Оптоволокно

Как было показано в статье «Преломление и отражение света», если среда, в которой распространяется входной луч света, обладает более высоким коэффициентом преломления, и если угол падения больше определенного угла $θ$, то луч света будет полностью отражаться обратно от границы среды без (теоретически) потери энергии.

Световод

Этот эффект используется в так называемых световодах, состоящих из специальных оптических волокон (оптоволокна). Самым простым световодом является стеклянный стержень с плоскими торцами, в котором наблюдается полное отражение света от граничной поверхности между поверхностью стержня и воздухом.

В реальных световодах сердцевина волокна покрывается оболочкой, сделанной из материала с меньшим показателем преломления, чтобы выполнить условие оптической изоляции каждого отдельного волокна от соседнего.

Оптоволокно должно иметь хорошую механическую защиту, чтобы не разрушиться. Поэтому применяются специальные буферные слои, которые защищают оптоволокно от механического, термального и химического воздействия. Тип этих буферных слоев зависит от специфики применения оптоволокна. Большим преимуществом оптоволокна является возможность изгибать его с различными радиусами, позволяя тем самым свету проникать в различные труднодоступные места.

Таким образом, световоды могут состоять из отдельных тонких гибких волоконных элементов.

Конструкция единичного оптоволокна

Конструкция единичного оптоволокна представлена на рис. 1.

Рис. 1. Единичное оптоволокно, входящее в состав световода: вверху прямое, а внизу изогнутое (по радиусу R)

Сердцевина оптоволокна изготавливается из кварца, стекла или полимера с коэффициентом преломления $п_р$ а оболочка — из плавленого кварца, легированного фтором, с коэффициентом преломления $п_2$. Максимальный угол вхождения луча света и с переднего торца оптоволокна равен половине угла входного конуса и определяется из условия $θ > θg$. Для числовой апертуры получаем:

$\sin u=\sqrt{n_{1}^{2}-n_{2}^{2}}$

Для прямого оптоволокна излученный угол с характерным профилем энергии является точно таким же, как входной конический угол $2и$ (рис. 2).

Рис. 2.

По оптоволокну передаются только лучи света, попадающие во входной конус с апертурой $2_и$ (апертурный угол равен $и$). Входной угол прямого оптоволокна равен выходному углу, интенсивность излученного света изменяется в соответствии с длиной стрелок в выходном конусе
Для типичной числовой апертуры $NA$ = 0,22 рассчитанное значение $и$ = 12,7°.

Так как входная апертура спектрофотометра обычно меньше этого значения (часто оно равно 0,1), то для согласования входа или выхода спектрофотометра с оптоволокном используются специальные адаптирующие устройства.

Для изогнутого оптоволокна угловая аперртура определяется по формуле:

$\sin u=\sqrt{n_{1}^{2}-n_{2}^{2}\cdot {{\left( 1+\frac{D}{2R} \right)}^{2}}}$

где $D$ — диаметр сердцевины волокна. В зависимости от диаметра радиус изгиба оптоволокна может изменяться от нескольких сантиметров до нескольких миллиметров.

Область пропускания кварцевого световода — от ближнего инфракрасного до дальнего ультрафиолетового спектрального диапазона (UV-C, 200 нм) (см. рис. 3).

Рис. 3

Спектральные характеристики световодов, производимых для УФ-видимого и ближнего ИК диапазона. На определенных длинах волн наблюдаются значительные провалы на кривых пропускания ультрафиолетового излучения, которое поглощается «центрами окраски» на длине волны 214 нм.

Материалы, из которых изготавливается сердцевина оптоволокна, различаются по содержанию ОН групп. Кварцевое оптоволокно с высоким содержанием гидроксинов (600—1 000 частей на миллион) применяется в УФ-видимом диапазоне (от 230 до 800 нм). Для длин волн ниже 230 нм применяется специальное «устойчивое к соляризации» оптоволокно, которое, однако, имеет ограниченное время жизни. Термин «соляризация» характеризирует непрозрачность материала для дальнего

Современные оптические волокна демонстрирует превосходное пропускание, то есть очень низкие потери.

В различных областях оптотехники применяются также оптоволокна с разветвлением луча на несколько «рукавов». В этих случаях проводимый по одному рукаву оптоволокна возбуждающий свет попадает на образец, а отраженный или излучаемый от образца свет подается на детектор. Оптоволокна со специальными разъемами легко подгоняются вручную, что способствует их все возрастающему применению.

Вы можете заказать написание статьи по физике для публикации на Студворк!

Тест по теме «Оптоволокно»