Числовая и входная апертура




 

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.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-11 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: