1.8.7 Числова апертура

Ефект повного внутрішнього відбитка використовується в оптичних світловодах за рахунок того, що в середині світловода є «скляна серцевина» із показником заломлення n і навколо її «скляна оболонка» із показником заломлення n , при цьому n більше n (рис.1.22). Повний внутрішній відбиток у ОВ має місце доти, поки введені у світловод промені падають на його торець під кутом  і заломлюються під кутом більш  _критичним кутом. Для  має місце таке відношення: , (15)

тобто критичний кут залежить від відношення показників заломлення n і n . З формули (15) випливає, що промені, які відхиляються від

осі ОВ на кут не більш (90 -  ), поширюються в серцевині.

Рисунок 1.22 - Поширення світла у ВОС

Для того, щоб увести світло зовні у середину (повітря з показником заломлення n = 1), кут запровадження між променем і віссю світловоду можна визначити відповідно до закону заломлення:

(16)

і отже, (17)

З урахуванням вимоги відносно критичного кута результат буде таким: (18)

Максимально можливий кут променів на торець ВОС  називається вхідною кутовою апертурою. Вона залежить тільки від двох показників заломлення n і n . Синус вхідної кутової апертури називається числовою апертурою N_A ВОС: (19) Цей розмір дуже важливий для запровадження світла у волоконий світловод. Отже, ОВ пропускає світло, яке уведене у рамках обмеженого тілесного кута, розмір якого залежить від показників заломлення: матеріалу серцевини n , оболонки n і середовища навколо з n . Числова апертура світловоду залежить від показників заломлення, визначається типом і концентрацією легуючих добавок, для котрих використовуються оксиди германію, бору, фосфору, титану і алюмінію. Градієнтні світловоди мають N_A = 0,2. Світловоди з великою числовою апертурою мають великі втрати, але їх легше виготовляти і вони дешевше. Збільшення різниці між показником переломлення серцевини і оболонки покращує ефективність запровадження випромінювання у ВОС, але в той же час призводить до збільшення міжмодової дисперсії - розширенню імпульсу. У ВОС із малою числовою апертурою менше дисперсія імпульсу, але більше втрати на мікрозгибах.

1.9 Завдання до пр

1. Вивчити устрій ВОС і принципи поширення оптичного випромінювання по ньому у залежності від профілю ПЗ.

2. Вивчити основні характеристики ВОС:

2.1. Число і структура мод, що поширюються в ОВ.

2.2. Профіль ПЗ.

2.3. Числова апертура, її фізична сутність.

2.4. Геометричні розміри серцевини і оболонки.

2.5.Оптичні характеристики: загасання і розширення імпульсів.

2.6. Вивчити устрій запропонованих екземплярів кварцових, кварц-полімерних і полімерних ВОС, їх геометричні особливості, зарисувати, описати і обміряти їх розміри, зробити висновки.

1.10 Контрольні питання

1. Що таке світловод і на якому принципі по ньому передається електромагнітна енергія.

2. Устрій ВОС для передачі оптичної інформації.

3. Що таке мода? Число і структура мод, що поширюються, у різноманітних типах ВОС.

4. Направляємі, оболоночні і витікаючі моди.

5. Одномодові і багатомодові, східчасті і градієнтні ВОС.

6. Профіль показника заломлення в різноманітних типах ВОС.

7. Геометричні розміри ВОС в залежності від їхнього типу.

8. Конструкція ВОС.

9. Числова апертура ВОС, її фізична сутність.

10. Загасання, її фізична сутність, основні параметри.

12. Дисперсія, її фізична сутність, основні параметри.