МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра МНЭ

отчет по лабораторной работе № 4 по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника» Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ СВЕТОВОД

Студент гр. 3206 ____________________ ____________________ ____________________ . Преподаватель __________________________

Санкт-Петербург 2026

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

Задачи транспортировки лазерного излучения по сложному пути возникают при использовании лазеров в технологии, метрологии, медицине, системах связи, управления и т. д. Один из способов 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.

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

Угол полного внутреннего отражения θ_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 . Быстрее других световод пройдут лучи, распространяющиеся вдоль его оси. Отставание остальных наклонных лучей приведет к запаздыванию их появления на выходе световода на величину . Увеличение длительности выходных импульсов снижает предельно допустимую частоту f их повторения и, соответственно, сокращает полосу частот Δf 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 L_i. Этого можно достигнуть за счет увеличения θ_ПВО= arcsin(n₀/n_св). Если воздушную среду вокруг световода заменить оптически более плотной оболочкой, то отношение n₀/n_св увеличится. Такой эффект реализуется при создании вокруг световода (сердцевины) оболочки с показателем преломления n_об>n₀. Наилучшие результаты, позволяющие получить максимальные углы ПВО sin(θ_ПВО) = n₀/n_св, реализуются при выполнении условий n_об<n_св и n_об / n_св = 0.98…0.99 (рисунок 1).

Рисунок 1 – Световод с оболочкой

Световоды различают по количеству и свойствам образующих их волокон:

Рисунок 2 – Классификация световодов

Существует несколько типов одножильных световодов:

Многомодовый световод со ступенчатым профилем показателя преломления. В 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.

Многомодовый градиентный световод. В таком световоде создается градиент показателя преломления по радиусу сердцевины. Основная мода распространяется по короткому геометрическому пути L_ос, но в области больших значений показателя преломления n_ос. Самому протяженному геометрическому пути L_н, по которому следуют наклонные лучи, соответствует самый низкий интегральный показатель преломления n_н.

Рисунок 3 – Типы многомодовых световодов:

а – со ступенчатым профилем показателя преломления; б – градиентный

Одномодовый световод. В световоде может существовать только одна осевая – основная мода. Благодаря исключению угловых мод полоса частот одномодового световода увеличивается, что ставит их вне конкуренции в системах волоконно-оптических линий связи.

Описание лабораторной установки:

В данной работе основные исследования проводятся с использованием многоволоконного нерегулярного световода. Установка включает гелий-неоновый лазер (λ = 632,8 нм), укрепленный на оптической скамье соосно с входным торцом световода. Поворотный столик П1 обеспечивает изменение угла падения лазерного пучка на входной торец световода. Мощность пучка, отраженного от входного торца световода регистрируется фотоприемником ФП1 и измерительным прибором ИП1

Рисунок 4 – Структурная схема лабораторной установки

Обработка результатов

Предварительно снято значение мощности лазера: P_вх = 242 о.е.

1. В ходе исследования отражения и прохождения мощности получены следующие зависимости:

Таблица 1 – Зависимость мощности отражения от угла падения

θ0	5	10	15	20	25	30	35	40
Pотр о.е	14	13.2	11.9	11	10.4	10.6	11.2	12.7

Таблица 2 – Продолжение таблицы 1

θ0	45	50	55	60	65	70	75	80
Pотр о.е	14.9	16.9	21.6	24.3	33.5	43.6	58	81.3

Таблица 3 – Зависимость прошедшей мощности от угла падения

θ0	0	5	10	15	20	25	30	35	40
Pвых о.е	103.9	105.1	104.1	101	96.6	93.4	83.9	9.3	1.9

Таблица 4 – Продолжение таблицы 3

θ0	45	50	55	60	65	70	75	80
Pвых о.е	0.9	0.8	0.7	0.6	0.5	0.5	0.5	0.4

По полученным зависимостям рассчитаем, как зависят коэффициенты отражения, пропускания и потерь от угла падения:

Примеры расчётов для 5 градусов соответственно:

Опустим расчёты для других углов и занесём результаты в таблицу 5:

Таблица 5 – Зависимости коэффициентов световода от угла падения на торец

θ0	0	5	10	15	20	25	30	35
ρ	-	0.058	0.055	0.049	0.045	0.043	0.044	0.046
τ*103	429	434	430	417	399	386	347	038
α, дБ	-	0.508	0.515	0.533	0.555	0.571	0.61	0.915

Таблица 6 – Продолжение таблицы 5

θ0	40	45	50	55	60	65	70	75	80
ρ	0.052	0.062	0.07	0.089	0.1	0.138	0.18	0.24	0.336
τ*103	7.851	3.719	3.306	2.893	2.479	2.066	2.066	2.066	1.653
α, дБ	0.94	0.935	0.927	0.908	0.897	0.86	0.818	0.758	0.662

Построим расcчитанные зависимости:

Рисунок 5 – Зависимость коэффициента отражения от угла падения

Рисунок 6 – Зависимость коэффициента пропускания от угла падения

Рисунок 7 – Зависимость коэффициента потерь от угла падения