В чем заключается принцип работы световодов кратко

Обновлено: 03.07.2024

светопровод, световой волновод, устройство для направленной передачи световой энергии. Использование для этой цели открытых световых пучков в воздушной среде часто неэффективно или невозможно; передачу на значительные расстояния затрудняет главным образом наличие в атмосфере случайно распределённых неоднородностей, приводящих к отклонению и расхождению пучка. Поэтому применяют С. различных типов. Одним из типов С. является линзовый волновод — система заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях (обычно через 50—100 м) стеклянных линз, которые служат для периодической коррекции волнового фронта светового пучка. В качестве корректоров могут также применяться газовые линзы или зеркала определённой формы. Наиболее перспективный тип С. — стеклянный волоконный С. Он представляет собой тонкую нить, состоящую из сердцевины радиуса a1 с преломления показателем (См. Преломления показатель) (ПП) n1, окруженную оболочкой с внешним радиусом a2, ПП которой n2 1 (рис.). При прохождении света по волокну лучи испытывают Полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердце вине, хотя и сердцевина, и оболочка изготовляются из оптически прозрачного материала. В зависимости от назначения С. диаметр 2а1 составляет от нескольких мкм до нескольких десятков мкм, a 2a2 — от нескольких десятков до нескольких сотен мкм. Величины 2a1 и n1/n2 определяют число типов волн (мод (См. Мода)), которые могут распространяться по С. при заданной длине волны света. Выбирая 2a1 достаточно малым, а отношение n1/n2 достаточно близким к 1, можно добиться, чтобы С.работал в одномодовом режиме. Волоконные С. нашли широкое применение в технике (см. Волоконная оптика). В ближайшей перспективе открывается возможность, применяя такие С. в системах оптической связи (См. Оптическая связь), резко увеличить пропускную способность этих систем, которая может быть выше, чем у любых др. известных систем связи; в качестве источников света при этом должны использоваться лазеры. Важнейшей характеристикой С., предназначенных для подобных систем, являются оптические потери, обусловленные поглощением и рассеянием света в С. К 70-м гг. 20 в. созданы волоконные С. с малыми потерями: на длине в 1 км коэффициент пропускания составляет 50%. Материалом для таких С. служит кварцевое стекло; различия ПП сердцевины и оболочки достигают легированием этого стекла (например, бором, титаном или германием).

Волоконные С. с самыми низкими потерями изготовляют следующим образом. Материал оболочки и сердцевины (чистое кварцевое стекло и легированное кварцевое стекло) получают окислением газообразных соединений кремния и легирующего элемента (например, SiCl4 и SiCl4+BCl3) и осаждением их из газовой фазы в определённой последовательности (с одновременным плавлением) на внутреннюю поверхность кварцевой трубки. Затем кварцевую трубку сжимают и из полученной т. о. заготовки вытягивают волокно.

Разработаны весьма перспективные волоконные С. более сложной конфигурации, например многослойные С. и С. с непрерывным изменением ПП по сечению волокна. С. с распределением ПП по квадратичному закону получили название селфоков.

Основным элементом оптического кабеля является волоконный световод . Это тонкое стеклянное волокно цилиндрической формы, по которому происходит передача электромагнитного излучения микронного диапазона волн, соответствующего частотам 10 14 -10 15 Гц. Принцип действия волоконного световода основан на использовании процессов отражения и преломления оптической волны на границе раздела двух сред с различными оптическими свойствами, зависящими от показателя преломления n.

При падении луча на границу раздела двух сред в общем случае появляются преломленная и отраженная волны. Согласно закону Снеллиуса угол падения j связан с углами отражения j отр и преломления j пр соотношением:

n 1 sinφ n =n 2 sinφ пр (1)

причем если n 1 >n 2 , то из (1) следует, что j пр > j n (см. рис.1)

По мере увеличения угла падения со стороны оптически более плотной среды можно достичь состояния, когда приломленный луч будет скользить по границе раздела сред без перехода в оптически менее плотную среду (луч 2 рис.2).

Рис. 1. Падение световой волны на границу раздела двух сред при n 1 >n 2

Угол падения, при котором наблюдается такой эффект, называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для всех углов падения, которые превышают предельный, будет иметь место только отражение. Это явление называется полным внутренним отражением , оно положено в основу передачи оптического излучения по световоду.

Рис. 2. Прохождение лучей в волоконном световоде

Обычно волоконные световоды имеют круглое поперечное сечение и состоят из двух концентрических слоев оптически прозрачного диэлектрика. В центре располагается сердцевина из оптически более плотного кварца, его окружает оболочка из кварца с меньшей оптической плотностью. Волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины. Профиль показателя преломления – это закон, который показывает, как может меняться или оставаться постоянным показатель преломления оболочки вдоль радиуса. При обозначении волокна указываются через дробь значения диаметров сердцевины и оболочки.


Световод (оптический волновод) - закрытое пассивное устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости, при этом возникают потери вызванные исходной расходимостью излучения, а так-же поглощением и рассеянием в атмосфере. Световоды позволяют передавать свет по криволинейным трассам, а так-же существенно уменьшить потери энергии излучения при её передаче на расстояние.

Содержание

Типы световодов

Существуют разнообразные типы световодов, основные среди них:

  • Линзовые (зеркальные) световоды, представляющие собой систему заключённых в светонепроницаемый кожух и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлические трубы различных сечений и прочие аналогичные конструкции (находят применение в системах дневного освещения внутренних площадей зданий). Они представляют собой систему заключённых в светонепроницаемый кожух и расположенных на определённых расстояниях линз или зеркал. На внешней стороне таких световодов (расположенной обычно на крыше здания) находится концентратор собирающий попадающий на него солнечный свет и направляющий его в световод. На внутренней стороне такого световода (внутри помещений) находится светорассеиватель равномерно распределяющий свет по всему помещению или концентрирующий его в определённом месте. Такие световоды позволяют заметно сократить расходы уходящие на освещение внутренних помещений.
  • Гибкий диэлектрический волоконный световод с низкими оптическими потерями, позволяющий передавать оптическое излучение определённой длины волны на большие расстояния. Такое оптическое волокно применяется в настоящее время в связи, волоконно-оптических лазерах, волоконно-оптических усилителях и волоконно-оптических датчиках. Свет, попадающий на торец такого оптического волокна, может распространяться по нему на большие расстояния за счёт полного внутреннего отражения от боковых поверхностей. Использование световодов позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на расстояния, а также использовать криволинейные трассы. Используя различные легирующие примеси при изготовлении сердцевины оптического волокна создают активные оптические волокна, которые позволяют создавать оптические усилители излучения и волоконные лазеры Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой. состоящие из большого числа оптических волокон упорядоченно уложенных в пучки и сведённые с обоих сторон к единым торцам. Они позволяют передавать изображение без искажения при их изгибе по любому криволинейному профилю. Такие многоволоконные световоды используют при создании целого класса приборов обычно называемых эндоскопами. Достаточно высокая световая эффективность таких световодов позволяет использовать их и при создании осветительных систем для самих эндоскопов. При этом источник освещения располагается вне прибора, что позволяет исключить чрезмерный нагрев исследуемого объекта. Многоволоконные световоды предназначенные только для передачи световой энергии изготовляют из множества беспорядочно уложенных волокон.

Устройство волоконных световодов

В простейшем варианте световод представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина которой имеет показатель преломления n1, а оболочка с имеет показатель преломления n2 (при этом n2 См также


Связка оптоволокна. Теоретически, использование передовых технологий, таких как DWDM, со скромным количеством волокон, которое представлено здесь, может дать достаточную пропускную способность, с помощью которой легко было бы передать всю необходимую информацию, в которой нуждается вся планета (около 100 терабит в секунду в одном оптоволокне. )

Оптоволокно — это стеклянная или пластиковая нить, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Оптоволокна используются в оптоволоконной связи, которая позволяет передавать цифровую информацию на большие расстояния и с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Простой принцип действия позволяет использовать различные методы, дающие возможность создавать самые разнообразные оптоволокна:

  • Одномодовые оптоволокна
  • Многомодовые оптоволокна
  • Оптоволокна с градиентным показателем преломления
  • Оптоволокна со ступенчатым профилем распределения показателей преломления.

Из-за физических свойств оптоволокна необходимы специальные методы для их соединения с оборудованием. Оптоволокна являются базой для различных типов кабелей, в зависимости от того, где они будут использоваться.

Принцип передачи света внутри оптоволокна был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837—1901 гг.), но развитие современных оптоволокон началось в 1950-х годах. Они стали использоваться в связи несколько позже, в 1970-х; с этого момента технический прогресс значительно увеличил диапазон применения и скорость распространения оптоволокон, а также уменьшил стоимость систем оптоволоконной связи.

Содержание

Применение

Оптоволоконная связь

Оптоволокно может быть использовано как средство для дальней связи и построения компьютерной сети, вследствие своей гибкости, позволяющей даже завязывать кабель в узел. Несмотря на то, что волокна могут быть сделаны из прозрачного пластичного оптоволокна или кварцевого волокна, волокна, использующиеся для передачи информации на большие расстояния, всегда сделаны из кварцевого стекла, из-за низкого оптического ослабления электромагнитного излучения. В связи используются многомодовые и одномодовые оптоволокна; многомодовое оптоволокно обычно используется на небольших расстояниях (до 500 м), а одномодовое оптоволокно — на длинных дистанциях. Из-за строгого допуска между одномодовым оптоволокном, передатчиком, приемником, усилителем и другими одномодовыми компонентами, их использование обычно дороже, чем применение мультимодовых компонентов.

Оптоволоконный датчик

Оптоволокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях.

Оптоволокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптоволокном [1] .

Оптоволоконные датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков (Оптоволоконное измерение температуры).

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Другое применение оптоволокна — в качестве датчика в лазерном гироскопе, который используется в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна полученные при вращении заготовки с сильным встроеным двойным лучепреломлением.

Оптоволокно применяется в охранной сигнализации на особо важных объектах (например, ядерное оружие). Когда злоумышленик пытается переместить боеголовку, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Другие применения оптоволокна


Оптоволокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптоволокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Оптоволоконное освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные ёлки.

Оптоволокно также используется для формирования изображения. Когерентный пучок, передаваемый оптоволокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Читайте также: