15.4. Основы технологии изготовления волоконно–оптических элементов (воэ)
Волоконные светопроводящие устройства используют для передачи световой энергии, переноса и трансформации изображения в оптических и оптико-электронных приборах [13]. Все волоконно-оптические детали состоят из одного или множества элементарных световодов (волокон) или световедущих жил, уложенных в жгут, спаянных или же заданным образом переплетенных. Световод — это материальный канал, по которому может распространяться излучение. Световоды могут быть одно- и многожильными, каждая жила которых передает независимый от других световой поток.
По размеру сечения существуют световоды от единиц микрона до нескольких сантиметров. Световоды диаметром до 0,3 мм обладают гибкостью, и их условно называют волокнами. Пучки гибких волокон называют жгутами. Форма сечения единичного световода может быть цилиндрической, многогранной или прямоугольной (слоевой). По длине световоды могут иметь постоянное или переменное по размерам и форме сечение. Они бывают жесткими, прямыми или заранее изогнутыми, гибкими [14].
В подавляющем большинстве случаев используют круглые двуслойные диэлектрические световоды, состоящие из световедущей жилы с малыми потерями и окружающей ее оболочки, коэффициент преломления которой несколько меньше коэффициента преломления жилы (nоб < nж).
Передача световой энергии вдоль световода происходит за счет полного внутреннего отражения света от границы раздела световедущей жилы и окружающей среды (при этом диаметр волокна должен быть не менее 6λ, а толщина светоизолирующей оболочки – не менее 2,0-2,5λ распространяющегося по жиле света).
При уменьшении диаметра световодов до размеров, соизмеримых с длиной волны передаваемого излучения, волокна работают как волноводы, т. е. светораспределение по выходному торцу жил не усредняется, а определяется модовым составом прошедшего светового потока. Принципиальной особенностью волоконно-оптических устройств (за исключением граданов) является то, что они лишь переносят изображение, но сами не формируют его (как это делают линзово-зеркальные оптические системы), поэтому изображение на выходе мозаично.
Одиночное волокно передает лишь энергию излучения как таковую и, следовательно, может переносить только один элемент изображения.
Жила является каналом для передачи энергии излучения. Оболочка предохраняет поверхность жилы от загрязнений и повреждений, а также препятствует рассеянию передаваемого излучения с поверхности волокна в стороны. Поверхность раздела жилы и оболочки, являясь основной «рабочей» частью волокна, должна быть ровной, чистой и свободной от посторонних включений. Различные неоднородности этой поверхности в виде микроскопических трещин, пузырьков, а также непостоянство диаметров сердечника и оболочки приводят к нарушению правильного хода лучей в волокне и большим потерям энергии излучения. Поэтому одно из основных требований к технологии изготовления волокна состоит в получении однородной поверхности раздела жила – оболочка.
15.4.1. Основные технические характеристики воэ
Основными оптическими характеристиками волоконной детали с параллельной укладкой световодов, определяющими возможность использования ее в данной конкретной системе, является разрешающая способность и зависящий от нее объем переданной информации, номинальная числовая апертура и светопропускание, функция передачи контраста и дефектность, выражающаяся в локальной частичной или полной потере светопропускания (отдельных жил или их групп). Дефектность волоконных деталей зависит от технологии их изготовления и может быть полностью устранена. Разрешающая способность пучка одножильных волокон в основном зависит от их диаметра и расстояния между ними. При условии совершенства укладки и оптической изоляции волокон размер элемента изображения, различимого через пучок волокон, в общем случае равен, линий/мм,
где D – диаметр элементарного волокна, мкм, или шаг волоконной структуры (расстояние между центрами смежных жил) на входном торце детали.
Номинальная числовая апертура световода характеризует способность волокна собирать и передавать падающий на него световой поток. Поскольку показатель преломления воздуха n1 = 1,0, числовая апертура световода равна
где nж – показатель преломления стекла жилы; nоб – показатель преломления стекла оболочки; u0 – максимальный угол падения, при котором еще все лучи распространяются по световоду благодаря полным внутренним отражениям.
Светопропускание (τ) пучка волокон определяется пропусканием отдельных волокон и их укладкой. При малых длинах ВОЭ светопропускание определяется в основном геометрическими факторами и не может превышать следующих значений: τ = 0,785 (Dж/D)2 – при квадратной укладке; τ = 0,903 (Dж/D) 2 – при гексагональной укладке (Dж, D – диаметры жилы и световода соответственно).
Показатель ослабления света прозрачных световодов складывается из потерь на поглощение света материалом световода, потерь на неполноту отражения боковой поверхностью световода и на рассеяние света и апертурных потерь, обусловленных нарушением внутреннего отражения и выходом части света из световодов.