполняется условие стоячих волн.

На практике обычно используются волоконные световоды, в которых сердцевина выполняется из стекла со сверхнизким уровнем потерь. Показатель преломления окружающей оболочки nоб отличается от nсв в меньшую

34

сторону на 1–2 %. Поверх оболочки идут защитный, амортизирующий, второй защитный слои и наружная нейлоновая оболочка. Волоконные световоды имеют потери на порядки меньшие, чем в медных проводных линиях связи. Полоса частот световодов достигает f ~ 10 ГГц ∙ км. Световоды имеют малую толщину, малую массу, не подвержены электромагнитным наводкам и защищены от прослушивания. Приемник и передатчик волоконнооптических линий связи гальванически не связаны.

Световоды различают по количеству и свойствам образующих их волокон (рис. 4.2).

Основные типы световодов

Рис. 4.2. Классификация световодов

Существует несколько типов одножильных световодов.

35

Многомодовый световод со ступенчатым профилем показателя пре-

ломления. Диаметр внутренней жилы (сердцевины) многомодового световода составляет d1 = n ∙101 мкм, диаметр оболочки – d2 = n ∙102 мкм. Относитель-

ное различие показателей преломления n nсв nоб ~ 1 % (рис. 4.3, а). В

nсв

таком световоде возбуждаются несколько мод. Основные моды, распространяющиеся по оси, и угловые моды имеют разную фазовую скорость. В итоге на выходе различные моды оказываются разнесенными во времени, что приводит к увеличению длительности выходного импульса и снижению полосы

частот, которая не превышает f ~ n ∙101 МГц ∙ км.

Рис. 4.3. Типы многомодовых световодов: а – со ступенчатым профилем показателя преломления; б – градиентный

Многомодовый градиентный световод. В таком световоде создается градиент показателя преломления по радиусу сердцевины (рис. 4.3, б). Диа-

метры d1 и d2 такие же, как в предыдущем случае, n ~ 1 %. Основная мода распространяется по короткому геометрическому пути Lос, но в области больших значений показателя преломления nос. Самому протяженному гео-

метрическому пути Lн, по которому следуют наклонные лучи, соответствует самый низкий интегральный показатель преломления nн. В итоге оптические пути для осевых и наклонных лучей сближаются: nосLос nнLн и сокращается различие времени прохождения лучей через световод. В результате полоса частот градана увеличивается почти на два порядка по сравнению со ступен-

36

чатым световодом и достигает f 1 ГГц ∙ км.

Для транспортировки энергии лазерного излучения на небольшие расстояния используют, как правило, многожильные световоды. Количество жил в таких световодах может достигать единиц–десятков тысяч. Свойства многожильных световодов в существенной мере зависят от способа укладки отдельных жил. Укладка отдельных волокон в световоде может быть регулярной и нерегулярной. При регулярной укладке положение каждого отдельного волокна на входном и выходном торцах световода имеет одинаковые координаты x, y. Нерегулярная укладка ограничивается объединением отдельных волокон в торцевых плоскостях на входе и выходе световода по произвольному принципу. Нерегулярные многожильные световоды являются энергетическими: они пригодны только для транспортировки энергии лазерного излучения. Многожильные световоды с регулярной укладкой могут использоваться для передачи изображений, например, при проведении медицинских исследований, наблюдении за экспериментами в агрессивных или опасных для человека средах. Изображение объекта при помощи линзы проецируется на входной торец регулярного световода. За выходным торцом устанавливается вторая линза, которая переносит изображение на экран или многоэлементный фотоэлектронный приемник. При медицинских исследованиях подсветка изучаемой области может осуществляться через световод, часть волокон которого собирается в отдельный осветительный жгут.

Волокна многоволоконного световода соединены только на концах, в результате чего он обладает гибкостью. Торцы регулярного световода шли-

37

фуются, и с его помощью изображение может передаваться с входного торца на выходной. Такие световоды находят в настоящее время применение в науке, технике и медицине для передачи изображения на расстояние (рис. 4.5).

