Эффект полного внутреннего отражения используется в оптических волноводах за счет того, что в середине световода имеется «стеклянная сердцевина» с показателем преломления n1 и вокруг нее - «стеклянная оболочка» с показателем преломления n2, при этом n1нескольковыше n2(рисунок 4.10).
Рисунок 4.10 - Распространение света в волоконном световоде:
1 — сердцевина; 2 — оболочка; 3 — световой конус захвата лучей
Из требования sin a0 = n1 / n2следует, что все лучи, отклоняющиеся от оси световода на угол не более (90°- а0), будут распространяться в сердцевине.
Максимальный возможный угол ввода (лучей на торец световода) θmах называется входной угловой апертурой световода. Она зависит только от двух показателей преломления: n1и n2. Синус входной угловой апертуры называется числовой апертурой NA световода:
NA = sinθmax.
Эта величина очень важна для ввода света в волоконный световод.
Можно отметить, что чем толще сердцевина световода и чем больше отличается n1и n2, тем больше критическая длина волны и соответственно ниже критическая частота волоконного световода.
Используя законы геометрической оптики, определим максимально возможный угол θmах, рисунок 4.10, при котором свет из окружающей среды с показателем преломления п может быть захваченным, т.е. nс будет распространяться вдоль оси световода. Этот угол принято называть входной угловой апертурой световода.
Числовая апертура - синус максимального угла падения луча света для оптических приборов, или же синус максимального входного угла волновода или оптоволокна.
На практике более часто используется не численное значение угла θmах, а значение синуса этого угла, называемое числовой апертурой. Это объясняется тем, что при лучевом подходе способность световода воспринимать световую энергию от источника излучения характеризуется числовой апертурой (NA), представляющей собой произведение показателя преломления среды пс, из которой луч падает на торец световода, на синус максимального угла падения лучей, который соответствует модам, распространяющимся по сердцевине.
Если лучи падают из воздушной среды (пс = 1 ), то
; (4.5)
С увеличением разности между показателями преломления сердцевины и оболочки возрастает значение числовой апертуры NA, что улучшает эффективность ввода света от источника излучения в волокно. Однако волокна с большей числовой апертурой имеют и большую дисперсию, что является отрицательным фактором.
Есть два различных значения термина «числовая апертура» (ЧА), используемых в контекстах волоконной оптики и оптики изображений.
Высокой числовой апертуре соответствует большая расходимость пучка на выходе из оптического волокна, но также эта расходимость излучения зависит от диаметра сердцевины. Для волокон с профилем показателя преломления, отличным от ступенчатого (то есть в таких, где сердцевина не имеет постоянного показателя преломления), эффективная числовая апертура может быть определена на основе эквивалентного ступенчатого профиля показателя преломления. Иначе, ЧА можно вычислить, зная максимальный показатель преломления в сердцевине.
Для одномодового волокна ЧА, как правило, порядка 0.1, но может варьироваться примерно от 0.05 до 0.4. Многомодовые волокна обычно имеют более высокую числовую апертуру, например, 0.3. Очень высокие значения возможны для фотоннокристаллических волокон.
Для волокон с большой ЧА:
- для заданной площади моды, волокна с более высокой ЧА лучше проводят свет, т.к. они в целом поддерживают большее число мод;
- в одномодовых волокнах меньше диаметр сердцевины волокна. Соответствующая площадь моды меньше, а расхождение пучка на выходе из волокна больше. Нелинейные свойства волокна, соответственно, больше. С другой стороны, одномодовые волокна с большой площадью моды должны иметь низкую ЧА;
- уменьшаются потери на изгибах волокна; волокно может быть более сильно согнуто прежде, чем потери изгиба становятся существенными;
- уменьшается чувствительность свойств волокна к случайным колебаниям показателя преломления (для волокон с большой площадью моды с низкой ЧА это может быть проблемой);
- более высокая концентрация примеси (например германия), как требуется для создания большой разницы показателей преломления, может увеличить потери за счет рассеяния.