Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микрооптика. Учебное пособие
.pdf
2. ОСОБЕННОСТИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ
К достоинствам изделий интегральной оптики можно отнести [1, 6–8].
1. Частота электромагнитных колебаний (несущая частота
тическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в видимой и ближней инфракрасной
области спектра
~ 10 ... )10 Гц(
13 15
на 3…5 порядков превышает частоту
радиоволн в областях радио- и телевещания. Это определяет высокую
информационную емкость оптического канала связи.
2. Длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн.
Это позволяет получить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку минимальный объем, в котором можно
сфокусировать электромагнитное излучение, имеет размеры порядка
длины волны
. Поэтому оптические волноводы при прочих равных условиях обладают существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ-волноводами, что важно с точки зрения микроминиатюризации электронной аппаратуры. Отметим также, что в оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диаграмму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для
вания подобной диаграммы в радиодиапазоне (при λ = 1 м) потребовалась бы антенна диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию такой антенны способно выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров, поскольку для получения
одинаковой диаграммы направленности размер антенны пропорционален длине волны.
3. Передача информации осуществляется фотонами.
Фотоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими
между собой и с внешним электрическим и магнитным полем. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода,
)
в оп-
0
формиро-
11
однонаправленность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы и т. д. Другими словами, с конструкционно-технологической и функциональной точки зрения становится возможным обеспечить невосприимчивость к электромагнитным помехам,
отсутствие риска «короткого» замыкания информационных каналов,
идеальная (теоретически) возможность разделения по частоте (мульти
плексирование), пожаро-, взрыво- и электробезопасность, безопасность,
связанную с «подслушиванием», малые потери при передаче информации, большую пропускную способность, высокую плотность данных
при передаче и записи информации, а также относительно малые размеры и вес.
Вследствие этого появляется возможность выполнять многоканальные сложные связи и «оптический монтаж», исходя лишь из требуемых
функциональных задач.
4. Возможность изготовления оптоэлектронных устройств по групповой технологии, с использованием материалов, приспособлений и методов, аналогичных тем, которые применяются при изготовлении изделий электроники, позволяет обеспечить высокую воспроизводимость
приборов интегральной оптики, а также малый разброс их параметров,
что существенно облегчает настройку, юстировку и согласование отдельных частей конструкции.
Главными недостатками рассматриваемых изделий можно считать
следующие.
1. Низкий КПД устройств (порядка нескольких процентов), связанный с необходимостью преобразования электрического сигнала в оптический и обратно. Это вызывает рост энергопотребления, необходимого
для нормального функционирования приборов, а также затрудняет миниатюризацию в связи с необходимостью отводить выделяющееся
тепло.
Как этого снижаются функциональные
возможности, эффектив-
ность и надежность оптоэлектронных приборов.
2. Гибридность. Составляющие оптоэлектронных приборов изго-
товляются из разнородных материалов. Например, в простой интегральной оптической линии для передачи информации используются: специальным образом легированный монокристаллический кремний (подложка, а также фотоприемник), арсенид галлия (источник излучения),
-
12
двуокись кремния/двуокись германия (оптический волновод), ниобат
лития (модулятор) и некоторые вспомогательные материалы.
Наличие разнородных материалов обусловливает низкий суммарный КПД устройства из-за поглощения излучения в пассивных областях
структур, отражения и рассеяния на границах материалов, а также снижение надежности из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения, разъюстировки при
механических воздействиях,
и кроме того, технологическую сложность и высокую стоимость.
3. Деградация. Этот процесс может рассматриваться как общее снижение эффективности при воздействии высокой температуры, проникающей радиации и при долговременной работе. Принципиальная особенность оптоэлектронных преобразований и процессов распространения
излучения в веществе состоит в их высокой чувствительности к нарушению
оптической однородности материалов. Это нарушение возникает вследствие описанных выше факторов. С ростом температуры у
всех интегральных излучателей уменьшается мощность, у фотоприемников происходит возрастание темновых токов и шумов. Кроме этого,
проявляется воздействие проникающей радиации, причем в этом случае
возникающие нарушения необратимы. Наконец, при длительной работе
происходит помутнение оптических сред
и ухудшение светопропуска-
ния на границах разнородных материалов.
13
3. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА
ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В оптическом диапазоне в одинаковой мере проявляются как волновые, так и корпускулярные свойства света. Поэтому оптическое излучение необходимо рассматривать как электромагнитное поле, подчиняющееся квантовым закономерностям. Однако при обсуждении многих
практически важных вопросов можно ограничиться приближенными
представлениями и рассматривать оптическое излучение в виде световых лучей (или пучков); световых
коллективов. Рассмотрим эти приближения.
Многие оптические явления можно рассматривать, исходя из представления о световых лучах. Раздел оптики, основывающийся на этом
представлении, называется геометрической оптикой [1, 2, 9]. Представления геометрической оптики справедливы в том случае, когда можно
пренебречь явлениями интерференции и дифракции световых волн, т. е.
при малых длинах
В изотропной среде под световыми лучами понимаются линии, нормальные к волновым поверхностям. Предположим, что на каждом малом участке пространства световую волну можно рассматривать как
плоскую. т. е. как волну, поверхность постоянной фазы которой представляет собой плоскость. Для этого необходимо, чтобы амплитуда
и направление распространения волны практически не
тяжении расстояния порядка длины волны. В оптическом диапазоне это
условие, как правило, хорошо выполняется. Тогда можно ввести понятие волновой поверхности (волнового фронта) как геометрического
места, во всех точках которого фаза волны в настоящий момент одинакова. Плоская волна имеет плоский фронт. Волна от точечного источника (
сферическая волна) имеет сферический фронт. В каждой
волн.
(электромагнитных) волн; фотонных
менялись на про-
14
точке пространства направление распространения волны перпендикулярно ее фронту.
Таким образом, световые лучи можно рассматривать как геометрические линии, касательные к которым совпадают с направлением распространения волны (перпендикулярны волновому фронту). Можно
также считать, что световой луч – это направление распространения
энергии волны.
При этом световые лучи не взаимодействуют друг с другом
и после
пересечения распространяются независимо. Этот закон справедлив
лишь при не слишком больших интенсивностях света. При интенсивностях, достигаемых с помощью лазеров, независимость световых лучей
перестает соблюдаться. Причиной этого служат нелинейные эффекты,
когда интенсивное световое излучение изменяет оптические свойства
среды, через которую оно распространяется [10].
Основу геометрической оптики составляет принцип Ферма.
Из этого
принципа вытекают законы прямолинейного распространения, отражения и преломления света. Согласно этому принципу свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время. Для прохождения участка пути ds свету требуется время
dt = ds / v, где v – скорость света в данной точке среды.
Поскольку скорость света
в среде равна отношению скорости света
в вакууме к показателю преломления среды (v = c / n), получим, что
1
(11)
.dt ndS
c
Следовательно, время τ, затрачиваемое светом на прохождение пути
от точки 1 до точки 2, равно
2
1
c
(12)
.ndS
1
Имеющая размерность длины величина называется оптической дли-
ной пути:
2
(13)
.L ndS
1
15
Для частного случая однородной среды (n = const) справедливо вы-
ражение
(14)
.lnS
Из выражений (12) и (13) следует, что
L
(15)
.
c
Из принципа Ферма вытекает обратимость световых лучей. Оптический путь, который минимален в случае распространения света из точки
1 в точку 2, окажется минимальным и в случае распространения света
в обратном направлении.
Однако закон обратимости хода лучей выполняется не всегда.
Направление и скорость распространения света в прозрачных диэлектрических кристаллах зависит от
состояния поляризации света. Используя это свойство, можно создать так называемый оптический изолятор –
устройство, которое пропускает излучение только в одном направлении.
Действие оптического изолятора может быть основано также на эффекте Фарадея – вращении плоскости линейной поляризации света в веществе, помещенном в магнитное поле.
Закон отражения световых лучей утверждает, что
угол падения равен углу отражения (рис. 1). Необходимо отметить, что углы падения
и отражения измеряются между направлением луча и перпендикуляром
к поверхности, на которой лежит точка падения.
а б
Рис. 1. Отражение от зеркальной (а) и диффузной (б) поверхности
16
Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр лежат в одной
плоскости. Закон отражения справедлив и в случае шероховатой отражающей поверхности. Параллельный пучок отражается от нее диффузно, однако каждый луч подчиняется закону отражения.
Закон преломления световых лучей утверждает, что на границе раздела двух диэлектрических сред световой луч преломляется, т. е
. часть
его энергии переходит из одной среды в другую (рис. 2).
Рис. 2. Преломление световых лучей
Если – угол падения (отсчитываемый от перпендикуляра); β –
угол преломления (отсчитываемый от перпендикуляра);
света в среде 1;
ления среды 1;
v
– скорость света в среде 2;
2
n
– показатель преломления среды 2;
2
n
– показатель прелом-
1
v
– скорость
1
n
– относитель-
12
ный показатель преломления сред 1 и 2, то на границе раздела двух сред
получаем:
sin
sin
vn
12
vn
21
(16)
.
n
12
Показателем преломления среды называют отношение скорости
распространения света в вакууме c к скорости распространения света
в данной среде v. В нашем случае
c
vn
1
,
1
17
vn
2
c
(17)
.
2
Другими словами, в среде с показателем преломления n свет распространяется в n раз медленнее, чем в вакууме. Показатель преломления
среды, определенный относительно вакуума, называют еще абсолютным показателем преломления.
Необходимо также отметить, что:
среда, в которой скорость света меньше, называется оптически бо-
лее плотной, а среда, в которой скорость
света больше, – оптически ме-
нее плотной;
при переходе из среды с большей скоростью света в среду с мень-
шей скоростью света
(n
> 1) угол преломления меньше угла падения.
12
Преломленный луч приближается к нормали;
при переходе из среды с меньшей скоростью света в среду с боль-
(n
шей скоростью света
< 1) угол преломления больше угла падения.
12
Преломленный луч отклоняется от нормали.
В последнем случае, если увеличивать угол падения
ломления β также будет возрастать. При некотором критическом
угол пре-
,
β
кр
станет равным π/2. Тогда преломленный луч будет распространяться
вдоль границы раздела двух сред.
При углах падения
свет во вторую среду не проникает (точ-
кр
нее, световая энергия во вторую среду проникает на глубину порядка
длины волны и затем возвращается обратно), а полностью отражаясь от
границы раздела сред, возвращается в первую среду.
Это явление называется полным внутренним отражением, а угол па-
,
дения
при котором это явление наступает, называется предель-
кр
ным или критическим углом падения.
Значение угла
,
считая, что β = π/2, определяют по выражению
кр
n
2
кр
arcsin .
(18)
n
1
При полном внутреннем отражении световая энергия отражается
практически полностью, без малейших потерь (именно поэтому оно
называется полным). Для сравнения: качественные зеркала с алюминиевым или серебряным покрытием отражают не более 85 % процентов
падающего на них света.
18
В более общем случае трехмерного пространства, чтобы определить
параметры световых лучей, необходимо использовать выражения для
законов отражения и преломления в векторной форме [11].
Отметим также, что закон отражения и закон преломления справедливы лишь в том случае, когда размер отражающего зеркала или поверхности, разделяющей две среды, много больше длины волны оптического
излучения. Если это условие не выполняется, наблюдаются заметные
отступления от указанных выше законов, обусловленные дифракцией.
Кроме того, законы отражения и преломления могут нарушаться и в случае нелинейных явлений, наблюдаемых при достаточно большой интенсивности световых пучков.
19
4. ПРОХОЖДЕНИЕ СВЕТА
ЧЕРЕЗ БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Любой элемент конструкции оптической системы теоретически
можно представить в виде некоторого набора плоскопараллельных пластинок и призм, обладающих определенными геометрическими размерами и изготовленными из материалов с определенными показателями
преломления.
Плоскопараллельной пластинкой называется оптический элемент,
ограниченный двумя параллельными плоскостями. Пластинки, в зависимости от их назначения, могут быть помещены как в
так и в сходящихся или расходящихся пучках лучей. В зависимости от
того, в каких пучках установлена пластинка, влияние ее на качество
изображения будет различным. При прохождении света через плоскопараллельную пластинку преломление происходит на двух параллельных границах. Поэтому при прохождении через пластинку световой луч
не меняет направление распространения,
лельно самому себе (рис. 3).
Если а – величина смещения луча; d – толщина пластинки;
падения на первую границу раздела; β – угол преломления на первой
границе раздела, равный углу падения на вторую границу раздела,
и среда по обе стороны от пластинки одна и та же, то справедливо следующее равенство:
а только смещается парал-
параллельных,
– угол
d
sin ( )
a
Преломляющей призмой называется оптическая деталь, ограни-
ченная двумя преломляющими непараллельными плоскостями. Линия
cos
20
(19)
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]