Ввод излучения в световод - Томский политехнический

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
«Ввод излучения в световод»
методические указания
к лабораторной работе №2
Томск 2015 г.
Введение
Источники оптического излучения относятся к базовым элементам
волоконно-оптических систем (ВОС). При выборе источника для ВОС его
оценивают по таким основным параметрам, как длина волны и ширина
спектра излучения, выходная мощность, КПД, размеры излучающей области
и диаграмма направленности, возможность модуляции параметров излучения
и ряду других.
В настоящее время наибольшее распространение в качестве источников
излучения
для
ВОС
получили
полупроводниковые
устройства
-
светоизлучающие диоды и инжекционные лазеры.
Для ввода излучения в световод используются специальные устройства
согласования. Их задача - повышение эффективности ввода оптической
энергии в световод.
Основные принципы согласования источника излучения и световода
заключаются в следующем:
1) совмещение оптических осей (по положению и углу наклона);
2) согласование размеров пятна излучения с размерами сердцевины
световода;
3)
согласование
апертуры
волоконного световода
с
диаграммой
направленности источника излучения.
В качестве согласующих элементов используют различные типы линз,
либо другие элементы, изменяющие ход лучей от источника излучения.
Эффективность
ввода
излучения
определяется
как
отношение
мощности, введенной в световод, к мощности, излучаемой источником:
𝜂 = 10 𝑙𝑔
𝑃в
Ризл
где 𝜂 - эффективность ввода, в дБ;
Pв - мощность излучения в оптическом волокне;
Pизл - мощность на выходе источника излучения.
На
эффективность
ввода
излучения
влияют
такие
параметры
источников, как апертура (или диаграмма направленности) и геометрические
размеры излучающей области. Наиболее простым способом ввода излучения
в световод является метод соединения встык, когда торец оптического
волокна максимально приближается к излучающей поверхности источника.
Будем считать, что источник излучает равномерно по площади и
симметрично относительно оптической оси. Тогда для расчета мощности,
вводимой в световод, можно воспользоваться выражением:
𝑃в = 2𝜋
𝑆пер
𝑆изл
А
∫0 𝐼изл (𝜃) 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃,
где Sпер - площадь перекрытия сердцевины световода и излучающей
поверхности кристалла излучателя;
Sизл - площадь излучающей поверхности кристалла излучателя;
А - апертура волокна, рад;
I изл ( θ ) - сила излучения источника в зависимости от направления, Вт/срад;
θ- угол между направлением распространения излучения и оптической
осью источника, рад.
Большинство кристаллов светодиодов излучают как Ламбертов источник:
I изл( θ ) = I0 cos(θ)
Эффективность ввода излучения в световод можно записать:
𝑛в = 10lg((1 − 𝑐𝑜𝑠𝐴)
𝑆пер
)
𝑆изл
Повышение эффективности ввода возможно в случае применения
дополнительных оптических элементов. При расчете эффективности ввода
излучения от светоизлучающих диодов можно использовать упрощенные
выражения, полученные с использованием законов геометрической оптики.
На рис.1 показан ход лучей от излучателя в световод для случая применения
тонкой сферической линзы. В том случае, когда площадь излучающей
поверхности светодиода меньше площади торца сердцевины волокна
использование линзы позволяет повысить эффективность ввода излучения
благодаря согласованию апертуры волокна с диаграммой направленности
излучателя. Для согласования излучатель располагают на таком расстоянии
от линзы, при котором размеры изображения излучателя и размеры
сердцевины волокна равны:
(𝐾 + 1)
𝐾
где a1 - расстояние от излучающей поверхности до линзы;
𝑎1 = 𝑓
f - фокусное расстояние линзы;
K - увеличение оптической системы;
Рисунок 1 – Линзовый ввод излучения в волокно
В этом случае торец волокна следует располагать на оптической оси
линзы в месте где формируется изображение излучателя:
a2=f(K+1)
Рассматривая изображение источника как источник, пристыкованный к
сердцевине волокна, можно рассчитать вводимую в волокно мощность:
𝐴согл
𝑃в = 2𝜋 ∫
0
𝐼изл 𝜃𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃
Для исключения дополнительных потерь на диафрагмирование потока
излучения от источника необходимо, чтобы диаметр линзы dл выбирался из
условия:
dл≥ 2a2tg A
Описание установки
Данная установка представляет собой оптическую скамью с установленным
излучателем, линзой и оптическим волокном. Вводной торец оптического
волокна установлен на поворотном столике, перед выходным торцом
световода расположен фотоэлемент, за ним на расстоянии 100 мм от торца –
полупрозрачный экран, на котором можно наблюдать распределение
интенсивности излучения, вышедшего из световода.
Порядок работы.
1. Рассчитать необходимый диаметр оптоволокна для ввода излучения. .
2. Собрать установку
3. Измерить сигнал на выходе световода, измерить сигнал от прямого
воздействия лазерного излучения на фотоэлемент. Сфотографировать
распределение интенсивности на экране в 100 мм от выходного торца
световода.
4. Провести измерения для углов ввода 5,10,15 и 20 градусов. Данные
занести в таблицу, построит график зависимости коэффициента
пропускания от угла ввода, описать, как изменяется пятно на экране
при увеличении угла ввода.
5. Сделать выводы.
№
Угол ввода
Сигнал на выходе.
Коэффициент
пропускания.
1
2
3
Контрольные вопросы
1. Назовите условия согласованного ввода излучения в световод.
2. Как определяется эффективность ввода излучения в световод.
3. Где должен находится торец световода для эффективного ввода
излучения.
4. Какая формула описывает распределение энергии в лазерном пучке,
пучке светодиодов.