§5.4.1. Вимірювання поперечних геометричних параметрів

Найбільш важливим геометричним параметром світловода є його діаметр. Розглянемо декілька методів вимірювання цього параметра.

1. Метод циліндричної лінзи

СВ розглядається, як циліндрична лінза. Суть методу полягає у вимірюванні за допомогою мікроскопа фокусної віддалі СВ, який розміщують в імерсійній рідині (для збільшення фокусної віддалі ) перпендикулярно до вісі зондуючого пучка.

Для однорідного волокна при опроміненні широким пучком фокусна віддаль визначається співвідношенням

. (5.50)

Для двошарового СВ

. (5.51)

Діаметр серцевини визначають, коли .

і визначають, розв’язуючи систему рівнянь, які записують при різних значеннях (змінюючи довжину хвилі випромінювання).

Показник заломлення імерсії повинен вимірюватися з точністю 0.0001 (наприклад, за допомогою рефрактометра Аббе).

Похибка вимірювання фокусної віддалі – 1 мкм, похибка вимірювання діаметра – 4%.

2) Метод резонансного розсіювання

Суть методу полягає в опроміненні СВ перпендикулярно його вісі випромінюванням лазера з довжиною хвилі випромінювання, що змінюється. При цьому реєструються резонанси Фабрі-Перо від осьового діаметра та резонансів поверхневих хвиль, зумовлених циліндричним перетином волокна. Схема вимірювання наведена на рис.5.14, а схема, що пояснює принцип формування резонансів – на рис.5.15.

Рис.5.14.

Рис.5.15.

Рис.5.14. Схема вимірювань діаметра волокна. 1 – волокно; 2 – світлоподілювач; 3 – мікроскоп; 4 – щілинна діафрагма.

Рис.5.15. Схема формування резонансів. 1 – волокно; 2 – поверхневі хвилі; 3 – хвилі Фабрі-Перо; 4 – резонансні смуги від поверхневих хвиль; 5 – резонанси Фабрі-Перо.

Відбите світлоподілювачем випромінювання направляється в мікроскоп. Збільшене зображення ближнього поля проектується на екран з щілинною діафрагмою.

Конструкція щілини дає можливість розділити резонанси хвиль Фабрі-Перо, по яким визначають діаметр волокна, і резонанси поверхневих хвиль, за допомогою яких вимірюють середній діаметр.

Абсолютні вимірювання діаметра проводять порівнянням довжин хвиль, при яких спостерігаються резонанси, і які отримано з розрахунків (за формулами Мі для однорідного циліндра з відомим ).

Цей метод є одним з найбільш точних і може бути використаний для виготовлення зразкових засобів вимірювання і еталонних установок.

3) Метод інтерферометрії зрізу волокна

Цей метод являється руйнівним. Для реалізації вимірювань необхідно виготовити зріз волокна. Його роблять таким чином.

СВ вставляють в скляну трубку і заливають епоксидною смолою. Після затвердівання алмазним диском роблять зрізи (товщиною ~ 1 мм), які потім шліфують (до товщини ~ 0.25 мм) і полірують (до заданої товщини ). Кінцеві розміри зрізу – мкм (рис.5.18).

На точність вимірювання дуже впливає паралельність торців зрізу. Тому вона витримується з точністю до декількох десятих .

Вимірювання проводять на двопроменевому інтерференційному мікроскопі (рис.5.16).

Рис.5.16. Оптична схема двопроменевого інтерференційного мікроскопа. 1 – вхідний пучок; 2 – зріз волокна; 3 – об‘єктиви мікроскопа; 4 – дзеркала; 5 - етелонна пластина; 6 – напівпрозоре дзеркало; 7 – вихідний пучок.

Рис.5.17.

Рис.5.18.

Рис.5.17. Схема формування інтерференційних смуг. D – період інтерференційної картини; S – стрілка прогину інтерференційної смуги; d – діаметр волокна.

Рис.5.18. Зріз волокна. 2а – діаметр серцевини; h – товщина зрізу.

Зсув фаз при проходженні зрізу

, (5.52)

де h – товщина зрізу,

n(r) – профіль показника заломлення волокна,

– хвильове число.

Віддаль між не викривленими інтерференційними смугами відповідає зсуву фаз хвиль в плечах інтерферометра . Тоді можна записати рівняння

. (5.53)

З цього рівняння можна визначити різницю (або ).

Діаметр світловоду можна визначити вимірюючи ширину викривленої частини інтерференційної картини (рис.5.17).

4) Дифрактометричний метод

Принцип вимірювання оснований на використанні дифракційної картини при опроміненні СВ паралельним світловим пучком перпендикулярно до його вісі (рис.5.19). Розміри світловода оцінюють за вимірюваннями розмірів отриманої дифракційної картини.

Рис.5.19.

Віддаль між будь-якими сусідніми двома мінімумами визначається співвідношенням

,

при невеликих кутах дифракції , і

, (5.54)

. (5.55)