Многоволоконный световод

θпад

Pвых

Pвх

Рис. 4.5. Распространение излучения в многоволоконном световоде

При падении лазерного пучка на торец многоволоконного, регулярного или нерегулярного световода под углом θпад часть излучения отражается

(Ротр = f (θпад)). При нормальном падении (θпад ≈ 0) отражение определяется коэффициентом Френеля. При увеличении угла падения коэффициент отражения возрастает, стремясь к единице согласно формулам Френеля. При превышении некоторого критического угла падения на торец световода (θкр) полное внутреннее отражение прекращается и излучение частично уходит сквозь боковую поверхность световода. Такое излучение называют внеапертурным (Рвн). В световодах, имеющих оболочку с показателем преломления nоб nсв , часть потока может теряться в оболочке (Роб). Распространяющееся в световоде излучение частично теряется за счета рассеивания при многократных внутренних отражениях (Ррас), а также за счет поглощения в мате-

риале волокна световода (Рпог). Так как полное внутреннее отражение носит неидеальный характер, то часть потока будет теряться при многократных отражениях внутри световода (Ррас). Таким образом, связь между входной Рвх

и выходной Рвых мощностью лазерного пучка выразится как:

Рвх = Ротр + Рвн + Роб + Ррас + Рпог + Рвых.

потери лазерного излучения в световоде растут. Особо

38

резкий рост потерь возникает при нарушении условий полного внутреннего отражения, когда угол падения на боковую поверхность световода становится меньше угла полного внутреннего отражения:

θсв ≤ θПВО = arcsin (nоб / nсв).

При нормальном падении излучения на входной торец световода входное излучение без искажений передается на выход световода. При наклонном падении излучения на отдельное волокно выходной поток из него в значительной мере концентрируется по краям, формируя в итоге светящийся конус (рис. 4.5). При сложении излучения многих волокон выходной поток, начиная с определенного расстояния l, будет иметь в поперечном сечении вид кольца с возрастающим в направлении распространения радиусом. Внеапер-

турные составляющие излучения Рвн и Роб будут выходить из выходного торца, образуя дополнительно слабосветящийся световой фон. Таким образом, при нормальном падении лазерного пучка в выходном излучении качественно сохраняется вид радиального распределения интенсивности. При одномодовом входном пучке типа ТЕМ00 распределение имеет вид светящегося круга со слабым фоном. При наклонном падении яркий светящийся круг на выходе световода переходит в кольцо со слабым фоном.

Поскольку при многократном внутреннем отражении азимутальный поворот отдельных участков лазерного потока различен, лазерные лучи проходят до выхода из световода различные пути и теряют пространственную когерентность. О степени когерентности можно судить по дифракции излучения на некоторой щели: для когерентного потока это будут чередующиеся максимумы и минимумы интенсивности излучения, для некогерентного – дифрагирующий поток спадает по некоторой монотонной кривой.

Описание лабораторной установки. В данной работе основные иссле-

дования проводятся с использованием многоволоконного нерегулярного световода (рис. 4.5). Установка включает газоразрядный лазер, укрепленный на оптической скамье соосно с входным торцом световода (рис. 4.6). Поворот-

ный столик П1 обеспечивает изменение угла падения (θпад) лазерного пучка на входной торец световода. Мощность пучка, отраженного от входного торца световода Ротр регистрируется фотоприемником ФП1 и измерительным прибором ИП1. При необходимости зарегистрировать полную мощность излучения лазера Рвх фотоприемник ФП1 устанавливается перед световодом.

39

Мощность пучка, прошедшего световод Рвых, регистрируется тем же фотоприемником ФП1, устанавливаемым вплотную к выходному торцу световода. При регистрации мощностей излучения лазера, отраженного и прошедшего световод пучков лазерный луч должен попадать в центр приемной площадки фотоприемника. Снятие радиального распределения интенсивности в поперечном сечении выходного пучка осуществляется с помощью перемещаемого подвижкой П2 точечного фотоприемника ФП2 с диаметром приемного окна порядка 1 мм.

Установка позволяет исследовать также прохождение лазерного излучения через оптические элементы в виде стеклянных параллелепипеда, прутка и трубки. Источником излучения в данном случае служит полупроводниковый лазер видимого диапазона. Эксперименты по передаче изображения базируются на использовании регулярного световода с входной и выходной оптическими системами и экрана.

П1

Световод

П2

Оценка степени пространственной когерентности излучения производятся с помощью регулярной дифракционной структуры Д – металлической мелкоструктурной сетки с круглыми отверстиями диаметром d и шагом D по координатам x, y в плоскости сетки. Структура устанавливается поочередно на пути прямого лазерного пучка либо перед световодом, либо – после свето-

40